沈敏,康貽軍,王歡莉,趙慶新
摘要:采用平板發(fā)芽生長方法,研究Cu、Pb、Zn、農(nóng)用硫酸鏈霉素和乙草胺在各自建議濃度(Recommended concentration, RC)和2×RC下,Bacillus pumilus WP8對(duì)辣椒發(fā)芽生長的影響。結(jié)果表明,Cu和乙草胺在試驗(yàn)濃度下,辣椒均不發(fā)芽,WP8的存在未能緩解脅迫作用; Pb、Zn和農(nóng)用硫酸鏈霉素在RC下,對(duì)WP8的促生能力,特別是根的伸長影響很?。唬病粒遥孟?,Pb處理對(duì)WP8促生能力的影響依然較小,但Zn和農(nóng)用硫酸鏈霉素處理對(duì)WP8促生能力的影響較大,但根的指標(biāo)仍能達(dá)CK水平;WP8的生長狀況和促生表現(xiàn)之間沒有明顯的相關(guān)性。
關(guān)鍵詞:重金屬;農(nóng)藥;Bacillus pumilus WP8;促生能力
中圖分類號(hào):Q935文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2012)14-2988-04
Effect of Common Heavy Metals and Agricultural Agents on Plant Growth Promotion Ability of Bacillus pumilus WP8
SHEN Min,KANG Yi-jun,WANG Huan-li,ZHAO Qing-xin
(School of Life Science and Technology,Yancheng Teachers University, Yancheng 224002,Jiangsu,China)
Abstract: A germination and growth experiment using filter paper was carried out to study the effect of Cu, Pb, Zn, agricultural streptomycin (STM) and acetochlor (ACT) at respective recommended concentration (RC) and 2×RC on the germination of pepper seeds and the growth promotion ability of Bacillus pumilus WP8. The results showed that no germinated seeds were detected under the stress of Cu and ACT, and there was no alleviative effect when inoculated with WP8. Slight effects of Pb, Zn and STM stress at RC, as well as Pb stress at 2×RC on seedlings growth especially on root elongation were detected, and the effects of Zn and STM stress at 2×RC on seedlings growth were distinct. However, the root length index still come up to the level of control check (CK). There was no clear definitive relationship between the growth of WP8 and the growth promotion effects. These results provided some basis for the further development of WP8.
Key words: heavy metal; agricultural agent; Bacillus pumilus WP8; plant growth promotion ability
植物根際促生菌(Plant growth-promoting rhizobacteria,PGPR)是指生存于植物根際、根表,并能直接或間接地促進(jìn)或調(diào)節(jié)植物生長的微生物[1]。利用PGPR及其制劑部分替代化肥、農(nóng)藥已成為解決農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的重要途徑。在前期的工作中,從小麥根際篩選出1株高效廣適的PGPR菌株Bacillus pumilus WP8[2],并已在水稻、豇豆和番茄等植物的促生/生防試驗(yàn)中獲得成功,WP8的良好表現(xiàn)說明其具有較強(qiáng)的應(yīng)用潛力。
