戚秀秀，魏 暢，劉曉丹，張林利，姜 瑛，張登曉

根際促生菌應(yīng)用于基質(zhì)對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的影響①

戚秀秀，魏 暢，劉曉丹，張林利，姜 瑛，張登曉*

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002)

為了研究根際促生菌對(duì)水稻幼苗的促生效果，培育高效優(yōu)質(zhì)水稻育苗基質(zhì)，本研究選用5株根際促生菌(LY5：枯草芽孢桿菌()，LY11：解淀粉芽孢桿菌()，X2：摩拉維亞假單胞菌()，X3：沙芬西芽孢桿菌()，X8：綠針假單胞菌()分別與本實(shí)驗(yàn)室已篩選出的最適配比基質(zhì)進(jìn)行混合制作高效水稻育苗基質(zhì)，以不添加促生菌為對(duì)照，在盆栽條件下，研究根際促生菌對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)和代謝的影響。結(jié)果表明：①解淀粉芽孢桿菌(LY11)應(yīng)用于育苗基質(zhì)對(duì)水稻幼苗的促生效果及代謝活性最好。②在育苗基質(zhì)中添加根際促生菌后，地上部生物量和壯苗指數(shù)均比對(duì)照顯著增加，增幅分別為17.24% ~ 31.19% 和11.37% ~ 23.28%。③添加根際促生菌的育苗基質(zhì)能夠促進(jìn)水稻幼苗根系的生長(zhǎng)，根體積、總根長(zhǎng)等均比對(duì)照顯著增加，且改善了根系形態(tài)結(jié)構(gòu)，顯著提高了根系活力。④根際促生菌處理顯著促進(jìn)了水稻幼苗對(duì)氮磷鉀養(yǎng)分的吸收，且氮、鉀的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著提高。⑤水稻幼苗體內(nèi)谷氨酰胺合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性在促生菌處理下均顯著提高。因此，根際促生菌應(yīng)用于水稻育苗基質(zhì)能夠促進(jìn)秧苗的生長(zhǎng)并提高其代謝活性，本研究結(jié)果能夠?yàn)楦咝?yōu)質(zhì)水稻育苗基質(zhì)的研發(fā)提供理論支撐。

水稻；根際促生菌；育苗基質(zhì)；根系構(gòu)型；代謝活性

水稻作為主要糧食作物之一，在我國(guó)種植面積占總耕地面積的22.8%，總產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的40%，其中2017年水稻總產(chǎn)量達(dá)2.13億t[1]。目前我國(guó)水稻種植仍以育苗插秧為主，育苗是水稻生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，水稻幼苗的生長(zhǎng)狀況對(duì)其定植及以后的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量有著重要影響。通常采用肥力較高、生產(chǎn)性能好的稻田土壤作為基質(zhì)進(jìn)行育苗，然而這會(huì)造成耕層土壤大量流失和植被破壞等問(wèn)題，不利于作物的可持續(xù)生產(chǎn)[2]。隨著育苗需求的不斷擴(kuò)大，以草炭等為主要原料的育苗基質(zhì)得到廣泛應(yīng)用，而草炭作為不可再生資源，其成本較高且不可再生。因此，研發(fā)優(yōu)質(zhì)高效可持續(xù)的水稻育苗基質(zhì)對(duì)保障水稻產(chǎn)量具有重要意義。

利用來(lái)源廣泛的生物質(zhì)廢棄物研發(fā)高效水稻育苗基質(zhì)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[3-4]，并且通過(guò)生物質(zhì)循環(huán)利用，最大限度地減少?gòu)U棄物對(duì)環(huán)境的影響。生物質(zhì)廢棄物經(jīng)過(guò)堆肥腐熟后，性狀適宜且養(yǎng)分釋放充分，保水保肥性能好，可作為優(yōu)良的基質(zhì)原料[5-7]。并且其優(yōu)良的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性能夠促進(jìn)作物的生長(zhǎng)[8-9]。生物質(zhì)廢棄物經(jīng)腐熟產(chǎn)生的有機(jī)肥應(yīng)用于基質(zhì)中具有提高養(yǎng)分利用率、提高基質(zhì)中微生物活性和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，以及提高作物抗性等作用。有機(jī)肥自身含有較高的養(yǎng)分含量，能夠?yàn)樽魑锏纳L(zhǎng)提供直接養(yǎng)分來(lái)源。并且作為微生物代謝的碳源和能源，在基質(zhì)中能夠增加微生物的數(shù)量并且提高磷酸酶、脲酶等與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性[10-11]，保障作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)養(yǎng)分的需求。有機(jī)肥中含有大量的腐殖酸等物質(zhì)通過(guò)鰲合或絡(luò)合等過(guò)程對(duì)養(yǎng)分的釋放起調(diào)控作用，減少養(yǎng)分損失并提高養(yǎng)分利用率[12]。因此，有機(jī)廢棄物經(jīng)腐熟后應(yīng)用于作物基質(zhì)中具有提高養(yǎng)分利用率和促進(jìn)作物增長(zhǎng)的潛力。

