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        水稻根際土壤解磷細菌篩選及其解磷機制研究

        2023-05-29 05:52:18潘林彌春霞徐青山魏倩倩孔亞麗朱練峰田文昊金千瑜張均華朱春權(quán)
        中國稻米 2023年3期
        關(guān)鍵詞:阿氏解磷磷酸酶

        潘林 彌春霞 徐青山 魏倩倩,3 孔亞麗朱練峰 田文昊 金千瑜 張均華* 朱春權(quán)*

        (1 牡丹江師范學(xué)院,黑龍江 牡丹江 157011;2 中國水稻研究所/水稻生物育種全國重點實驗室,杭州 310006;3 安徽大學(xué),合肥 230601;#共同第一作者;*通迅作者:zhangjunhua@caas.cn;zhuchunquan@caas.cn)

        磷是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素,不僅是細胞膜和三磷酸腺苷(ATP)的主要組成成分,也參與植物光合作用等生理生化反應(yīng)[1]。磷在土壤中易通過化學(xué)固定、吸附和生物固定等作用形成不能被植物直接吸收利用的難溶態(tài)磷,從而對作物造成缺磷脅迫。據(jù)統(tǒng)計,我國約2/3 面積的耕地處于缺磷狀態(tài)[2]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通過施加磷肥保障作物對磷的吸收。然而,作物對磷的當季利用率很少超過25%[3]。目前,我國耕地土壤中的總磷含量為0.2~1.1 g/kg,將土壤中這部分固定態(tài)磷釋放出來供作物利用,是提高磷利用效率和促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綠色可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向。

        土壤中存在具有解磷能力的細菌,統(tǒng)稱為解磷細菌,其可通過自身代謝產(chǎn)物或其他作用將土壤中固定的磷轉(zhuǎn)化成可被植物直接吸收的有效磷,從而提高植物對磷的利用率,促進植物生長發(fā)育[4]。目前,解磷細菌的解磷機制主要包括:降低土壤pH 值促進土壤中難溶態(tài)磷的釋放,比如通過呼吸作用產(chǎn)生CO2,對生物殘渣分解產(chǎn)生酸性物質(zhì),與NH4+發(fā)生同化反應(yīng)產(chǎn)生質(zhì)子,合成和釋放硫化氫及釋放有機酸等途徑降低土壤pH值[5-9];通過分泌磷酸酶、植酸酶、核酸酶和脫氫酶等胞外酶類物質(zhì)降解土壤中的有機磷[10]。

        作者從水稻根際土壤中篩選得到2 株解磷細菌,鑒定為阿氏芽孢桿菌(Priestia aryabhattai)和甲殼蟲WSH-0021 細菌(Bacillus megaterium WSH-0021)。我們將篩選得到的解磷細菌分別接種至2 種不同磷含量的土壤進行培養(yǎng),30 d 后通過測定土壤微生物量磷、細菌豐度、有效磷含量、磷酸酶活性和pH 值等,分析其解磷能力和解磷機制,為后期解磷細菌的開發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 目的菌株的篩選與鑒定

        提取中國水稻研究所富陽基地大田中水稻根際土,用滅菌超純水對水稻根際土以土水比1∶10(質(zhì)量比)進行重懸,然后進行10 倍的梯度稀釋,將稀釋液分別涂布于解無機磷細菌和解有機磷固體篩選培養(yǎng)基。篩選獲得的細菌用LB 液體培養(yǎng)基進行擴繁,連續(xù)傳代3 次后,運用16s rRNA(27f 和1492r)進行菌液PCR,獲得的產(chǎn)物送至杭州有康生物科技有限公司進行測序,然后在NCBI 上進行比對,最終得到2 種細菌,分別為阿氏芽孢桿菌(從解有機磷細菌鑒定培養(yǎng)基上獲得)和甲殼蟲WSH-0021 細菌(從解無機磷細菌鑒定培養(yǎng)基上獲得)。

        將鑒定得到的2 種解磷細菌分別加入解無機磷細菌和解有機磷液體培養(yǎng)基中培養(yǎng),以滅菌的解無機磷細菌和解有機磷液體培養(yǎng)基作為對照,培養(yǎng)條件為30 ℃和180 rpm,當菌液OD600 為0.5 時測定液體培養(yǎng)基中的有效磷含量,以不接菌的培養(yǎng)基作為對照。

