王新南, 羅家豪, 郝俊杰, 張曉艷, 劉璐,付麗平, 王家林, 韓燕紅, 劉全蘭*
(1.青島科技大學(xué)海洋科學(xué)與生物工程學(xué)院, 山東 青島 266042; 2.青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院, 山東 青島 266100; 3.青島市黃島區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站, 山東 青島 266400)
蠶豆(faba bean,ViciafabaL.)又稱(chēng)羅漢豆、胡豆、蘭花豆等,是一種糧、菜、肥兼用型豆科作物[1],其在我國(guó)已有2 000余年栽培歷史,種植面積廣闊。豆科作物內(nèi)生固氮根瘤菌,蠶豆也被期望含有豐富的內(nèi)生固氮菌。熊惠洋[2]采集了我國(guó)三大蠶豆種植生態(tài)區(qū)(東部生態(tài)區(qū)、西南生態(tài)區(qū)、西北生態(tài)區(qū))的44個(gè)樣點(diǎn)里的蠶豆根瘤及土樣,蠶豆根瘤里共分離純化出6種和蠶豆結(jié)瘤的根瘤菌,分別是4個(gè)已知種(Rhizobiumleguminosarum、R.laguerreae、R.pisi/R.fabae、R.anhuiesnse)和2個(gè)未知種(R.sp.1、R.sp.2)。Sa?di等[3]從蠶豆根瘤中分離了104株內(nèi)生固氮菌,它們分屬于根瘤菌屬(Rhizobiumsp.)、劍菌屬(Ensifersp.)、芽孢桿菌屬(Bacillussp.)、假單胞菌屬(Pseudomonassp.)、拉恩氏菌屬(Rahnellasp.)、泛菌屬(Pantoeasp.)、黃單胞菌屬(Xanthomonassp.)和申氏桿菌屬(Shinellasp.)等。固氮螺菌屬(Azospirillumspp.)和固氮菌屬(Azotobacterspp.)也是被分離報(bào)道的植物內(nèi)生固氮菌,并廣泛的應(yīng)用于生物肥料[4-6]。類(lèi)芽孢桿菌屬(Paenibacillussp.)是從落地生根[6]、野生稻[7-8]和水稻[9]中分離被報(bào)道的內(nèi)生固氮菌;克雷伯氏菌屬(Klebsiellaspp.)是從野生稻、水稻、甘蔗、玉米等植物中獲得的內(nèi)生固氮菌[10-12],說(shuō)明這些屬在植物體內(nèi)生固氮菌中是易分離得到的優(yōu)勢(shì)菌群。已有研究表明,內(nèi)生固氮菌促生機(jī)制包括菌株的固氮、溶磷溶鉀、產(chǎn)植物生長(zhǎng)素等特性。黃靜等[13]從油菜(匯油50)和玉米(登海11)中分離的 32 內(nèi)生菌均株具穩(wěn)定的溶磷能力,并研究了這些菌株形成吲哚乙酸、鐵載體、1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶等的能力。Chimwamurombe等[14]從Marama豆苗期根和新枝中分離獲得了73株內(nèi)生菌,測(cè)定了它們的促生長(zhǎng)特性,如1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶、1,3-β-D-葡聚糖內(nèi)切酶、蛋白酶、固氮酶、吲哚乙酸、鐵載體、N-?;?高絲氨酸內(nèi)酯、溶磷鉀等的活性。本文從蠶豆幼苗葉和根中分離了內(nèi)生固氮菌,同時(shí)探究了它們的促生長(zhǎng)特性,為今后深入而廣泛地研究蠶豆的內(nèi)生固氮菌并應(yīng)用于蠶豆生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
蠶豆種子(日本大白皮,編號(hào)S18P23;啟豆2號(hào),編號(hào)S18P24)由青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)院張曉艷課題組提供。2018年3月,在青島市農(nóng)業(yè)科學(xué)院塑料大棚用花盆進(jìn)行播種,花盆內(nèi)部直徑35 cm,高75 cm,花盆內(nèi)土(pindstrup泥炭,丹麥)高度為70 cm。種子出苗后20 d拔出蠶豆苗,自來(lái)水沖洗根上的土,包裝于自封袋中于-20 ℃冰箱中待用。