土壤自身包含很多微生物具有促生功能，通過(guò)溶磷、溶鉀、固氮、產(chǎn)鐵載體、產(chǎn)植物激素等機(jī)制直接或間接作用于植物，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中保障土壤養(yǎng)分的持續(xù)釋放和作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，從而能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)。有研究發(fā)現(xiàn)，在作物育苗基質(zhì)中加入促生菌具有促進(jìn)作物幼苗生長(zhǎng)和增加幼苗抗性的作用[13]。促生菌株的實(shí)際應(yīng)用效果已得到廣泛驗(yàn)證且效果顯著，如Hamdali 等[14]從含無(wú)機(jī)磷酸鹽的土壤中分離出8 株解磷菌，其代謝過(guò)程中釋放的磷酸酶和有機(jī)酸等物質(zhì)促進(jìn)土壤中有機(jī)磷和穩(wěn)定態(tài)磷的活化，從而使小麥地上部干物質(zhì)重增長(zhǎng)70%，根長(zhǎng)增長(zhǎng)30%。劉佳莉等[15]從鹽堿土壤中分離出兩株促生菌，用其處理燕麥種子，對(duì)燕麥生長(zhǎng)的促生效果明顯。姜煥煥等[16]指出，促生菌通過(guò)誘導(dǎo)產(chǎn)生植物激素、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗氧化防御物質(zhì)等機(jī)制誘導(dǎo)植物自身抗脅迫機(jī)制的建立而增強(qiáng)作物抗性。然而促生菌的類型多，其代謝特性和生理功能等各有不同。因此，在不同的水稻育苗基質(zhì)中篩選出適宜的促生菌類型，生產(chǎn)出高效的育苗基質(zhì)對(duì)水稻生產(chǎn)具有重要意義。

基于此，本研究選用以生物質(zhì)廢棄物為主要原料的水稻育苗基質(zhì)，通過(guò)添加不同的促生菌，研究其對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)、養(yǎng)分吸收及其代謝活性的影響，探究出高效的育苗基質(zhì)，以期為水稻的高效高產(chǎn)提供理論和應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試基質(zhì)和稻種 供試基質(zhì)為本實(shí)驗(yàn)室前期篩選出的優(yōu)勢(shì)配比水稻育苗基質(zhì)[17]，即(酒糟+秸稈)堆肥60% + 蛭石30% + 珍珠巖10%，以1.5% 的硫酸水溶液調(diào)節(jié)至pH 5.0左右。其中酒糟(由河南新鄉(xiāng)龍泉酒業(yè)有限公司提供)和小麥秸稈(由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供)以C/N 28混勻，采用圓垛式堆肥，以人工堆積自然通風(fēng)的方式，每3 d翻堆一次，至腐熟完成。

水稻種子是由廣西恒茂農(nóng)業(yè)科技有限公司提供，品種為兩優(yōu)1號(hào)。稻種在室內(nèi)晾曬2 ~ 3 d后以20%鹽水選種，去除秕子及雜物，清水洗去種子表面的鹽分。水浸催芽，定期換水。待種子吸水膨脹出芽2 mm左右時(shí)，攤晾，備用。

1.1.2 促生菌懸液制備 LB 培養(yǎng)基：蛋白胨10 g，酵母粉5 g，NaCl 10 g，去離子水1 000 ml，pH 7.2 ~ 7.4，121 ℃ 高壓滅菌20 min。

促生菌菌株為本實(shí)驗(yàn)室前期篩選出的具有較強(qiáng)固氮解磷能力的優(yōu)勢(shì)菌株[13]，分別為：LY5：枯草芽孢桿菌()，LY11：解淀粉芽孢桿菌()，X2：摩拉維亞假單胞菌()，X3：沙芬西芽孢桿菌()，X8：綠針假單胞菌()，將已活化的促生菌接種于LB液體培養(yǎng)基，30 ℃、170 r/min振蕩培養(yǎng)36 h，4 000 r/min離心10 min，用無(wú)菌水重懸-離心洗滌3次后，重懸于無(wú)菌水中，調(diào)節(jié)其濃度為108/ml，備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及管理

