根际促生菌对裸燕麦光合特性及生长的影响

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　　摘    要：本研究将具有固氮、解磷能力的10种细菌制成混合菌剂，以裸燕麦为供试作物，进行室内盆栽试验，研究根际促生菌对裸燕麦光合生理的影响。结果表明，添加混合菌剂与对照相比，裸燕麦抽穗期净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、叶片胞间CO2浓度（Ci）分别增加了36.92%，14.77%，4.83%，13.72%，灌浆期分别增加了50.30%，24.76%，9.16%，22.62%;混合菌剂化肥减半与对照相比，抽穗期净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、叶片胞间CO2浓度（Ci）分别增加了69.39%，23.84%，13.04%，30.27%，灌浆期分别增加了76.79%，28.57%，22.44%，39.97%。这些结果说明混合菌剂与化肥配施效果最好，联合施用根际促生菌能够避免滥用化肥引起的土壤环境污染问题。
　　关键词：PGPR;裸燕麦;光合特性;促生作用
　　中图分类号：S512.6         文献标识码：A          DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.03.002
　　Effects of Rhizosphere-promoting Bacteria on Photosynthetic Characteristics and Growth of Naked Oats
　　LIU Meiqi1，ZHANG Ya1，YI Qiang1，AI Huayi1，WANG Jiabao1，JIA Meiqing2，ZHANG Guogang1
　　（1.College of Life Sciences，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China; 2.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment，Tianjin 300387，China）
　　Abstract： In this study， 10 kinds of bacteria with the ability of fixing nitrogen and dissolving phosphorus were made into mixed bacteria. Meanwhile， naked oats were used as experimental crops to study the effects of rhizosphere growth-promoting bacteria on photosynthetic physiology of naked oats. The results showed that compared with the control， the net photosynthetic rate （Pn）， stomatal conductance （Gs）， transpiration rate （Tr） and leaf intercellular CO2 concentration （Ci）of the naked oat at the heading stage increased by 36.92%， 14.77%， 4.83% and 13.72%， respectively， and these at the filling stage increased by 50.30%， 24.76%， 9.16% and 22.62%， respectively. Compared with the control group， the net photosynthetic rate （Pn）， stomatal conductance （Gs）， transpiration rate （Tr） and leaf intercellular CO2 concentration （Ci） increased by 69.39%， 23.84%， 13.04% and 30.27% respectively at the heading stage， while 76.79%， 28.57%， 22.44% and 39.97% at the filling stage， respectively when the mixed bacterial fertilizer was halved. These results indicated that the effect of combined application of mixed bacteria and chemical fertilizer was the best， and the combined application of rhizosphere growth-promoting bacteria can avoid the soil environmental pollution caused by the abuse of chemical fertilizer.
　　Key words： PGPR; naked oats; photosynthetic characteristics; growth promoting effect