PGPR菌株實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)揮促生/生防作用的前提是在土壤中能表現(xiàn)出充分的競爭力[3]。土壤中生物和非生物因素都影響著PGPR的生存和定殖能力,其中非生物因素主要是土壤中對(duì)微生物生長不利的重金屬、農(nóng)藥殘留[4]。雖然人們已認(rèn)識(shí)到重金屬、農(nóng)藥殘留對(duì)食物和環(huán)境安全已經(jīng)或?qū)⒁斐傻奈:?,但事?shí)上,目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中仍不能完全避免這種危害。因此,研究WP8在常見重金屬和農(nóng)藥脅迫下的實(shí)際促生表現(xiàn)更具現(xiàn)實(shí)意義,也是進(jìn)一步評(píng)價(jià)其應(yīng)用潛力的重要依據(jù)。Ahemad等[4]研究發(fā)現(xiàn)幾種常見殺蟲劑對(duì)Klebsiella sp. strain PS19促生指標(biāo)都產(chǎn)生了影響,且環(huán)境中農(nóng)藥劑量越大,影響越顯著。這可能是迄今檢索到僅有的相關(guān)報(bào)道,然而該研究僅測定了相關(guān)促生指標(biāo),未能通過具體植物進(jìn)行驗(yàn)證,而且缺乏重金屬等土壤中常見脅迫因素的影響。鑒于此,以WP8為材料,以土壤中常見重金屬Cu、Pb、Zn和常用農(nóng)藥乙草胺、農(nóng)用硫酸鏈霉素等為脅迫因子,以辣椒種子為試驗(yàn)對(duì)象,通過平板發(fā)芽方法研究WP8在重金屬、農(nóng)藥脅迫下對(duì)辣椒種子發(fā)芽率及幼苗生長的影響。
1材料與方法
1.1供試材料及處理方法
接種適量Bacillus pumilus WP8細(xì)胞于NB液體培養(yǎng)基(Nutrient broth),(28±2) ℃、180 r/min搖床培養(yǎng)48 h后,轉(zhuǎn)至無菌50 mL離心管中,5 000 r/min離心10 min,棄去上清液,細(xì)胞重懸于無菌去離子水中,混勻,調(diào)至108CFU/mL,置于4 ℃冰箱保存3 d備用。
供試?yán)苯菲贩N為美國大牛角(河北青縣王鎮(zhèn)店種子繁育站)。取辣椒種子若干,用70%乙醇和1%次氯酸鈉溶液分別處理5和1 min,無菌去離子水沖洗3遍,風(fēng)干備用。
供試農(nóng)藥:乙草胺(遼寧營口三征農(nóng)用化工有限公司);農(nóng)用硫酸鏈霉素(鄭州方正化工有限公司)。
1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)共設(shè)以下22個(gè)處理:①CK(空白對(duì)照);②CK+WP8;③0.1%農(nóng)用硫酸鏈霉素(記作“鏈0.1”);④0.1%農(nóng)用硫酸鏈霉素+WP8(記作“鏈0.1+WP8”);⑤0.2%農(nóng)用硫酸鏈霉素(記作“鏈0.2”);⑥0.2%農(nóng)用硫酸鏈霉素+WP8(記作“鏈0.2+WP8”);⑦0.3%乙草胺(記作“乙0.3”);⑧0.3%乙草胺+WP8(記作“乙0.3+WP8”);⑨0.6%乙草胺(記作“乙0.6”);⑩0.6%乙草胺+WP8(記作“乙0.6+WP8”);11 100 mg/L Cu(記作“Cu 100”);12 100 mg/L Cu+WP8(記作“Cu 100+WP8”);13 200 mg/L Cu(記作“Cu 200”);14 200 mg/L Cu+WP8(記作“Cu 200+WP8”);15 50 mg/L Pb(記作“Pb 50”);16 50 mg/L Pb+WP8(記作“Pb 50+WP8”);17 100 mg/L Pb(記作“Pb 100”);18 100 mg/L Pb+WP8(記作“Pb 100+WP8”);19 50 mg/L Zn(記作“Zn 50”);20 50 mg/L Zn+WP8(記作“Zn 50+WP8”);21 100 mg/L Zn(記作“Zn 100”);22 100 mg/L Zn+WP8(記作“Zn 100+WP8”)。上述處理均設(shè)3次重復(fù)。
1.3接種及平板發(fā)芽方法
取若干消毒過的辣椒種子浸泡于WP8細(xì)胞液內(nèi),28 ℃、140 r/min搖床中充分接觸20 min后取出,于無菌工作臺(tái)上風(fēng)干。另取若干種子浸泡于無菌去離子水中,進(jìn)行上述相同處理作為對(duì)照(CK)。