本試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，分別為CK(最適配比基質(zhì))、LY5(最適配比基質(zhì)+菌LY5)、LY11(最適配比基質(zhì)+菌LY11)、X2(最適配比基質(zhì)+菌X2)、X3(最適配比基質(zhì)+菌X3)、X8(最適配比基質(zhì)+菌X8)。本試驗(yàn)所用育苗盤為580 mm′280 mm′30 mm帶孔育苗盤，基質(zhì)均勻平鋪于盤中，將促生菌懸液均勻噴灑于基質(zhì)表面，每盤噴灑50 ml，對(duì)照處理噴灑等量無(wú)菌水。每個(gè)處理重復(fù)3次，即播種3盤。按照常規(guī)生產(chǎn)方式裝盤育苗，均勻撒種。每盤等量播種芽谷130 g，均勻噴水使基質(zhì)含水量達(dá)到飽和狀態(tài)并維持厚度約3 cm，播種后覆土，覆土厚度約0.1 cm，濕潤(rùn)覆土后覆膜保溫保濕。各處理隨機(jī)擺放并定時(shí)隨機(jī)調(diào)整擺放位置。播種第22天采樣，進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集與處理 植株樣品采集：每株幼苗從基質(zhì)中取出，先用自來(lái)水沖洗掉基質(zhì)顆粒，并用蒸餾水沖洗后從根莖連接處剪斷，獲取根系和地上部樣品。其中每盤隨機(jī)留取10株地上部樣品，迅速置于–20 ℃ 冰箱中，備用，并將10株根系用根系掃描儀測(cè)定相應(yīng)指標(biāo)。隨機(jī)留取100株樣品分地上部和根系分別放置在信封中，于105 ℃ 烘箱中殺青30 min，80 ℃ 烘干至恒重，稱重并保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.2 分析項(xiàng)目和方法 1)植株農(nóng)藝性狀：株高、莖粗分別用直尺和游標(biāo)卡尺測(cè)量；地上部干重采用烘干法測(cè)定。

2)根系測(cè)定：根系總長(zhǎng)、根系總面積、根系平均直徑、根系總體積和根尖總數(shù)用根系掃描儀(EPSON EXPERSSION 1680型)測(cè)定；根系活力的測(cè)定采用Leagene植物根系活力定性檢測(cè)液(TTC法)檢測(cè)[18]。

3)植株氮磷鉀含量測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》[19]：用濃H2SO4-H2O2消煮，分別用凱氏定氮法、鉬藍(lán)比色法和火焰光度計(jì)法測(cè)定氮、磷、鉀的含量。

4)SPAD值：采用葉綠素儀(SPAD-502)測(cè)定。

5)氮、磷、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)TF：

式中：Abov為地上部氮磷鉀養(yǎng)分含量(g/kg)，Root為根系氮磷鉀養(yǎng)分含量(g/kg)。

6)植株地上部谷氨酰胺合成酶(GS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性測(cè)定：稱取0.5 g植株地上部樣品，加入6 ml 50 mmol/L的Tris-HCl (pH 7.6) 緩沖提取液(含2 mmol/L的MgSO4、0.5 mmol/L的EDTA、10 mmol/L的β-巰基乙醇)及少量石英砂后冰浴研磨，4 ℃ 下8 000 r/min離心20 min，保存上清液。谷氨酰胺合成酶(GS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性反應(yīng)體系分別采用Zhang等[20]和薛應(yīng)龍[21]的方法進(jìn)行，用酶標(biāo)儀(Multishan GO 1510，F(xiàn)inland)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel 2003和Origin 8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及作圖。數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，采用IBM SPSS Statistics 20進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，Duncan法進(jìn)行多重比較，顯著性水平為<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻植株生長(zhǎng)

不同促生菌處理對(duì)植株農(nóng)藝性狀的影響如圖1所示。與CK相比，5種類型促生菌的添加均顯著提高了水稻幼苗株高，其中LY11和X8增加效果最好，達(dá)到5.15% 和6.50%(圖1A)。對(duì)于莖粗和SPAD值來(lái)說(shuō)，LY11處理顯著高于CK，并且比其他促生菌處理顯著提高(圖1B、1C)。因此，從水稻幼苗農(nóng)藝性狀上看，促生菌加入育苗基質(zhì)中能夠促進(jìn)水稻幼苗的生長(zhǎng)，并且LY11的促生效果最好。不同促生菌處理均顯著增加水稻幼苗地上部生物量，由圖1D可知，促生菌處理下地上部生物量比CK處理增加幅度在17.24% ~ 31.19% 之間。其中，LY5、LY11和X8處理下生物量最大，且顯著高于X3處理。同時(shí)，從壯苗指數(shù)上看，促生菌的添加顯著提高了壯苗指數(shù)且不同促生菌之間差異較小(圖1E)。因此，促生菌加入水稻育苗基質(zhì)中能夠顯著促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)并提高秧苗質(zhì)量。

2.2 根系形態(tài)結(jié)構(gòu)

