屈魏蕾，田玉磊，井方宇，孫婷婷，張蓓蓓

（陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013）

0 前言

植物在生長(zhǎng)過程中會(huì)面臨多種非生物脅迫，干旱脅迫是植物最容易遭受的非生物脅迫之一，缺水是制約半干旱地區(qū)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一［1-2］。研究表明，干旱脅迫會(huì)造成植物低矮、葉面積減少等變化，導(dǎo)致葉綠素含量下降、細(xì)胞活性氧（ROS）增加以及膜脂過氧化損傷，同時(shí)降低光合碳同化、光合相關(guān)酶活性［3］，促使作物減產(chǎn)，甚至?xí)?dǎo)致植物死亡。小麥?zhǔn)前敫珊档貐^(qū)廣泛種植的一種禾本科作物，養(yǎng)活了全世界35%~40%的人口［4］。因此，尋找干旱脅迫的改良措施對(duì)于提高小麥產(chǎn)量與品質(zhì)的穩(wěn)定性以及保障糧食安全具有重要的意義。微生物菌劑作為一類由有益微生物組成的新型肥料［5］，近年來已被視為逆境環(huán)境下提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的優(yōu)良替代品。芽孢桿菌（Bacillus）是應(yīng)用最為廣泛的微生物菌劑之一，其能通過自身代謝分泌IAA、VOCs等刺激植物生長(zhǎng)［6］。叢枝根菌真菌（Arbuscular Mycorrhiza Fungi, AMF）可以與植物共生，其菌絲可以通過分泌球囊霉素（GRSP）來提高土壤持水性，使根系從土壤吸收更多的營(yíng)養(yǎng)和水分［7］，從而提高作物的品質(zhì)及產(chǎn)量。芽孢桿菌和AMF皆能改善植物生長(zhǎng)，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的良性循環(huán)，幫助農(nóng)作物抵御干旱、鹽脅迫等逆境，促使作物增產(chǎn)增收［8-9］。

光合作用是作物積累生物量的生理過程，其對(duì)干旱較敏感。植物進(jìn)行光合作用時(shí)，主要依靠葉綠體中的天線色素（Chl）吸收光能，光能會(huì)以光合電子傳遞、熱能、葉綠體熒光這3種形式被利用或釋放［10］。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)以生物膜流動(dòng)為基礎(chǔ)，可以不損傷植物的葉片，通過快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線監(jiān)測(cè)植物光合生理的變化，從而可以了解在逆境脅迫、病蟲害危害、水肥管理中植物在光能利用、分配以及光合電子傳遞等方面的狀況［11］。近年來，關(guān)于干旱脅迫的研究多集中于作物生長(zhǎng)生理［12］和光合特性［13］等方面；關(guān)于微生物菌劑與小麥互作的研究則多集中于小麥生長(zhǎng)發(fā)育［14］、病害防治［15］、土壤改良［16］等方面，而對(duì)于嚴(yán)重干旱脅迫下微生物菌劑對(duì)小麥生長(zhǎng)及光合熒光生理的研究較少。鑒于此，本文采用30%土壤含水量來模擬干旱脅迫，分析了在該脅迫下不同微生物菌劑接種對(duì)小麥生長(zhǎng)及光合作用的改良效果，以期篩選出適宜的微生物菌劑接種方案，為提高小麥產(chǎn)量提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種為小偃22號(hào)。供試芽孢桿菌菌劑為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）；供試叢枝菌根菌劑為根內(nèi)根孢囊霉（Rhizophagus intraradices）及異形根孢囊霉（Rhizophagus irregularis），其中，枯草芽孢桿菌購(gòu)自綠龍生物科技有限公司，叢枝菌根菌劑由華南師范大學(xué)姚青老師提供。供試土壤由寶雞地區(qū)大田土壤和栽培基質(zhì)（用于增加土壤的疏松度）按5∶1混合而成，其全氮含量為1.51 g/kg，全磷含量為0.86 g/kg，pH值為7.40。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2022 年3 月在寶雞文理學(xué)院地理與環(huán)境學(xué)院植物生長(zhǎng)模擬室進(jìn)行。首先選擇顆粒飽滿的小麥種子，對(duì)其進(jìn)行消毒、催芽處理，然后放置于25 ℃恒溫箱內(nèi)，進(jìn)行黑暗發(fā)芽；待種子露白后，將其播種于直徑為12 cm、高為10 cm 的花盆中，每盆定植10 株。設(shè)5 個(gè)處理：T1、T2、T3、T4分別接種菌劑Bs（枯草芽孢桿菌）、Rin（根內(nèi)根孢囊霉）、Bs+Rin、Rin+Rir（異形根孢囊霉）；CK 不接種菌劑；每個(gè)處理3 次重復(fù)。將各處理的麥苗放置在FytoScope LED 光源培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，其光周期為光照16 h/黑暗8 h，晝/夜溫度為25 ℃/15 ℃。芽孢桿菌菌劑按0.5 kg/hm2的劑量接種；叢枝菌根菌劑按每盆15 g 的劑量均勻接種至土壤表面1~2 cm 深處；雙菌接種時(shí)每種菌劑的劑量減半。采用稱重法每隔1 d 補(bǔ)水1 次，使土壤含水量保持在30%左右。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)及生理指標(biāo)的測(cè)定 在接種處理后第30天，每個(gè)花盆隨機(jī)選取1株小麥，利用直尺分別測(cè)定其株高（PH）、葉長(zhǎng)（LL）和葉寬（LW）；用萬分之一天平測(cè)定葉片的鮮重（FW），并將葉片在純水中浸泡24 h后測(cè)定其飽和重（TW），之后將葉片在75 ℃下烘干至恒重，測(cè)定其干重（DW）。比葉面積（SLA）根據(jù)公式SLA=（LL×LW×0.75）/DW計(jì)算；葉片含水量（RWC）根據(jù)公式RWC（%）=（FW-DW）/（TW-DW）×100%計(jì)算。