內(nèi)生固氮菌分離純化所用培養(yǎng)基為Ashby和YMA培養(yǎng)基,內(nèi)生固氮菌生理生化測(cè)定用無(wú)機(jī)磷培養(yǎng)基、卵黃板培養(yǎng)基、硅酸鹽培養(yǎng)基、羥基纖維素鈉培養(yǎng)基、果膠篩選培養(yǎng)基。培養(yǎng)基溶解混勻后分裝于 250 mL錐形 中,121℃滅菌 20 min。
Ashby篩選培養(yǎng)基(1 L):KH2PO40.2 g、CaCO35 g、MgSO4·7H2O 0.2 g、甘露醇 10.0 g、NaC1 0.2 g、CaSO4·2H2O 0.1 g、瓊脂 18.0 g、pH(7.0±0.2)。
YMA培養(yǎng)基的成分(1 L):甘露醇10.0 g、酵母粉1.0 g、K2HP040.5 g、MgSO4·7H2O 0.2 g、NaC1 0.1 g、CaSO40.2 g、Rh微量元素液(H3BO35.0 g·L-1、Na2MnO45.0 g·L-1)4 mL,pH 6.8~7.0。
無(wú)機(jī)磷培養(yǎng)基(1 L):葡萄糖10.0 g、(NH4)2SO40.5 g、NaCl 0.2 g、KCl 0.2 g、MgSO4·7H2O 0.03 g、FeSO4·7H2O 0.003 g、MnSO4·4H2O 0.03 g、酵母提取物0.5 g、磷酸鈣5.0 g、瓊脂18.0 g、蒸餾水1 000 mL;pH 7.0。
卵黃(有機(jī)磷)培養(yǎng)基(1 L):葡萄糖10.0 g、(NH4)2SO40.5 g、MgSO4·7H2O 0.03 g、NaC1 0.3 g、KC1 0.3 g、FeSO4·7H2O 0.36 g、MnSO4·4 H2O 0.03 g、CaCO35.0 g、瓊脂18.0 g;溶蒸餾水1 000 mL;加熱溶化后分裝于 250 mL錐形 中,于121 ℃滅菌 20 min;冷卻至50 ℃后,立即加入滅菌的卵黃液,每100 mL的基礎(chǔ)培養(yǎng)基加卵黃稀釋液3 mL作為有機(jī)磷源,混勻后分裝于培養(yǎng)皿內(nèi)凝成平板。卵黃稀釋液是用酒精擦凈新鮮雞蛋外殼,輕輕打破雞蛋一端,去除蛋清后將蛋黃加入已滅菌的錐形瓶中,加等量的無(wú)菌水,搖勻后用滅菌注射器過(guò)濾而成。
硅酸鹽培養(yǎng)基(1 L):蔗糖10.0 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、酵母膏0.5 g、Na2HPO41.0 g、(NH4)2SO41.0 g、CaCO31.0 g、鉀長(zhǎng)石粉(過(guò)120目篩,蒸餾水浸泡 3 d以洗去水溶性鉀)1.0 g、瓊脂粉 18.0 g。
明膠培養(yǎng)基的成分(1 L):牛肉浸膏3.0 g、蛋白胨5.0 g、明膠120.0 g、pH 7.0,加熱融化后,取4 mL培養(yǎng)液分裝到10 mL的試管中。
羥基纖維素鈉培養(yǎng)基(1 L):羥基纖維素鈉10.0 g、(NH4)2SO44.0 g、KH2P042.0 g、MgSO4·7H2O 0.5 g、蛋白胨l.0 g、瓊脂16.0 g。
果膠篩選培養(yǎng)基(1 L):果膠0.2 g、KH2P040.1 g、MgSO4·7H2O 0.05 g、NaN030.3 g、FeS040.001 g、瓊脂2.0 g、pH 5.0。果膠為Sigma公司產(chǎn)品,從柑桔皮中提取的高酯果膠,甲氧基含量 9.3%,半乳糖醛酸含量 84.0%。
將蠶豆幼苗的葉子和根用無(wú)菌水沖洗干凈,70%酒精浸泡3 min,再用無(wú)菌水沖洗5~7次。取滅菌后的葉和根在培養(yǎng)基上涂抹1次,28 ℃ 培養(yǎng)5 d,以檢查滅菌效果。用無(wú)菌保鮮膜將滅菌后的葉和根包裹并破碎,加1 mL生理鹽水進(jìn)行稀釋?zhuān)鰷u震蕩1 min。取100 μL稀釋混懸液涂布于Ashby培養(yǎng)基,28 ℃倒置培養(yǎng)48 h,挑取單菌落在固體平板上進(jìn)行多次劃線,得到純化菌株。