平板發(fā)芽方法:按上述試驗(yàn)設(shè)計(jì),向鋪有無菌濾紙、相應(yīng)處理的培養(yǎng)皿內(nèi)分別移入4 mL無菌去離子水、100 mg/L(元素的量,下同)的Cu溶液、200 mg/L的Cu溶液、50 mg/L的Pb溶液、100 mg/L的Pb溶液、50 mg/L的Zn溶液、100 mg/L的Zn溶液、0.3%(V/V)乙草胺溶液、0.6%(V/V)乙草胺溶液、0.1%(W/V)農(nóng)用硫酸鏈霉素溶液和0.2% (W/V) 農(nóng)用硫酸鏈霉素溶液。在不同處理的培養(yǎng)皿內(nèi)放入20粒辣椒種子,28 ℃下避光發(fā)芽生長15 d后取出。
1.4供試重金屬和農(nóng)藥對(duì)WP8生長的影響
為研究WP8在重金屬、農(nóng)藥脅迫下與無脅迫時(shí)促生效果的差異,試驗(yàn)測定了WP8在重金屬和農(nóng)藥脅迫下的生長情況。各處理配制200 mL 1/10濃度的NB液體培養(yǎng)基(盡量接近土壤養(yǎng)分狀況),按上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別加入相應(yīng)量的重金屬和農(nóng)藥,接入等量WP8細(xì)胞,(28±2) ℃、180 r/min搖床培養(yǎng)48 h后測定三角瓶內(nèi)WP8細(xì)胞的量。采用了兩種測定方法:①針對(duì)液體外觀無混濁的重金屬溶液和農(nóng)用硫酸鏈霉素溶液,用可見分光光度計(jì)測定吸光度(A550 nm),以未接入WP8的重金屬溶液作為參比溶液;②針對(duì)乳濁液狀態(tài)的乙草胺溶液,用稀釋平板培養(yǎng)法進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)。
1.5測定項(xiàng)目及統(tǒng)計(jì)方法
統(tǒng)計(jì)并計(jì)算各處理發(fā)芽率;量取辣椒幼苗根長和莖長。所獲數(shù)據(jù)用SPSS 15.0軟件作方差分析。
2結(jié)果與分析
2.13種重金屬對(duì)WP8促生效果的影響
由圖1可知,WP8浸種處理的辣椒幼苗的莖長和根長均顯著長于CK,說明WP8對(duì)辣椒的促生效果較好。Cu、Pb、Zn脅迫下,辣椒種子的發(fā)芽及幼苗的生長均受到不同程度的影響,其中,Cu對(duì)其的影響最大,在土壤污染臨界值(100 mg/L)時(shí),辣椒種子已不能發(fā)芽,這意味著國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有關(guān)Cu的污染臨界值應(yīng)因不同植物而異,像辣椒這類植物,顯然對(duì)Cu更為敏感。同時(shí)也表明WP8的促生作用也受到不同程度的影響。
在Pb50和Pb100條件下,辣椒的根、莖長度均比CK顯著縮短,雖然Pb100處理的根、莖長度均小于Pb50處理,但它們之間卻無顯著差異。Pb50+WP8處理的莖長和CK+WP8無顯著差異,根長增加,達(dá)30.90 mm,顯著長于CK+WP8處理。Pb100+WP8處理的莖長和CK間無顯著差異,但卻顯著低于CK+WP8處理;根長卻也和Pb50+WP8處理相似,比CK+WP8顯著增加。另外,Pb50+WP8和Pb100+WP8兩處理的根長都長于莖長,說明在Pb脅迫下,WP8極大地促進(jìn)了根的伸長。
在Zn50和Zn100條件下,辣椒的根、莖長度均比CK顯著縮短,雖然Zn100處理的根、莖長度均小于Zn50處理,但它們之間卻無顯著差異,這點(diǎn)和Pb處理相似。Zn50+WP8處理的莖長和CK無顯著差異,根長卻比CK增長115.15%,達(dá)CK+WP8處理的水平。Zn100+WP8處理的莖長和根長分別比Zn100處理增長48.72%和494.74%,差異均達(dá)顯著水平。
試驗(yàn)說明,WP8有助于緩解重金屬對(duì)辣椒幼苗的脅迫,主要體現(xiàn)在促進(jìn)其根的伸長;重金屬對(duì)WP8的促生作用有一定的影響,以Cu的影響尤為明顯。
2.2兩種常見農(nóng)藥對(duì)WP8促生效果的影響
農(nóng)用硫酸鏈霉素和乙草胺對(duì)辣椒種子發(fā)芽、幼苗生長以及對(duì)WP8促生效果的影響各不相同。對(duì)農(nóng)用硫酸鏈霉素而言,鏈0.1處理(建議濃度)和CK相比,莖長并未顯著縮短,根長反比CK顯著增加,而鏈0.2處理的根、莖長度均比CK顯著縮短。鏈0.1+WP8處理的根長和CK+WP8處理相比無顯著差異,但莖長卻短42.77%,差異達(dá)顯著水平;鏈0.2+WP8處理的莖長、根長分別比CK+WP8處理短65.24%和49.97%,差異均達(dá)顯著水平,但其根長和CK保持同一水平。說明WP8有助于緩解農(nóng)用硫酸鏈霉素對(duì)辣椒幼苗生長的影響,主要體現(xiàn)在促進(jìn)根的伸長。