可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定［17］；可溶性糖含量采用蒽酮法測(cè)定［18］；葉綠素含量用乙醇—丙酮（體積比為1∶1）法測(cè)定［19］。

1.3.2 葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線和參數(shù)的測(cè)定 采用FluorPen FP 100 Max（Brno, Czech）對(duì)不同微生物菌劑處理下的小麥葉片進(jìn)行測(cè)定。先隨機(jī)選取葉片進(jìn)行20 min暗適應(yīng)，再測(cè)定快速熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)曲線，相關(guān)的熒光參數(shù)如表1所示。利用Vt=(Ft-Fo)/(Fm-Fo)、△Vt=處理的Vt-對(duì)照的Vt對(duì)OJIP曲線進(jìn)行歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的相對(duì)可變熒光曲線Vt以及相對(duì)于對(duì)照的可變熒光曲線△Vt。

表1 葉綠素?zé)晒獾南嚓P(guān)參數(shù)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)；用SPSS 25.0軟件進(jìn)行單因素方差分析；采用LSD法進(jìn)行差異多重比較（P＜0.05）；利用Origin 2021軟件制作插圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同微生物菌劑對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響

由表2可知，不同微生物菌劑處理下小麥的株高、葉長(zhǎng)、葉重、比葉面積以及葉片含水量均有顯著性差異（F=25.17、7.54、42.50、5.63、8.98，P＜0.05）。其中，T4處理下小麥的長(zhǎng)勢(shì)最好，其株高、葉長(zhǎng)、葉重、比葉面積及葉片含水量分別較CK增加了44.01%、23.03%、71.88%、18.89%和0.11個(gè)百分點(diǎn)；T2處理小麥的長(zhǎng)勢(shì)次之，其株高、葉長(zhǎng)、葉重、比葉面積及葉片含水量均較CK有所增加。說明在干旱脅迫下，不同接菌處理均能顯著促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)，但以T4處理的促生效果最好，T2次之。

表2 菌劑接種對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響

2.2 不同微生物菌劑對(duì)小麥生理的影響

由表3可知，在不同處理下小麥的可溶性蛋白、可溶性糖、葉綠素a、葉綠素b以及總?cè)~綠素含量具有顯著性差異（F=20.24、87.89、469.08、10.58、122.67，P＜0.01）?？扇苄缘鞍?、可溶性糖和葉綠素a含量均以T4處理最高，分別較CK高15.94%、100.67%和27.40%。葉綠素b和總?cè)~綠素含量均以T2處理最高，分別較CK高31.58%和27.17%。葉綠素a/b值以T2處理最小，T4處理最大，但各處理間差異不顯著（F=1.15，P＞0.05）。說明在嚴(yán)重干旱脅迫下，T2和T4處理下小麥葉片吸收和捕獲的光能較多，光合效能較強(qiáng)。