活化的供試菌株按10%接種量接種到Ashby培養(yǎng)基中,置于30 ℃搖床,恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)24 h,取1 mL培養(yǎng)液于600 nm處測(cè)吸光值,OD600為0.2時(shí)進(jìn)行測(cè)試。無(wú)菌水制成濃度為107CFU·mL-1的菌懸液,吸取10 μL菌懸液注入到篩選平板的孔徑中間,于28 ℃細(xì)菌培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h,觀察有無(wú)透明圈或混濁圈的生成,測(cè)定透明圈或混濁圈直徑(L)和菌落直徑(D)。固體培養(yǎng)基中注入菌液的孔徑為0.6 cm。
1.4.1菌株溶磷和鉀性狀測(cè)定 分別將菌液接種到無(wú)機(jī)磷培養(yǎng)基、卵黃板培養(yǎng)基、硅酸鹽培養(yǎng)基的孔中,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)1、3、7 d,觀察培養(yǎng)基上透明環(huán)的形成及大??;7 d后,用直尺測(cè)定菌落和水解圈的直徑,根據(jù)水解圈與菌落圈的直徑比來(lái)判斷該菌株溶無(wú)機(jī)磷、有機(jī)磷和鉀能力。
1.4.2菌株液化明膠的測(cè)定 將菌液接種到明膠培養(yǎng)基的孔中,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d,觀察試管中的明膠狀態(tài),判斷菌株是否有液化明膠的能力。有些明膠液化現(xiàn)象不明顯,繼續(xù)培養(yǎng)24 h后再次冷凍,重新觀察結(jié)果。
1.4.3菌株產(chǎn)纖維素酶能力的測(cè)定 將菌株接種到羥基纖維素鈉培養(yǎng)基的孔中,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)3 d,用質(zhì)量濃度為1 g·L-1的剛果紅溶液染色30 min,蒸餾水沖洗,用1 mol·L-1氯化鈉溶液進(jìn)行脫色,觀察培養(yǎng)基上透明圈形成及大小,根據(jù)水解圈與菌落圈的直徑比來(lái)判斷該菌株產(chǎn)纖維素酶能力。
1.4.4菌株產(chǎn)果膠酶能力的測(cè)定 將菌株接種到果膠酶培養(yǎng)基的孔中,置于30 ℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)3 d,用質(zhì)量濃度為1%的CTAB溶液染色10 min,觀察培養(yǎng)基上有無(wú)透明圈形成及大小,根據(jù)菌落和水解圈的直徑比判斷該菌株產(chǎn)果膠酶能力。
1.4.5菌株固氮酶活性的測(cè)定 按照戴治家[15]方法測(cè)定菌株固氮酶活。取培養(yǎng)到對(duì)數(shù)期的1 mL菌液于13 mL西林瓶中,加橡膠塞,用注射器抽取西林瓶?jī)?nèi)1 mL空氣,再注入1 mL純度為99.99%的乙炔,28 ℃培養(yǎng)24 h。用注射器注入2 mL飽和氯化鈉溶液,抽取200 μL氣體(氣體濃度為10%),注入配制好的乙炔吸收液中,震蕩5 min,在548 nm處比色法測(cè)定其吸收值。每個(gè)樣品測(cè)定3個(gè)重復(fù),取平均值進(jìn)行分析。
標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制:按照上述測(cè)定步驟,用空白培養(yǎng)基代替菌液,給盛有吸收液的5個(gè)瓶中,分別依次注入標(biāo)準(zhǔn)乙炔50、100、150、200和250 μL,進(jìn)行比色,記錄光密度,以O(shè)D值為縱坐標(biāo)、乙炔含量為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