        解無機磷細菌篩選和鑒定培養(yǎng)基配方:葡萄糖10 g/L,硫酸銨0.5 g/L,酵母浸粉0.5 g/L,氯化鉀0.3 g/L,氯化鈉0.3 g/L,硫酸鎂0.3 g/L,硫酸錳0.03 g/L,硫酸鉀0.3 g/L,硫酸亞鐵0.03 g/L,磷酸鈣5.0 g/L,pH 值7.0~7.5。根據(jù)需要添加15 g/L 瓊脂。解有機磷細菌篩選和鑒定培養(yǎng)基配方:葡萄糖10 g/L,硫酸銨0.5 g/L,氯化鈉0.3 g/L,硫酸鎂0.3 g/L,硫酸錳0.03 g/L,硫酸鉀0.3 g/L,硫酸亞鐵0.03 g/L,卵磷脂0.2 g/L,碳酸鈣1.0 g/L,pH值7.0~7.5。根據(jù)需要添加15 g/L 瓊脂。肉湯培養(yǎng)基(LB)配方:胰蛋白胨10 g/L,酵母浸出粉5 g/L,氯化鈉10 g/L,pH 值7.0~7.2。

        1.2 土壤培養(yǎng)實驗

        分別采集浙江省杭州市富陽區(qū)學(xué)院路茶園和中國水稻研究所水稻田0~20 cm 表層土壤(分別命名為土樣1 和土樣2),將土壤放入采集袋中,風(fēng)干過篩后備用。土樣1 和土樣2 的全磷含量分別為0.24 g/kg 和0.75 g/kg,有效磷含量分別為4.93 mg/kg 和14.92 mg/kg,pH 值分別為5.84 和6.27。

        將篩選得到的2 種細菌分別在LB 液體培養(yǎng)基中進行擴大培養(yǎng),在30 ℃、180 rpm 條件下振蕩培養(yǎng),待菌液OD600 為0.5 時取出菌液,以菌液∶土壤=12 mL∶100 g 的比例添加菌液,調(diào)節(jié)土壤絕對含水量為20%。對照土壤添加不接細菌的滅菌培養(yǎng)基。培養(yǎng)7 d 后,取土樣備用。每個樣品3 次重復(fù)。

        1.3 菌株生長曲線繪制

        將菌株接入LB 液體培養(yǎng)基中,在30 ℃、180 rpm條件下進行震蕩培養(yǎng),每隔1 h 取樣1 次,并測定菌液OD 值和pH 值,繪制生長曲線[11]。每個樣品3 次重復(fù)。

        1.4 磷含量測定

        土壤和液體培養(yǎng)基中的磷含量采用鉬銻抗比色法[12]測定。每個樣品重復(fù)3 次。

        1.5 土壤細菌豐度測定

        用土壤DNA 快速提取試劑盒(Fast DNA SPIN Kit for Soil)提取土壤微生物總DNA。用不同含有16s rRNA 片段的質(zhì)粒制作標曲。根據(jù)Ct 值和土壤干質(zhì)量計算土壤樣品中細菌的總拷貝數(shù)。采用16s rRNA-F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和16s rRNA-R(5′-ATTACCGCGGCTGCTGG-3′)進行實時熒光定量PCR。其中PCR 反應(yīng)體系為:DNA 模板2.5 μL,引物(10 μmol/L)各1.5 μL,Sybgreen 25 μL,dd H2O 19.5 μL。反應(yīng)條件為:94 ℃3 min;94 ℃1 min,52 ℃1 min,72 ℃1.0 min,32 個循環(huán);72 ℃10 min。

        1.6 酸性磷酸酶活性測定

        稱取5 g 土壤置于200 mL 三角瓶中,加入2.5 mL甲苯,輕搖15 min,加入20 mL 0.5%的磷酸二甲苯,搖床中37 ℃過夜培養(yǎng),隨后加入100 mL 0.3%的硫酸鋁溶液并過濾。吸取3 mL 濾液,采用磷酸苯二那比色法測定酸性磷酸酶活性[13]。

        1.7 土壤pH 測定

        將風(fēng)干土壤按照水土比2.5:1 的比例混合,在25 ℃、180 rpm 條件下振蕩30 min,靜置后用pH 計測定pH[14]。

        1.8 土壤微生物量磷含量測定

        每個樣品稱取2 組土壤,1 組采用熏蒸法處理,1 組不熏蒸。將2 組樣品分別吸取25 mL 于150 mL 三角瓶中,加入1 mL 33%硫酸溶液,加入4 mL 15%過硫酸鉀溶液。放入高壓滅菌鍋,20 min 取出。采用鉬銻抗比色法測定土壤中磷含量[15]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 解磷細菌篩選和鑒定

        在解有機磷和解無機磷固體培養(yǎng)基分別篩選得到的細菌,運用16s rRNA 擴增后進行測序,將測得序列在NCBI 網(wǎng)頁中進行同源性比較,結(jié)果得出解有機磷細菌篩選得到的細菌與阿氏芽孢桿菌同源性為99%,解無機磷細菌培養(yǎng)基中篩選得到的細菌與甲殼蟲WSH-0021 細菌同源性為99%。