乙草胺對(duì)辣椒發(fā)芽、生長及WP8的促生效果的影響較農(nóng)用硫酸鏈霉素大。在建議濃度(乙0.3處理)和2倍建議濃度(乙0.6處理)下,辣椒均不發(fā)芽,只是乙0.3+WP8處理的辣椒根有所生長。說明乙草胺對(duì)辣椒發(fā)芽、生長影響很大,WP8的緩解作用也相對(duì)較小。
2.3常見重金屬和農(nóng)藥對(duì)WP8生長的影響
由圖3可知,不同重金屬和農(nóng)藥對(duì)WP8的生長有不同程度的抑制作用。各處理和CK之間均存在顯著差異;除Cu100和Cu200處理之間差異不顯著外,其余各處理建議濃度和2倍建議濃度之間的差異均達(dá)顯著水平。建議濃度下,各重金屬對(duì)WP8生長的影響為Cu>Zn>Pb,說明WP8對(duì)Cu相對(duì)敏感;2倍建議濃度下,各重金屬對(duì)WP8生長的影響為Pb>Cu>Zn。
3討論
PGPR的促生機(jī)制具有多樣性,可歸納為誘導(dǎo)體系抗性和誘導(dǎo)體系忍耐力兩類[5],其中誘導(dǎo)體系忍耐力包括PGPR誘導(dǎo)植物耐重金屬生長或協(xié)助植物進(jìn)行重金屬超積累等,例如,一些耐鋅根際菌增強(qiáng)二月蘭(Orychophragmus violaceus)對(duì)Zn的富集以及增加植物生物量[6];耐鎘根際菌可在鎘脅迫下促進(jìn)甘藍(lán)型油菜(Brassica napus)的生長[7];耐鎳根際菌可提高芥菜型油菜(Brassica juncea)和油菜野生種(B. oxyrrhina)對(duì)鎳的富集[8]等。此次研究的重點(diǎn)并非證明WP8是否可幫助辣椒忍耐重金屬脅迫,而是研究WP8在常見重金屬和農(nóng)藥脅迫下的實(shí)際促生能力。這主要出于前期對(duì)WP8的促生能力已有較好的認(rèn)識(shí),認(rèn)為WP8具有很好的應(yīng)用潛力,因此需要進(jìn)一步探究其在環(huán)境脅迫下的實(shí)際促生表現(xiàn)。但WP8在重金屬和農(nóng)藥特別是Pb、Zn和農(nóng)用硫酸鏈霉素脅迫下,仍能促進(jìn)辣椒生長,這個(gè)結(jié)果對(duì)豐富WP8的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域仍具有指導(dǎo)意義。
不少學(xué)者認(rèn)為PGPR發(fā)揮作用的前提是能競爭存活[3,9,10],但PGPR存活并不一定就有促生作用。研究中,Cu處理的辣椒種子不能發(fā)芽,但同樣的Cu濃度脅迫下,WP8也有少量生長,而且其生長量比Pb100多,然而Cu100+WP8和Cu200+WP8處理辣椒的發(fā)芽和生長情況卻遠(yuǎn)不如Pb100+WP8處理好,乙草胺處理也有相似情況,這說明WP8是否存活與最終的促生表現(xiàn)似乎并無決定關(guān)系??梢钥隙ǖ氖?,Cu和乙草胺脅迫環(huán)境對(duì)辣椒發(fā)芽和生長的影響最大,即使有WP8存在也很難緩解,這既說明PGPR促生機(jī)制的復(fù)雜性,也對(duì)辣椒種植過程中除草劑的使用及土壤污染標(biāo)準(zhǔn)的制定起指導(dǎo)作用。
試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),WP8在重金屬和農(nóng)藥脅迫下,對(duì)辣椒根的促生作用比對(duì)莖的促生作用明顯。Belimov等[11]研究發(fā)現(xiàn)Pseudomonas brassicacearum strain Am3能在濾紙培養(yǎng)皿環(huán)境中促進(jìn)番茄幼苗根的伸長,并在土壤試驗(yàn)中能提高植物生物量,但P. brassicacearum strains 520-1和T8-1并不能促進(jìn)幼苗根的伸長,通過比較發(fā)現(xiàn),Am3能同時(shí)在濾紙培養(yǎng)皿和土壤環(huán)境中定殖,而520-1和T8-1卻并不能定殖。因此認(rèn)為WP8之所以能大幅度促進(jìn)辣椒根的伸長,是因?yàn)槠湟呀?jīng)成功定殖于辣椒根際了,而且可以推想,WP8在土壤環(huán)境中應(yīng)該有較好的促生表現(xiàn)。
前期測定WP8的一些促生指標(biāo),只有產(chǎn)嗜鐵素這一項(xiàng)[2]。試驗(yàn)中,為探究WP8耐眾多重金屬和農(nóng)藥而進(jìn)行生長和促生的表現(xiàn),定性測定了其產(chǎn)ACC(1-aminocyclopropane-1-carboxylate,1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸)脫氨酶的能力,發(fā)現(xiàn)其能在以ACC為惟一碳源的培養(yǎng)基上進(jìn)行生長。這說明該菌株極有可能通過產(chǎn)ACC脫氨酶抗重金屬和農(nóng)藥而進(jìn)行生長并促進(jìn)辣椒發(fā)芽和生長。