表3 菌劑接種對(duì)小麥葉片生理的影響

2.3 不同微生物菌劑對(duì)小麥葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表4可以看出，接菌處理對(duì)小麥葉片的Fo和Fm均有顯著影響（P＜0.01）。在不同微生物菌劑處理下，F(xiàn)o在T3處理下達(dá)到最大，與其他處理存在顯著差異（P＜0.05）；Fm以T4處理最大，與T1、CK差異顯著（P＜0.05），且以CK下最小。Fv/Fo反映PSⅡ反應(yīng)中心的潛在活性［20］；Fv/Fm是PSⅡ的最大光化學(xué)效率，反映植物的光抑制程度［21］。Fv/Fo、Fv/Fm均在T4處理下達(dá)到最大，分別較CK增加了50.92%和9.21%。PIabs是光化學(xué)性能指數(shù)，反映植物光合機(jī)構(gòu)的整體狀態(tài)［22］，較Fv/Fm更加靈敏，其在T2處理下最高，T4處理次之，且這2個(gè)處理顯著高于其他處理的。

表4 菌劑接種對(duì)小麥葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

Mo、Vj、Vi、Ψo、φEo、φDo等參數(shù)可以反映PSⅡ受體側(cè)的變化［23］。Mo代表PSⅡ的初始斜率。從表5可以看出，Mo在CK下達(dá)到最大，顯著高于T2和T4處理的，說明在CK下QA-被還原的程度最大，電子傳遞能力最弱。Vj和Vi分別表示PSⅡ在J和I點(diǎn)時(shí)反應(yīng)中心的關(guān)閉程度，均以CK最高。Ψo和φEo以T4處理最大，說明在T4處理下電子傳遞的量子產(chǎn)額和相對(duì)速率最大。φDo為用于熱耗散的量子比率，以CK、T1處理最大，與T2、T4存在顯著差異，說明CK、T1用于熱耗散的電子較多。

表5 菌劑接種對(duì)小麥PSⅡ受體側(cè)的影響

活 性 參 數(shù)ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC和DIo/RC能反映PSⅡ中光合機(jī)構(gòu)對(duì)光能的吸收、傳遞以及耗散狀況［13］。由表6可知：T1、T3處理的ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC較CK均有所增加，但無顯著差異；T2、T4處 理 的ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC較CK顯 著下降，而ETo/RC較CK略微增加，差異不顯著。

表6 菌劑接種對(duì)小麥PSⅡ反應(yīng)中心活性參數(shù)的影響

2.4 不同微生物菌劑對(duì)小麥OJIP曲線的影響

葉綠素快速熒光誘導(dǎo)（OJIP）曲線能反映PSⅡ反應(yīng)中心的原初光化學(xué)反應(yīng)信息［24］。J相熒光強(qiáng)度的升高與部分光反應(yīng)中心的閉合相關(guān)，反映了QA-的還原水平及累積程度；I相與QB、PQ庫(kù)的還原程度相關(guān)；P相與PSI受體側(cè)電子受體的還原相關(guān)［25］。在不同微生物菌劑處理下小麥葉片的OJIP曲線如圖1A所示：在O點(diǎn)（0.02 ms）時(shí)，在各處理間小麥葉片的熒光強(qiáng)度差異較小，以T3處理最高，CK最低；在J點(diǎn)（2 ms）時(shí)，在各處理間熒光強(qiáng)度的差異逐漸增大，但仍然以T3最高，T2和T4次之，三者分別比CK高28.89%、25.83%和25.55%；在I點(diǎn)（30 ms）時(shí)，在各處理間熒光強(qiáng)度差異顯著增大，以T4處理的熒光強(qiáng)度最大，比CK、T1、T2、T3處理分別高46.22%、26.64%、5.08%和7.45%；在P點(diǎn)時(shí)，各處理的熒光強(qiáng)度在達(dá)到最大值后趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為T4＞T2＞T3＞T1＞CK。

歸一化處理可以減少誤差，更加真實(shí)地反映小麥葉片的光化學(xué)過程［22］。由標(biāo)準(zhǔn)化后的相對(duì)可變熒光Vt（圖1B）可知，在不同微生物菌劑處理間Vt值在J點(diǎn)的差異最為顯著。從相對(duì)于CK的可變熒光ΔVt（圖1C）可以看出，隨著時(shí)間的推移，在各處理之間的ΔVt值差異呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，且ΔVt值大多小于0，說明接菌處理提高了放氧復(fù)合體的OEC活性，有效地緩解了水分虧缺對(duì)小麥葉片光系統(tǒng)的傷害。