乙炔吸收液:稱(chēng)取 5.0 g 硝酸銅置 于 1 000 mL 容量瓶中, 加入200 mL蒸餾水使其溶解, 加入 10%的氨水溶液(氨量為5.3 g), 然后加入溶于380 mL蒸餾水中的23.0 g 鹽酸羥胺溶液, 45 mL 2 %白明膠溶液和 33 mL 95%乙醇,混勻,加蒸餾水至標(biāo)線充分搖勻, 放試劑瓶中備用。
內(nèi)生固氮菌固氮酶活性以產(chǎn)生C2H4的濃度進(jìn)行計(jì)算[15-16]。
固氮酶的活性(μmol C2H4·mL-1·h-1)=(V×C×c×n)/Vb×t
V=VO-Vt
c=[273/(273+t)]×(Pt/1×105)
式中,V為乙炔C2H2被還原形成乙烯C2H4的體積(μL);C為理想狀態(tài)下氣體的濃度,0.045 mol·L-1;c為測(cè)定時(shí)的室內(nèi)溫度和大氣壓的修正系數(shù),本研究測(cè)定溫度為25 ℃,大氣壓Pt為1×105Pa,c= 0.916;n為 C2H2氣體的稀釋倍數(shù),本研究西林瓶的容積是13 mL,注入1 mL菌液和2 mL飽和氯化鈉溶液后的容積為10 mL,1 mL C2H2的稀釋倍數(shù)是500;Vb為菌液的體積,為1 mL;t為菌株的培養(yǎng)時(shí)間,為24 h;VO為注入吸收液的標(biāo)準(zhǔn)乙炔氣的體積(μL);Vt為未被還原的乙炔體積,從標(biāo)準(zhǔn)曲線查得(μL)。
蠶豆幼苗葉和根經(jīng)過(guò)兩次分離純化以后,得到菌落形態(tài)不同的內(nèi)生固氮菌株共8株,其中葉中分離出6株,分別為SL23-2、SL23-3、SL24-1、SL24-2、SL24-3、SL24-5;根中分離出兩株,分別為SR23-1、SR24-1。單菌落形態(tài)為圓形,不透明,菌落周?chē)蟹置谖铩?/p>
篩選到的菌株分別培養(yǎng)在理化性狀測(cè)定培養(yǎng)基上,觀察抑菌圈的行成及直徑大小,并比較分析不同菌株的活性能力,結(jié)果如表1所示。
2.2.1蠶豆內(nèi)生固氮菌溶解無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷的特征 根據(jù)溶解無(wú)機(jī)磷的試驗(yàn)結(jié)果,有7株菌產(chǎn)生透明圈,僅SL24-3菌株不形成溶解無(wú)機(jī)磷的透明圈。在形成溶磷透明圈的菌株中,SL24-1、SL24-2、SL24-5、SR23-1的解磷能力較強(qiáng),產(chǎn)生的解磷圈直徑均超過(guò)2 cm。沒(méi)有分離到溶解有機(jī)磷的菌株。結(jié)果表明,分離到的蠶豆內(nèi)生菌溶解無(wú)機(jī)磷的效果顯著,對(duì)于有機(jī)磷沒(méi)有溶解能力(表1)。
表1 蠶豆苗期葉和根中內(nèi)生固氮細(xì)菌促植物生長(zhǎng)理化指標(biāo)的測(cè)定
SR23-1菌株在溶磷培養(yǎng)基上形成的透明圈與菌落圈的直徑比最大(4.78),說(shuō)明其對(duì)Ca3(PO4)2溶解效果最好,其次為SL24-1菌株(4.05)。其原因可能是SR23-1菌株產(chǎn)生的酸多,pH下降快,使Ca3(PO4)2中更多的磷溶解出來(lái)。已有研究表明,有機(jī)酸能夠螯合金屬離子,釋放難溶的磷;不同的有機(jī)酸對(duì)金屬離子的親和性不同[13]。因此,在投入土壤環(huán)境前,應(yīng)進(jìn)一步測(cè)定SR23-1菌株的溶磷機(jī)制,測(cè)定溶磷物質(zhì)與土壤特征的匹配度,這樣將有利于土壤中磷元素的釋放,將促進(jìn)植物對(duì)土壤養(yǎng)分的充分吸收并將提高植物生物量。