促生菌的添加顯著影響水稻幼苗的根系形態(tài)結(jié)構(gòu)(圖2)。與CK相比，各促生菌處理下根系總長(zhǎng)、根平均直徑和根總體積分別顯著增加了28.29% ~ 178.94%、18.60% ~ 65.22% 和15.65% ~ 99.32%，表明促生菌的添加促進(jìn)了水稻幼苗根系的生長(zhǎng)(圖2A、2B、2C)。其中，LY11的增加幅度最大，其次為X8，而X2的增加幅度最低。促生菌處理對(duì)根表面積和根尖數(shù)的增加顯著，說(shuō)明促生菌不僅促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)，同時(shí)增加了細(xì)根的數(shù)量，能夠增加根系與土壤的接觸，有利于促進(jìn)養(yǎng)分吸收(圖2D、2E)。并且LY11和X8處理使根尖數(shù)比對(duì)照分別增加了2.3倍和2.7倍。另外，促生菌的添加對(duì)水稻幼苗根系的影響不僅表現(xiàn)在根系形態(tài)結(jié)構(gòu)上，而且顯著提高了根系活力(圖2F)，提高幅度在20.86% 以上。

2.3 養(yǎng)分吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)

從水稻幼苗地上、地下部養(yǎng)分含量看出(表1)，促生菌處理顯著促進(jìn)了秧苗地上、地下部氮磷養(yǎng)分的積累，其中，地上部氮磷含量分別比CK處理增加67.80% ~ 104.92% 和34.17% ~ 171.76%，地下部氮磷含量分別提高89.59% ~ 149.09% 和4.23% ~ 71.64%，而且LY11和X8兩種促生菌處理提高效果最好。而鉀含量只有LY11和X8處理表現(xiàn)出顯著性差異，地上部分別提高6.39% 和4.98%，地下部鉀含量提高3.23% ~ 15.83%。因此，促生菌加入水稻基質(zhì)中具有促進(jìn)稻秧養(yǎng)分吸收的作用，并且不同類型促生菌之間表現(xiàn)出顯著差異。

(圖中小寫字母不同表示處理間差異達(dá)P<0.05顯著水平，下圖同)

圖2 不同處理對(duì)植株根系的影響

由于促生菌對(duì)水稻幼苗生物量積累的增加作用，養(yǎng)分吸收總量的變化比養(yǎng)分含量更大(表1)。特別是氮素在地上、地下部的養(yǎng)分吸收量均比CK處理增加1倍以上。磷素吸收量的增加幅度地上部超過(guò)57.43%，地下部介于9.69% ~ 89.17%。同時(shí)鉀素的吸收量與CK相比增幅介于11.24% ~ 39.61%?？傊?，促生菌加入水稻育苗基質(zhì)中能夠顯著促進(jìn)植株對(duì)養(yǎng)分的吸收，對(duì)實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分高效利用具有重要作用。

通過(guò)氮磷鉀養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)能夠看出(表2)，幾種促生菌處理下水稻幼苗中氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(1.46 ~ 1.64)均比CK處理(1.78)相對(duì)降低，即在根系中的積累大于地上部。磷素的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在LY5和LY11處理下分別為1.24和1.23，比CK處理顯著增加，而其他促生菌處理下差別較小。鉀的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在各處理間差別不明顯。從該結(jié)果中能夠看出，促生菌加入水稻育苗基質(zhì)中能夠影響植株體內(nèi)養(yǎng)分的運(yùn)移，而其作用效果與促生菌類型有關(guān)。

表1 不同處理對(duì)植株養(yǎng)分含量和吸收量的影響

注：同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異達(dá)<0.05顯著水平，下表同。

表2 不同處理對(duì)植株氮磷鉀轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

2.4 地上部谷氨酰胺合成酶和蔗糖磷酸合成酶

谷氨酰胺合成酶(GS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)在植物碳氮代謝過(guò)程中起著重要作用，與植株生物量的積累和養(yǎng)分的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程密切相關(guān)。GS酶活性在促生菌的處理下提高了14.61% ~ 39.27%，且LY11、X2和X8處理下酶活性最高(圖3A)。另外，SPS酶活性在LY5、LY11、X3和X8處理下分別提高了14.22%、35.61%、21.43% 和7.02%，X2處理下沒有表現(xiàn)出顯著性差異(圖3B)。因此，這可能是影響植株氮素累積和轉(zhuǎn)運(yùn)，以及生物量積累的因素之一。