圖1 菌劑接種對(duì)小麥葉片OJIP曲線（A）、V（tB ） 和ΔV（tC）的影響

2.5 不同微生物菌劑對(duì)小麥葉片光響應(yīng)曲線的影響

對(duì)比5種不同處理的小麥葉片光響應(yīng)曲線（圖2），可以看出：T2、T4處理下葉片的量子產(chǎn)額（QY）在50 μmol/（m2·s） PPFD左右達(dá)到最大值0.64，表明其光補(bǔ)償點(diǎn)（LCP）在50 μmol/（m2·s）PPFD左右；在其余處理下葉片的QY在20 μmol/（m2·s） PPFD左右達(dá)到最大值。上述結(jié)果表明T2、T4處理下的小麥更適宜在光照下生長(zhǎng)。

圖2 不同菌劑接種下小麥葉片量子產(chǎn)額（QY） 的光響應(yīng)曲線

2.6 不同處理下小麥葉片生長(zhǎng)、生理指標(biāo)與葉綠素?zé)晒鈪?shù)的相關(guān)性分析

由表7可以看出：小麥葉片的生長(zhǎng)指標(biāo)（株高、葉長(zhǎng)、葉重、比葉面積、葉片含水量）與葉綠素?zé)晒鈪?shù)（Fv/Fo、Fv/Fm、PIabs、Ψo、φEo）總體上呈顯著正相關(guān)，而與Mo、Vj、φDo、ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC總體上呈顯著負(fù)相關(guān)；小麥葉片的生理特性指標(biāo)（可溶性蛋白、可溶性糖、葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量）與Fv/Fo、Fv/Fm、PIabs、Ψo、φEo均呈顯著正相關(guān)，而與Mo、Vj、φDo、ABS/RC、TRo/RC、DIo/RC均呈負(fù)相關(guān)；葉片葉綠素a/b值與Fv/Fo、Fv/Fm、PIabs、Ψo、φEo呈負(fù)相關(guān)，與其余參數(shù)呈正相關(guān)。

表7 小麥生長(zhǎng)、生理指標(biāo)與葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)間的相關(guān)系數(shù)