　　裸燕麦（Avena sativa L.）是一种禾本科的草本植物，在我国北方地区广泛种植，其谷粒是重要的糧食之一，在国民农业经济中占有不可忽视的地位[1]。裸燕麦生育期内需水量较多，水分利用效率低[2]。在传统农作物种植过程中普遍存在着因缺乏正确系统的科学理论知识，一味追求更高的经济效益和产量，而不遵循绿色环保理念和不合理使用化肥农药的现象，这样容易对环境造成难以恢复的破坏。根际促生菌是指定植在植物根际，在植物生长发育过程中发挥促进作用的一部分微生物[3]，目前已有的研究证明了假单胞菌和芽孢杆菌等20多个属的根际菌具有防病促生、增加作物产量的作用[4-5]，这些微生物在土壤生态系统的能量流动和物质循环中起着重要的作用[6-7]，因此，制成生物混合菌剂与化肥共同栽植和培养作物既利于植物营养物质积累又不会污染环境。高雪等[8]通过PGPR生物混合菌剂加肥的施用改善了青稞（Hordeum vulgare Linn. var. nudum Hook.f.）的各种经济性状，使株高、穗长、千粒质量、产量有所增加;徐雪冬等[9]在干旱条件下对苹果（Malus domesica Borkh.）树进行根际促生细菌的接种，结果显示处理后的苹果树相对电导率、渗质和丙二醛的积累都有所降低，抗氧化系统的防御能力和抗旱性能都有所提高;王琦琦[10]从碱蓬（Suaeda glauca Bunge.）根际分离筛选得到耐盐且促进植物生长的细菌，在盐渍化土壤中具有提高植物耐盐性、增加粮食作物产量、增加经济效益的作用。以上试验结论都表明根际促生细菌对植物许多方面有明显的积极影响，且相比化学肥料而言，具有保持环境生态系统稳定平衡的功能，更加符合可持续发展的观念。 　　基于此，我们在综合考虑了菌株的固氮、解磷的能力以及明确了它们之间的相互作用后，筛选出10种细菌制成混合生物菌剂，通过蛭石接种的方法来研究根际促生菌对裸燕麦生长的作用。
　　1 材料和方法
　　1.1 试验地的基本情况
　　试验于2019年7月底至11月底在天津师范大学生命科学学院进行，采用盆栽方式种植。土样理化性质：铵态氮含量9.2 mg·kg-1、硝态氮37.5 mg·kg-1、速效磷含量25.8  mg·kg-1、速效钾含量426.8 mg·kg-1、pH值8.66、EC值177.9 μS·cm-1、有机质18.5 g·kg-1、土壤容重1.05 g·cm-3。
　　1.2 材 料
　　1.2.1 试验花盆 规格为24 cm × 14.5 cm × 22.5 cm/（盆口直径×底直径×盆深度）。
　　1.2.2 试验用土 取自天津农科院创新基地（N39°25'40"，E116°57'0''）地表30 cm深的土壤，进行阴干灭菌处理，过2 mm筛网后在每盆中装填8 kg土样。
　　1.2.3 试验菌株 10株可培养的细菌均从天津市土壤中分离出来，保藏于本试验室冰箱中，其编号和分子鉴定结果见表1。
　　将供试的10株可培养细菌分别接种在LB液体培养基（胰化蛋白胨10.0 g，酵母5.0 g，氯化钠10.0 g，无菌水 1 000 mL，pH值7.2～7.4）中进行培养，并用紫外-可见分光光度计每隔24 h分别测定其OD600[11]，至OD值均不再变化，即为饱和菌液。再利用血球计数板，在显微镜下分别统计各饱和菌液的细菌浓度。统计结果显示，10种细菌饱和菌液浓度自2.04×107 cfu·mL-1至8.25×108 cfu·mL-1不等，为了确保试验过程中接种的各菌株用量一致，使用无菌水将菌液浓度稀释至相同浓度，即均稀释到1×106 cfu·mL-1，用来作为之后的接种菌液。
　　1.2.4 选择蛭石作为微生物菌剂的载体 过10目筛子，121 ℃灭菌20 min，90 ℃左右烘干至恒质量后使用。再从制备好的10种细菌菌液中各取16 mL，共计160 mL菌液混匀后也倒入塑料收纳盒中，与320 g蛭石充分搅拌混匀，制成以蛭石为载体的微生物多物种混合菌剂。菌剂制备后，经检测，各菌种成活率均在90%以上。对照组用无菌水与蛭石混匀，化肥减半处理组在接种混合菌剂的同时，添加0.000 2 kg尿素。各处理与8 kg土样混匀后进行裸燕麦的栽培，植物生長过程中光照、水分、温度等环境因素保持一致。
　　1.2.5 试验种子 裸燕麦（白燕2号），对其进行种子萌发处理。
　　1.3 试验仪器、药品
　　卷尺、游标卡尺、光合仪、紫外分光光度计。尿素由阳煤丰喜肥业有限责任公司提供，总氮≥46%，粒度范围0.85～2.80 mm。所用蛭石采购自河北省石家庄市灵寿县嘉惠建材厂。
　　1.4 试验方法
　　试验设 3个处理，R1（不添加菌剂）为对照、R2（添加混合菌剂）、R3（添加混合菌剂和化肥减半），每个处理重复三组。参考合理种植面积，每盆栽种26株裸燕麦[12]。
　　在裸燕麦不同的生长发育期，用卷尺测量株高，随机选取6株，取平均值，记录每一盆裸燕麦抽穗总数。
　　光合生理指标测定：各处理在上午9：00—11：30选取裸燕麦位于中部且健康的叶片测定光合生理指标。采用开放式气路，设定叶室温度为25 ℃，应用 LI64002B LED光源探头（ Li-cor，USA） 提供1 200 μmol·m-2·s-1光量子通量密度，CO2注入系统设定值为400 μmol·mol-1，测定净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、胞间CO2浓度的参数，每次测定时，在Pn值稳定之后，进行记录保存。
　　1.5 数据处理
　　试验数据均由Microsoft Excel 2016整理，并用数据统计软件SPSS 17.0进行分析，显著性水平为0.05，采用Microsoft Excel 2016软件进行表格绘制及作图。