        觀察2 種菌的菌落結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)阿氏芽孢桿菌的菌落小,呈黃色,形狀不規(guī)則,菌落較透明,周圍稍突起,有溶磷圈(圖1 A)。甲殼蟲WSH-0021 菌落小,呈黃色,圓型,菌落不透明,較濕潤,周圍無突起(圖1 B)。

        圖1 篩選得到的兩種解磷細菌的菌落形態(tài)

        阿氏芽孢桿菌在LB 培養(yǎng)基中培養(yǎng)的前8 h 處于延緩期,8 h 后進入對數(shù)期,生長發(fā)育迅速,培養(yǎng)基的pH 值也迅速下降,從7.00 下降至6.45 左右;12 h 后細菌進入穩(wěn)定期(圖2 A)。甲殼蟲WSH-0021 細菌延緩期較長,在前12 h 處于延緩期,12 h 后進入對數(shù)期,培養(yǎng)基的pH 值也迅速下降,從7.00 下降至6.47;17 h 后細菌進入穩(wěn)定期(圖2 B)。

        圖2 阿氏芽孢桿菌(A)和甲殼蟲WSH-0021 細菌(B)的生長曲線和pH 變化

        2.2 解磷能力鑒定

        將篩選得到的2 株細菌分別培養(yǎng)在有機磷和無機磷鑒定培養(yǎng)基中,24 h 后測定上清液中的有效磷含量。結(jié)果顯示,接種阿氏芽孢桿菌后,解有機磷鑒定培養(yǎng)基中的有效磷含量從3.05 mg/L 增加到了57.920 mg/L,增幅1 799.02%;接種甲殼蟲WSH-0021 細菌后,解無機磷鑒定培養(yǎng)基中的有效磷含量從204.28 mg/L 增加到了1 004.60 mg/L,增幅391.78%(表1)。

        表1 2 種解磷細菌解磷能力鑒定

        2.3 土壤中解磷能力鑒定

        2 株細菌接種至不同磷含量的土樣后培養(yǎng)7 d,分別測定土壤細菌豐度。從表2 可見,接種阿氏芽孢桿菌和甲殼蟲WSH-0021 細菌后均顯著增加土壤的細菌豐度。土樣1 的細菌豐度從1.33 ×109copies/g DW 分別增加至7.61 ×109copies/g DW 和53.20 ×109copies/g DW,增幅分別為3 900.00%和148.99%;土樣2 的細菌豐度活性從38.99 ×109copies/g DW 分別增加至92.35×109copies/g DW 和97.08 ×109copies/g DW,增幅分別為136.86%和148.99%。

        從表3 可見,接種阿氏芽孢桿菌和甲殼蟲WSH-0021 細菌后均顯著增加土壤的微生物量磷含量。土樣1的微生物量磷含量從1.89 mg/kg 分別增加至6.35 mg/kg和39.58 mg/kg,增幅分別為235.98%和1 994.18%;土樣2 的微生物量磷含量從2.70 mg/kg 分別增加至48.25 mg/kg 和3.17 mg/kg,增幅分別為1 687.03%和17.41%。

        表3 土壤中微生物量磷測定結(jié)果

        從表4 可見,接種阿氏芽孢桿菌顯著增加土樣1中的有效磷含量從4.68 mg/kg 增加至5.32 mg/kg,增幅13.68%。阿氏芽孢桿菌雖然增加了土樣2 中的有效磷含量,增幅為12.07%,但差異不顯著。接種甲殼蟲WSH-0021 細菌顯著增加土樣1 和土樣2 中的有效磷含量,分別從4.68 mg/kg 增加到5.67 mg/kg 和從12.92 mg/kg 增加到19.47 mg/kg,增幅分別為21.15%和11.66%。

        2.4 土壤的pH 變化

        從表5 可見,接種阿氏芽孢桿菌和甲殼蟲WSH-0021 細菌后均顯著降低土壤的pH 值,其中土樣1 的pH 值從5.84 分別降低至5.57 和5.67,土樣2 的pH 值從6.27 分別降低至5.86 和5.87。

        表5 土壤pH 值變化

        2.5 土壤中的酸性磷酸酶活性

        從表6 可見,接種阿氏芽孢桿菌和甲殼蟲WSH-0021 細菌后均顯著增加土壤的酸性磷酸酶活性。土樣1 的酸性磷酸酶活性從0.26 mg/(kg·h)分別增加至0.62 mg/(kg·h)和0.45 mg/(kg·h),增幅分別為138.46%和73.07%;土樣2 的酸性磷酸酶活性從0.05 mg/(kg·h)分別增加至0.92 mg/(kg·h)和0.22 mg/(kg·h),增幅分別為1 760.00%和3 400.00%。