圖3 不同處理對(duì)植株體內(nèi)谷氨酰胺合成酶和蔗糖磷酸合成酶的影響

3 討論

水稻的種植方式以育苗插秧為主，因此秧苗的壯苗指數(shù)和根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)對(duì)插秧后水稻定殖，以及后期水稻植株的生長(zhǎng)具有非常重要的作用。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻育苗基質(zhì)中添加促生菌后株高、莖粗和生物量得到顯著提升。促生菌應(yīng)用于基質(zhì)對(duì)作物幼苗的促生效果在辣椒[22]、白菜[23]和番茄[24]等作物的育苗中均得到驗(yàn)證。促生菌對(duì)作物的作用機(jī)制首先表現(xiàn)在對(duì)作物根系的影響，作物根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)影響根系從土壤獲取水分、養(yǎng)分資源的能力，并且進(jìn)一步影響作物地上部的生長(zhǎng)[25-26]。胡江春等[27]指出，多種根際促生菌自身代謝過(guò)程中能夠產(chǎn)生吲哚乙酸、赤霉素等植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)，增強(qiáng)植物代謝活性，促進(jìn)作物根系的生長(zhǎng)，增加對(duì)養(yǎng)分的吸收和同化，并進(jìn)一步促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，幾種促生菌處理不僅促進(jìn)了水稻幼苗根系體積的增加，而且根系總長(zhǎng)、根尖數(shù)和根表面積均顯著增加，因此顯著改善了根系構(gòu)型。較好的根系構(gòu)型有利于增加植株對(duì)生長(zhǎng)基質(zhì)中水分、養(yǎng)分的獲取，提高植株水肥利用效率，增強(qiáng)植株抗性[28-29]。特別是本研究中發(fā)現(xiàn)的根系表面積和根尖數(shù)的增加，以及根系活力的提高，表明促生菌通過(guò)改善根系構(gòu)型能夠保障作物生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)養(yǎng)分、水分等的吸收。同時(shí)，作物根系構(gòu)型與其所處基質(zhì)環(huán)境，包括水分和養(yǎng)分的有效性密切相關(guān)[30]。而本研究中所添加的促生菌均為具有固氮解磷能力的優(yōu)勢(shì)菌株[13]，能夠保障基質(zhì)中養(yǎng)分的供應(yīng)，降低養(yǎng)分脅迫。而該結(jié)果也反映出通過(guò)在水稻育苗基質(zhì)中添加促生菌具有減少養(yǎng)分投入、提高養(yǎng)分效率的應(yīng)用潛力。

另外，促生菌對(duì)作物生長(zhǎng)的影響機(jī)制表現(xiàn)在促生菌在作物根圍基質(zhì)、根系表面和根系內(nèi)部的代謝活動(dòng)，從而影響基質(zhì)中養(yǎng)分的活化以及養(yǎng)分在作物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)[31]。本研究中所選用的促生菌具有較強(qiáng)的固氮解磷能力，能夠激發(fā)育苗基質(zhì)中養(yǎng)分的活化，保障作物生長(zhǎng)過(guò)程中的吸收利用。例如解磷微生物可能通過(guò)產(chǎn)生磷酸酶水解有機(jī)磷并釋放出作物可直接吸收利用的生物有效態(tài)磷，或者通過(guò)分泌有機(jī)酸等次生代謝產(chǎn)物，將礦物離子結(jié)合態(tài)磷直接溶解活化，增加生長(zhǎng)基質(zhì)對(duì)磷素的供應(yīng)[32-33]；而固氮微生物的固氮酶活性高于其他微生物，增加生長(zhǎng)基質(zhì)對(duì)作物氮素供應(yīng)[18]。因此根際促生菌的添加可能增加作物對(duì)氮磷養(yǎng)分的吸收，本研究結(jié)果與此一致，即促生菌處理下水稻秧苗地上地下部氮磷養(yǎng)分含量均顯著高于對(duì)照處理，而且氮磷鉀養(yǎng)分吸收量均顯著增加。劉澤平等[34]研究發(fā)現(xiàn)，水稻根際促生菌不僅具有溶磷、解磷、解鉀效果，且具有分泌生長(zhǎng)素、赤霉素、鐵載體等植物生長(zhǎng)促生物質(zhì)的能力。特別是對(duì)鐵鎂等中微量元素的吸收，有利于作物葉綠素的形成并促進(jìn)光合作用的進(jìn)行，增加有機(jī)物質(zhì)的積累。本研究中SPAD值的增加結(jié)果與此相一致。另外，充足的養(yǎng)分供應(yīng)可能是促進(jìn)根系生長(zhǎng)的原因，同時(shí)反過(guò)來(lái)根系表面積和根系活力等的提高，對(duì)養(yǎng)分吸收利用效率也更高，并進(jìn)一步促進(jìn)植株幼苗的生長(zhǎng)和生物量的積累[35-36]。