　　增长率计算公式：（R2-CK）/CK*100%，（R3-CK）/CK*100%，（R3-R2）/R2*100%。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同处理对胞间CO2浓度的影响
　　对裸燕麦抽穗期、灌浆期的胞间CO2浓度进行了测定，结果如图1。
　　从图1中可以看出，R2、R3与R1相比，在抽穗期和灌浆期的胞间CO2浓度均有显著增加。R2与R1相比，在抽穗期增长率为13.72%，在灌浆期增长率为22.62%;R3与R1相比，在抽穗期增长率为 30.27%，在灌浆期增长率为39.97%;R3与R2相比，在抽穗期增长率为14.55%，在灌浆期增长率为14.15%。
　　2.2 不同处理对净光合速率的影响
　　对裸燕麦抽穗期、灌浆期的净光合速率进行了测定，结果如图2。
　　从图2中可以看出，R2、R3与R1相比，在抽穗期和灌浆期的净光合速率均有显著增加。R2与R1相比，在抽穗期增长率为36.92%，在灌浆期增长率为50.30%;R3与R1相比，在抽穗期增长率为69.39%，在灌浆期增长率为76.79%;R3与R2相比，在抽穗期增长率为23.72%，在灌浆期增长率为17.62%。R1、R3各组内两个时期的净光合速率差异均显著。
　　2.3 不同处理对气孔导度的影响
　　对裸燕麦抽穗期、灌浆期的气孔导度进行了测定，结果如图3。
　　从图3中可以看出，R2、R3与R1相比，在抽穗期和灌浆期的气孔导度均有显著增加。R2与R1相比，在抽穗期增长率为14.77%，在灌浆期增长率为24.76%;R3与R1相比，在抽穗期增长率为23.84%，在灌浆期增长率为28.57%;R3与R2相比，在抽穗期增长率为7.90%，在灌浆期增长率为3.05%。R1、R3组两个时期的气孔导度差异显著。 　　2.4 不同处理对蒸腾速率的影响
　　对裸燕麦抽穗期、灌浆期的蒸腾速率进行了测定，结果如图4。
　　从图4中可以看出，R2、R3与R1相比，在抽穗期和灌浆期的蒸腾速率均有显著增加。R2与R1相比，在抽穗期增长率为4.83%，在灌浆期增长率为9.16%;R3与R1相比，在抽穗期增长率为13.04%，在灌浆期增长率为22.44%;R3与R2相比，在抽穗期增长率为7.83%，在灌浆期增长率为12.17%。同一处理下，在这两个时期的蒸腾速率差异均显著。
　　2.5 不同处理对株高的影响
　　株高是植物生长量的基本标志之一。图5为不同处理下裸燕麦随时间的变化。
　　从图5中可以看出，随着裸燕麦生长天数的增加，三组处理下的株高均呈明显的增长趋势。在20 d到30 d期间，株高的增长速率最大，R1增长了86.21%，R2增长了86.35%，R3增长了93.93%;在第50天，三组处理下的裸燕麦株高差异最为显著，R2与R1相比，增长率为8.25%，R3与R1相比增长率为21.62%，R3与R2相比增长率为12.35%;生长到第90天，R2与R1相比，增长率为3.51%，R3与R1相比增长率为10.07%，R3与R2相比增长率为6.33%。同一处理下株高均差异显著。
　　2.6 不同處理对穗数的影响
　　植物穗数是反映植物生长状况的指标之一，如图6为不同处理下裸燕麦随时间穗数的变化。
　　从图6中可以看出，随着裸燕麦生长天数的增加，三组处理下的穗数均呈明显的增长趋势。在70～80 d期间，穗数的增长速率最大， R1增长了60.76%，R2增长了52.33%，R3增长了84.26%;在第80天，三组处理下的裸燕麦穗数差异最为显著，R2与R1相比，增长率为11.92%，R3与R1相比增长率为36.85%，R3与R2相比增长率为22.28%;生长到第100天，R2与R1相比差异不显著，增长率为11.02%，R3与R1相比增长率为27.89%，R3与R2相比增长率为15.19%。同一处理下的穗数均差异显著。
　　3 结论与讨论
　　以上数据表明，混合菌剂接种后可以提高裸燕麦叶片的株高、穗数、胞间CO2浓度、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率;混合菌剂与化肥共同使用提高效果最为明显。这与蒋永梅[13]在小黑麦上的研究、李琦等[14]在苜蓿上的研究、周可金[15]在油菜上的研究、郭英等[16]在大豆上的研究结果一致，即根际促生菌对植物生长具有一定的促生作用。光合作用是植物生长发育过程中重要的生化过程，是物质积累的基础，比其他因素对作物的影响更为突出，是比较作物差异的重要指标。光合速率描述了植物光合作用的强弱，反映了叶片合成有机物的能力，间接反映了植物内营养物质的含量[17]。气孔导度即CO2进入叶片的多少，是反应环境变化最敏感的因子，可间接表示光合速率。蒸腾速率衡量了植物叶片蒸腾和气孔开放的程度。一般来说，气孔导度越大，蒸腾速率越快。株高是植物生长量的基本标志之一，通过测量的株高数据可粗略表示植物生长的情况，衡量不同处理下的效果。因为本试验筛选出来的参试细菌大部分都具备良好的固氮和解磷能力，在裸燕麦生长过程中，这些根际促生细菌部分通过固定空气中的氮气[18-20]，增加了土壤中的氮元素含量，同时部分菌剂还可以使土壤中已被固定的磷元素重新释放[21-25]，进而可被植物吸收利用。另一方面，植物根际促生菌可以减少植物被病原微生物感染的机会，降低植物的生物或非生物压力[26-28]。就本研究而言，我们可以得知混合菌剂对裸燕麦的生长的确具有明显的促进作用，并且与化肥结合后可以得到尤为显著的效果，在今后的试验中可以通过扩大菌的筛选范围或改良菌种以制得单一或多种功能菌株混合而成的更加优异的菌[29-30];尝试多种接菌方式及栽培方法等措施优化试验方案，逐步达到与化肥同等的效益，从而替代化肥在农业生产中的使用，避免由于滥用引起的土壤环境污染问题。
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