參考文獻(xiàn):
[1] AHMAD F, AHMAD I,KHAN M. Screening of free-living rhizospheric bacteria for their multiple plant growth promoting activities [J]. Microbiological Research,2008,163(2):173-181.
[2] 康貽軍,程潔,梅麗娟,等. 植物根際促生菌的篩選及鑒定[J]. 微生物學(xué)報(bào),2010,50(7): 853-861.
[3] CATTELAN A J, HARTEL P G,FUHRMANN J J. Screening for plant growth-promoting rhizobacteria to promote early soybean growth[J]. Soil Science Society of America Journal,1999,63(6):1670-1680.
[4] AHEMAD M,KHAN M S. Effects of insecticides on plant-growth-promoting activities of phosphate solubilizing rhizobacterium Klebsiella sp. strain PS19 [J]. Pesticide Biochemistry and Physiology,2011,100:51-56.
[5] 康貽軍,程潔,梅麗娟,等. 植物根際促生菌作用機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2010,21(1):232-238.
[6] HE C Q, TAN G E, LIANG X,et al. Effect of Zn-tolerant bacterial strains on growth and Zn accumulation in Orychophragmus violaceus[J]. Applied Soil Ecology,2010,44(1):1-5.
[7] DELL'AMICO E, CAVALCA L,ANDREONI V. Improvement of Brassica napus growth under cadmium stress by cadmium-resistant rhizobacteria [J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008,40(1):74-84.
[8] MA Y, RAJKUMAR M,FREITAS H. Improvement of plant growth and nickel uptake by nickel resistant-plant-growth promoting bacteria[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 166(2-3):1154-1161.
[9] RAAIJMAKERS J M,WELLER D M. Exploiting genotypic diversity of 2,4-Diacetylphloroglucinol-producing Pseudomonas spp.: characterization of superior root-colonizing P. fluorescens strain Q8r1-96[J]. Applied and Environmental Microbiology,2001,67(6):2545-2554.
[10] LANDA B B, MAVRODI D M, THOMASHOW L S, et al. Interactions between strains of 2,4-Diacetylphloroglucinol-producing Pseudomonas fluorescens in the rhizosphere of wheat [J]. Phytopathology,2003,93(8):982-994.
[11] BELIMOV A A, DODD I C, SAFRONOVA V I, et al. Pseudomonas brassicacearum strain Am3 containing 1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase can show both pathogenic and growth-promoting properties in its interaction with tomato[J]. Journal of Experimental Botany,2007,58(6):1485-1495.