水稻育苗基質(zhì)中添加適宜的促生菌，在促進(jìn)秧苗生長(zhǎng)的同時(shí)能夠提高作物抗性和代謝活性，保障作物生長(zhǎng)，這可能也是促生菌促進(jìn)作物生長(zhǎng)的機(jī)制。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)本研究所用LY11菌株對(duì)水稻紋枯病具有較好的拮抗效果[13]。促生菌對(duì)植株抗逆性的增強(qiáng)可能與中微量礦質(zhì)元素的吸收和利用，以及產(chǎn)生利于植物生長(zhǎng)的代謝產(chǎn)物等因素有關(guān)[37-39]。Ryu等[40]發(fā)現(xiàn)、、及等根際促生菌在代謝過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)復(fù)合物能夠誘導(dǎo)增強(qiáng)植株系統(tǒng)抗性。另外，劉婷等[41]發(fā)現(xiàn)赤霉素、生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素等多種植物生長(zhǎng)促生物質(zhì)在多種根際促生菌中都被檢測(cè)到，因此對(duì)植物礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收和生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。本研究結(jié)果中植物體內(nèi)碳氮代謝相關(guān)酶活性的增強(qiáng)也與此相關(guān)。谷氨酰胺合成酶(GS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)等酶類在植物碳氮代謝過(guò)程中起著重要作用[42-44]。本研究結(jié)果表明，添加促生菌的處理其相應(yīng)植株體內(nèi)與碳氮代謝相關(guān)的GS、SPS酶活性均顯著增加。GS參與氮素的同化而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，包括內(nèi)源性氨基酸的分解及反硝化過(guò)程產(chǎn)生的銨的同化，影響作物對(duì)氮素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[45]，并通過(guò)促進(jìn)植株體內(nèi)游離銨的同化而減輕銨毒害[46]。SPS是植物體內(nèi)控制蔗糖合成的關(guān)鍵酶，參與植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成，并在植物的抗逆過(guò)程中起重要作用[47]。本研究中促生菌的添加能夠促進(jìn)水稻幼苗體內(nèi)氮素的吸收量和生物量的積累的增加結(jié)果與此相一致。同時(shí)鉀素的吸收總量比對(duì)照處理顯著提高，且LY11處理下水稻地上部以及LY11和X8處理下地下部鉀含量均顯著提高。鉀素吸收的增加能夠增強(qiáng)作物抗性[48]。同時(shí)表明幼苗抗性的增強(qiáng)，特別是對(duì)于移栽后幼苗適應(yīng)新環(huán)境脅迫的能力提高，有利于水稻定植和后期生長(zhǎng)。而不同的促生菌對(duì)土壤養(yǎng)分的活化能力、植株根系的定植能力，以及對(duì)植株新陳代謝活性和抗性的影響不同[49-50]，因此需要進(jìn)一步對(duì)不同促生菌的促生機(jī)理進(jìn)行深入研究，以期在不同的條件下能夠選擇合適的促生菌種類，保障培育出健康優(yōu)質(zhì)的水稻秧苗。

4 結(jié)論

在水稻育苗基質(zhì)中添加促生菌使得水稻秧苗地上部生物量與壯苗指數(shù)比對(duì)照顯著增加；根系形態(tài)結(jié)構(gòu)得到明顯改善；促生菌處理下顯著促進(jìn)了秧苗氮磷養(yǎng)分的積累；水稻幼苗體內(nèi)谷氨酰胺合成酶(GS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性在促生菌處理下均顯著提高；其中解淀粉芽孢桿菌(LY11)對(duì)水稻育苗基質(zhì)的促生效果最好。

[1] 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局. 中國(guó)統(tǒng)計(jì)摘要: 1984[M]. 北京: 中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社, 1984.

[2] 宋昌梅. LED光源在水稻育苗和組培培養(yǎng)中的應(yīng)用[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2012.

[3] Ostos J C, López-Garrido R, Murillo J M, et al. Substitution of peat for municipal solid waste- and sewage sludge-based composts in nursery growing media: effects on growth and nutrition of the native shrub Pistacia lentiscus L[J]. Bioresource Technology, 2008, 99(6): 1793–1800.

[4] Moral R, Paredes C, Bustamante M A, et al. Utilisation of manure composts by high-value crops: Safety and environmental challenges[J]. Bioresource Technology, 2009, 100(22): 5454–5460.

[5] 董宇, 馬晶, 張濤, 等. 秸稈利用途徑的分析比較[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2010, 26(19): 327–332.

[6] 楊雪慧, 湯麗娟, 章蓉, 等. 農(nóng)作物秸稈表面改性處理的研究進(jìn)展[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 37(3): 157–162.

[7] Li Y, Yue Q Y, Gao B Y. Adsorption kinetics and desorption of Cu(II) and Zn(II) from aqueous solution onto humic acid[J]. Journal of Hazardous Materials, 2010, 178(1/2/3): 455–461.

[8] Clemmensen A W. Physical characteristics of miscanthus composts compared to peat and wood fiber growth substrates[J]. Compost Science & Utilization, 2004, 12(3): 219–224.

[9] 耿鳳展, 李榮華, 高波, 等. 番茄秸稈高溫堆肥作為番茄育苗基質(zhì)的循環(huán)利用研究[J]. 中國(guó)土壤與肥料, 2016, (1): 102–106.