        表6 土壤中酸性磷酸酶活性變化

        3 結(jié)論與討論

        解磷微生物包括解磷細菌、解磷真菌和解磷放線菌,其中以解磷細菌效果最好。朱德旋等[16]篩選出的伯克霍爾德菌屬高效解磷菌,在含磷酸三鈣的無有效磷培養(yǎng)基中培養(yǎng)4 d 后,其發(fā)酵液中可溶性磷含量高達832.74 mg/L,將菌接種至土壤后,不僅顯著提高水稻根際土中的有效磷含量,還顯著提高水稻的分蘗數(shù)、株高、根長和千粒重。接種菌株BS06 高效解磷菌顯著提高甘蔗莖、葉、根等器官中的總磷含量,同時提高甘蔗的株高和干質(zhì)量[17]。本實驗中篩選得到的阿氏芽孢桿菌和甲殼蟲WSH-0021 細菌,在不含有效磷的液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h 后,其液體培養(yǎng)基中的可溶性磷含量分別比對照增加了1 799.02%和391.78%(表1),說明我們篩選得到的菌株同樣為高效解磷細菌;將菌株分別接種至2 種土樣后培養(yǎng)30 d,土壤中的有效磷含量均顯著增加,其中,接種阿氏芽孢桿菌后,土樣1(低磷土壤)中有效磷增加了13.68%,土樣2(正常磷土壤)中的有效磷增加了12.07%,接種甲殼蟲WSH-0021 細菌后,土樣1 中有效磷增加了21.15%,土樣2 中有效磷含量增加了11.66%(表4),進一步證明了我們篩選得到的2 種解磷細菌的高效解磷能力。

        降低周圍環(huán)境pH 值是解磷細菌的解磷機制之一[21]。降低pH 的過程中,環(huán)境中H+數(shù)量增多,H+與土壤中與磷酸根離子結(jié)合的鐵、鋁、鈣、鎂等金屬離子發(fā)生螯合反應(yīng),減少金屬離子對磷結(jié)合位點的競爭,從而釋放磷酸根離子,增加有效磷含量[22]。比如解磷細菌腸桿菌(Enterobacter)通過分泌乙酸和葡萄糖酸降低環(huán)境pH 值,從而提高環(huán)境中有效磷含量和提高小麥生長[23]。假單胞菌屬解磷細菌通過呼吸作用或同化NH4+釋放H+,從而通過降低培養(yǎng)液pH 值進行解磷作用[24]。本次實驗結(jié)果顯示,2 種細菌生長曲線測定過程中,其培養(yǎng)基的pH 值均顯著下降,在土壤中接種細菌培養(yǎng)30 d后,2 種細菌同樣降低土樣1 和土樣2 的pH 值,證明我們篩選的解磷細菌亦是通過制造酸性環(huán)境進行解磷作用。

        分泌磷酸酶是解磷微生物的另一種解磷機制[5]。磷酸酶是生物磷代謝的重要酶類,可通過水解土壤中含有機磷化合物釋放無機磷。磷酸酶的活性直接影響土壤有機磷的分解、轉(zhuǎn)化和生物有效性[25]。缺磷環(huán)境下,解磷細菌可通過分泌磷酸酶礦化有機磷酸鹽,促進有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷,提高植物的磷素吸收率[26]。磷酸酶活性與環(huán)境pH 和有效磷含量直接相關(guān)[27]。莊馥露等[28]研究顯示,其篩選出的10 株解磷菌均能向外分泌酸性磷酸酶,通過定量測定后發(fā)現(xiàn),PsbM4 解磷細菌的酸性磷酸酶活性最高。畢銀麗等[29]發(fā)現(xiàn),在土壤中接種解磷菌后,能顯著提高玉米根際土壤中酸性磷酸酶活性。王法威等[30]在土壤中接種A9 解磷菌,發(fā)現(xiàn)其顯著提高土壤中的酸性磷酸酶活性和有效磷含量,最終促進大豆的生長。本實驗研究發(fā)現(xiàn),在土壤中接種2 種解磷菌后,顯著提高土壤中的酸性磷酸酶活性。其中,接種阿氏芽孢桿菌和甲殼蟲WSH-0021 細菌后,土樣1 中的酸性磷酸酶活性分別增加138.46%和73.07%,土樣2 中的酸性磷酸酶活性分別增加1 760.00%和3 400.00%,說明本實驗篩選得到的2 種解磷菌也通過向外分泌磷酸酶進行解磷。

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