3 小結(jié)與討論

前人的研究結(jié)果表明，干旱會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高，而適量的微生物菌劑可以改善植物的生長(zhǎng)狀況，緩解干旱壓力［26］；其本質(zhì)是利用不同菌種的功能提高植物生存所需要的養(yǎng)分含量或改善植物根系的生長(zhǎng)［12］。在本試驗(yàn)中，接種不同微生物菌劑能有效地提高小麥的株高、葉長(zhǎng)、葉重、比葉面積和葉片含水量，其中接種Rin+Rir的生長(zhǎng)效果最好，其原因可能是叢枝菌根混合接種提高了菌根的侵染率，易于在小麥根際形成更加復(fù)雜的菌絲網(wǎng)絡(luò)，從而改善了小麥植株的營(yíng)養(yǎng)與水分狀況，提高了葉片的水分傳導(dǎo)率。這與在玉米上的研究結(jié)果［27］類似。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接種微生物菌劑對(duì)小麥葉片的生理指標(biāo)（可溶性糖、可溶性蛋白、葉綠素a、葉綠素b及總?cè)~綠素含量）都有顯著的提升效果。洪文君等［28］研究發(fā)現(xiàn)微生物菌肥能減緩?fù)脸料阌酌缛~綠素的分解；適量施磷可以促進(jìn)葉片葉綠素的合成［29］。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接種Rin和Rin+Rir后小麥葉片的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量均處于較高的水平，這可能是由于根內(nèi)根孢囊霉和異形根孢囊霉雙接種處理更有效地活化了土壤中的磷，提高了磷元素的有效性［30］，使植物對(duì)土壤磷的吸收能力增強(qiáng)，從而促進(jìn)了葉片ATP、NADPH的合成，有效地減緩了干旱對(duì)葉片葉綠素合成的抑制作用?？扇苄缘鞍缀涂扇苄蕴呛客ǔＪ欠从持参锛?xì)胞、組織的滲透調(diào)節(jié)能力以及植株代謝能力的指標(biāo)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)接菌處理后小麥葉片的可溶性糖和可溶性蛋白含量都有顯著提高，植株長(zhǎng)勢(shì)也優(yōu)于對(duì)照，說明接菌能有效地增加小麥植株內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量。這是由于接菌有利于增強(qiáng)植物體內(nèi)的淀粉水解作用，從而促使糖類不斷積累，同時(shí)通過調(diào)節(jié)自身激素促進(jìn)氨基酸合成為可溶性蛋白［31］；此外接菌后形成的菌根結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)小麥根系對(duì)水分的吸收，減緩干旱脅迫對(duì)植物細(xì)胞和組織的損傷，保證植株代謝活動(dòng)的正常進(jìn)行。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)能反映接菌處理對(duì)干旱脅迫下小麥葉片光反應(yīng)系統(tǒng)PSⅡ的影響。在本試驗(yàn)中，Rin+Rir處理提升了小麥葉片的Fo、Fm值，說明該處理增大了葉片的熒光強(qiáng)度，降低了PSⅡ反應(yīng)中心的非輻射耗散，從而提高了葉片對(duì)光能的捕獲能力［32］。其次，在Rin和Rin+Rir處理下小麥葉片的Fv/Fm、Fv/Fo、PIabs值較大，表明在這2個(gè)處理下小麥葉片的光合性能較優(yōu)，比其他處理更能有效地減緩干旱脅迫的光抑制效應(yīng)［23］。同時(shí)，接種Rin和Rin+Rir處理導(dǎo)致PSⅡ受體側(cè)參數(shù)Mo、Vj、Vi較CK顯著降低，說明接種Rin和Rin+Rir處理能有效地減少Q(mào)A-的積累，減小PSⅡ受體側(cè)的電子傳遞阻力，同時(shí)可以提高PQ庫(kù)的電子接受能力［13］。與CK相比，其他接菌處理的Ψo、φEo增大而φDo減小，這進(jìn)一步說明接菌處理可以減少還原QA的能量，將能量更多地用于PSⅡ電子傳遞［25］。綜合上述結(jié)果可知，接種Rin和Rin+Rir處理的小麥葉片的光反應(yīng)活性居前2位，這與張文科等［33］的研究結(jié)果一致。同時(shí)，經(jīng)Rin和Rin+Rir處理的小麥葉片的ABS/RC、TRo/RC、ETo/RC、DIo/RC較低，說明這2個(gè)處理能更好地維持干旱脅迫下PSⅡ反應(yīng)中心吸收和捕獲的能量轉(zhuǎn)移之間的能量平衡［34-35］。

OJIP曲線可以清晰地反映小麥葉片PSⅡ的光合生理的變化。與CK相比，接菌處理的熒光值在OJ段差異逐漸增大，說明葉片的ROC數(shù)量減少，而QA-的積累量增加；在JI段和IP段熒光值大幅上升，說明PQ庫(kù)的電子數(shù)量減少，PQH2向PSⅠ末端電子受體（鐵氧還原蛋白和NADP）的電子轉(zhuǎn)移速率和量子產(chǎn)率增加［10，36］。對(duì)比OJIP、Vt和ΔVt曲線并結(jié)合PIabs來看，Rin+Rir為本試驗(yàn)條件下的最適處理，說明根內(nèi)根孢囊霉+異形根孢囊霉混合接種處理可以有效地保護(hù)小麥葉片的PSⅡ，使小麥葉片表現(xiàn)出更強(qiáng)的光合能力和更高的光化學(xué)效率。

本研究的相關(guān)分析結(jié)果表明，在小麥植株生長(zhǎng)指標(biāo)、生理指標(biāo)、葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)之間具有顯著的相關(guān)性，推測(cè)是由于微生物菌劑接種處理不同程度地改善了小麥根際環(huán)境和土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了小麥對(duì)水分、N、P 等營(yíng)養(yǎng)元素的吸收［6-9，27，30］。

綜上所述，在4種微生物菌劑接種處理下小麥的生長(zhǎng)、生理指標(biāo)以及光合性能均有所提高。其中，在Rin+Rir處理下小麥的株高、葉面積、葉重和葉片含水量達(dá)到最大，長(zhǎng)勢(shì)最好，且可溶性蛋白、可溶性糖、葉綠素含量和PSⅡ光化學(xué)性能也得到了顯著提升，因此，Rin+Rir處理為本研究條件下的最適菌劑接種方案。