[10] 張玉樹, 丁洪, 王飛, 等. 長(zhǎng)期施用不同肥料的土壤有機(jī)氮組分變化特征[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(10): 1981–1986.

[11] Luo G W, Li L, Friman V P, et al. Organic amendments increase crop yields by improving microbe-mediated soil functioning of agroecosystems: a meta-analysis[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2018, 124: 105–115.

[12] 石博文, 賴欣, 李潔, 等. 尿素與有機(jī)肥配施對(duì)棕紅壤氮素轉(zhuǎn)化的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2017, 31(5): 938– 945.

[13] 張林利. 功能型高效生物水稻育苗基質(zhì)研制及其應(yīng)用效果研究[D]. 鄭州: 河南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2018.

[14] Hamdali H, Hafidi M, Virolle M J, et al. Rock phosphate-solubilizing Actinomycetes: screening for plant growth-promoting activities[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2008, 24(11): 2565–2575.

[15] 劉佳莉, 方芳, 史煦涵, 等. 2株鹽堿地燕麥根際促生菌的篩選及其促生作用研究[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 22(2): 132–139.

[16] 姜煥煥, 王通, 陳娜, 等. 根際促生菌提高植物抗鹽堿性的研究進(jìn)展[J]. 生物技術(shù)通報(bào), 2019, (10): 189–197.

[17] 張林利, 吳大霞, 劉曄, 等. 酒糟等農(nóng)業(yè)廢棄物的堆肥化及水稻育秧基質(zhì)研發(fā)[J]. 土壤, 2019, 51(4): 682– 689.

[18] 胡敏, 賀德先. 小麥根系活力的晝夜變化及最佳取樣和測(cè)定時(shí)間[J]. 麥類作物學(xué)報(bào), 2011, 31(6): 1094– 1098.

[19] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 3版. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2000.

[20] Zhang C F, Peng S B, Bennett J. Glutamine synthetase and its isoforms in rice spikelets and rachis during grain development[J]. Journal of Plant Physiology, 2000, 156(2): 230–233.

[21] 薛應(yīng)龍, 上海植物生理學(xué)會(huì). 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)[M]. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 1985.

[22] 張楊, 文春燕, 趙買瓊, 等. 辣椒根際促生菌的分離篩選及生物育苗基質(zhì)研制[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 38(6): 950–957.

[23] 王歡, 韓麗珍. 4株茶樹根際促生菌菌株的鑒定及促生作用[J]. 微生物學(xué)通報(bào), 2019, 46(3): 548–562.

[24] 文春燕, 高琦, 張楊, 等. 含PGPR菌株LZ-8生物育苗基質(zhì)的研制與促生效應(yīng)研究[J]. 土壤, 2016, 48(2): 414–417.

[25] Lynch J. Root architecture and plant productivity[J]. Plant Physiology, 1995, 109(1): 7–13.

[26] Lynch J P. Steep, cheap and deep: An ideotype to optimize water and N acquisition by maize root systems[J]. Annals of Botany, 2013, 112(2): 347–357.

[27] 胡江春, 薛德林, 馬成新, 等. 植物根際促生菌(PGPR)的研究與應(yīng)用前景[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2004, 15(10): 1963–1966.

[28] Mu X H, Chen F J, Wu Q P, et al. Genetic improvement of root growth increases maize yield via enhanced post-silking nitrogen uptake[J]. European Journal of Agronomy, 2015, 63: 55–61.

[29] Bengough A G, McKenzie B M, Hallett P D, et al. Root elongation, water stress, and mechanical impedance: a review of limiting stresses and beneficial root tip traits[J]. Journal of Experimental Botany, 2011, 62(1): 59–68.

[30] Yu P, White P J, Hochholdinger F, et al. Phenotypic plasticity of the maize root system in response to heterogeneous nitrogen availability[J]. Planta, 2014, 240(4): 667–678.

[31] 張典利, 孟臻, 亓文哲, 等. 植物根際促生菌的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 世界農(nóng)藥, 2018, 40(6): 37–43, 50.

[32] Olander L P, Vitousek P M. Regulation of soil phosphatase and chitinase activity by N and P availability[J]. Biogeochemistry, 2000, 49(2): 175–191.

[33] 趙小蓉, 周然, 李貴桐, 等. 低磷石灰性土壤加入四種作物秸稈土壤微生物量磷的變化特征[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 2010, 25(3): 200–204.

[34] 劉澤平, 王志剛, 徐偉慧, 等. 水稻根際促生菌的篩選鑒定及促生能力分析[J]. 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 2018, (2): 119–125.

[35] Osaki M, Shinano T, Matsumoto M, et al. A root-shoot interaction hypothesis for high productivity of field crops[J]. Soil Science and Plant Nutrition, 1997, 43(sup1): 1079–1084.

[36] Zhang H, Xue Y G, Wang Z Q, et al. An alternate wetting and moderate soil drying regime improves root and shoot growth in rice[J]. Crop Science, 2009, 49(6): 2246–2260.

[37] 曾加會(huì), 李元媛, 阮迪申, 等. 植物根際促生菌及叢枝菌根真菌協(xié)助植物修復(fù)重金屬污染土壤的機(jī)制[J]. 微生物學(xué)通報(bào), 2017, 44(5): 1214–1221.

[38] 馬凱, 楊凡, 段亞魁, 等. 植物根際促生菌在瓜菜工廠化育苗中的應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)瓜菜, 2019, 32(1): 1–5.

[39] 馬文彬, 姚拓, 王國(guó)基, 等. 根際促生菌篩選及其接種劑對(duì)箭筈豌豆生長(zhǎng)影響的研究[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(5): 241–248.

[40] Ryu C M, Farag M A, Hu C H, et al. Bacterial volatiles promote growth in Arabidopsis[J]. PNAS, 2003, 100(8): 4927–4932.

[41] 劉婷, 姚拓, 陳建綱, 等. 固相萃取-高效液相色譜法測(cè)定植物根際促生菌發(fā)酵產(chǎn)物中3種植物激素的含量[J]. 分析科學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 33(2): 201–206.

[42] 韓英坤. 巨大芽孢桿菌N6谷氨酰胺合成酶酶學(xué)性質(zhì)的研究和改良[D]. 武漢: 華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2017.

[43] 王利. 番茄花后碳水化合物代謝及14-3-3蛋白對(duì)蔗糖磷酸合成酶調(diào)控效應(yīng)的研究[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué), 2013.

[44] 姜海洋. 馬鈴薯塊莖形成期糖類物質(zhì)代謝機(jī)制與產(chǎn)量形成的研究[D]. 大慶: 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué), 2017.

[45] 李常健, 林清華, 張楚富, 等. NaCl對(duì)水稻谷氨酰胺合成酶活性及同工酶的影響[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1999, (4): 497–500.

[46] 韓慶芬, 陳海飛, 張振華. 不同生態(tài)型擬南芥耐銨毒害差異的生理機(jī)制[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2019, 25(7): 1185–1193.

[47] 田紅梅. 甜瓜蔗糖磷酸合成酶基因的功能鑒定與分析[D]. 泰安: 山東農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[48] 付延磊, 王祎, 王宜倫, 等. 適宜鉀濃度降低小麥蚜蟲密度的生理代謝機(jī)理[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2017, 23(4): 1006–1013.

[49] 王丹, 趙學(xué)強(qiáng), 鄭春麗, 等. 兩種根際促生菌在不同氮磷條件下對(duì)油菜生長(zhǎng)和養(yǎng)分吸收的影響[J]. 土壤, 2017, 49(6): 1078–1083.

[50] Gr?nemeyer J L, Kulkarni A, Berkelmann D, et al. Identification and characterization of rhizobia indigenous to the Okavango region in Sub-Saharan Africa[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2014: AEM. 02417-14.

Effects of Plant Growth-promoting Rhizobacteria Added in Seedling Substrate on Rice Growth

QI Xiuxiu, WEI Chang, LIU Xiaodan, ZHANG Linli, JIANG Ying, ZHANG Dengxiao*

(College of Resources and Environmental Science, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

A pot experiment was conducted to study the effect of plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) on rice growth after added into seeding substrate, in which five PGPR were selected, included LY5 (), LY11 (), X2 (), X3 () and X8 (), and mixed with an efficient seedling substrate, respectively. The results showed that, compared with the CK (seedling substrate without PGPR added), LY11 was the best in promoting the growth and metabolic activity of rice seedlings, PGRP treatments significantly increased the aboveground biomass and strong seedlings index by 17.24%-31.19% and 11.37%-23.28%, respectively, significantly increased the volume, length and activity of rice roots and improved the morphology and structure of rice roots, significantly increased the uptake of nitrogen, phosphorus and potassium, the transport coefficients of nitrogen and potassium, and GS and SPS activities of rice seedlings. In conclusion, the application of PGPR to rice seedling substrate is benefit to the growth and activity of rice seedlings and can produce high quality rice seedling substrate.

Rice; PGPR; Seedling substrate; Root architecture; Metabolic activity

S511

A

10.13758/j.cnki.tr.2020.05.021

戚秀秀, 魏暢, 劉曉丹, 等. 根際促生菌應(yīng)用于基質(zhì)對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的影響. 土壤, 2020, 52(5): 1025–1032.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41907079)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFD0200600)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)(2017YFD 0200605)和河南省科技攻關(guān)計(jì)劃(國(guó)際科技合作)項(xiàng)目(162102410031)資助。

戚秀秀(1995—)，女，河南永城人，碩士研究生，主要從事資源利用與植物保護(hù)研究。E-mail: qixiuxiu0318@163.com