2.2.2蠶豆內(nèi)生固氮菌溶解鉀的特征 從苗期蠶豆葉和根中分離的內(nèi)生菌中僅有SL23-2和SR23-1兩株菌有解鉀的能力,解鉀圈與菌落圈的直徑比均在2.50左右(表1),結(jié)合這兩株菌形成的溶磷圈比值(2.17和4.78),暗示這兩株菌可以為蠶豆種植提供磷元素和鉀元素。
2.2.3蠶豆內(nèi)生固氮菌液化明膠的特征 菌株液化明膠試驗(yàn)是用于分析某些細(xì)菌可產(chǎn)生一種胞外酶——明膠酶的能力,該酶能使明膠等膠原物質(zhì)分解為多肽再進(jìn)一步分解成氨基酸,從而使明膠失去凝固力,使明膠固體培養(yǎng)基具有流動(dòng)的特征。本研究從蠶豆中分離的內(nèi)生菌僅SL24-2菌株有溶明膠的能力,其他菌株均無(wú)溶明膠能力(表1)。
2.2.4蠶豆內(nèi)生固氮菌降解纖維素的特征 根據(jù)剛果紅染料在羥基纖維素鈉培養(yǎng)基上褪色的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,具有纖維素酶活性的菌株共有4株SL23-2、SL23-3、SL24-3、SR24-1。降解纖維素的溶解圈直徑平均在3.5 cm左右,說(shuō)明這四株菌具有較強(qiáng)的纖維素酶分泌能力。SL23-3菌株在羥基纖維素鈉培養(yǎng)基上形成的褪色透明圈與菌落圈的直徑比值為最大(6.12),說(shuō)明其對(duì)羥基纖維素鈉溶解效果最好,其次為SR24-1菌株(6.00);這兩株菌對(duì)無(wú)機(jī)磷還有一定的溶解效果,表明這兩株菌在秸稈降解和農(nóng)田溶磷中有一定作用。
2.2.5蠶豆內(nèi)生固氮菌降解果膠的特征 在篩選分離的菌株中,具有果膠酶活性的菌株有兩株SL24-1、SL24-3。果膠降解圈的大小為3.00 cm左右。SL24-1菌株在果膠培養(yǎng)基上形成的透明圈與菌落圈的直徑比為5.88,SL24-3菌株在果膠培養(yǎng)基上形成的透明圈與菌落圈的直徑比為3.95(表1)。SL24-1菌株還有溶解無(wú)機(jī)磷的能力,SL24-3菌株還有溶解纖維素的能力,說(shuō)明這兩株菌具有多種促生長(zhǎng)能力(表 1)。
2.3.1乙炔含量標(biāo)線的繪制 乙炔分子中的氫原子易被銀、亞銅、亞汞及汞等金屬離子所取代,生成帶色的金屬炔化物,這是乙炔分子的特異反應(yīng), 乙烯(烯烴)無(wú)此反應(yīng)。將1 mL乙炔氣注入已抽取完1 mL空氣的密閉的西林瓶中,含一價(jià)銅鹽的氨溶液的吸收液與乙炔相互作用后將生成乙炔銅, 使溶液顯紫紅色,乙炔銅經(jīng)分光光度計(jì)可得到數(shù)值,標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示。
圖1 乙炔含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線
2.3.2蠶豆苗期內(nèi)生固氮菌的固氮能力 8株固氮細(xì)菌的固氮酶活性如圖2所示。固氮細(xì)菌的固氮酶活性差異較大,SL24-3菌株的固氮酶活性最高,為12.79 μmol C2H4·mL-1·h-1;SL24-2菌株的固氮酶活性次之,為11.79 μmol C2H4·mL-1·h-1。SL24-3菌株還有溶解纖維素和果膠的能力,說(shuō)明這種菌在蠶豆的生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮著多重效果;SL24-2菌株還有溶無(wú)機(jī)磷的能力,這說(shuō)明該菌株對(duì)蠶豆生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)供給發(fā)揮著作用。
圖2 8株內(nèi)生固氮菌的固氮酶活性
近年來(lái)研究表明,宿主植物與其內(nèi)生菌之間具有緊密聯(lián)系,不同的宿主植物具有不同的內(nèi)生菌生態(tài)系統(tǒng);同種植物在不同的生活環(huán)境下,內(nèi)生菌種類(lèi)也會(huì)出現(xiàn)明顯變化;植物不同部位間,內(nèi)生菌的種類(lèi)和豐度也具有顯著差異,這反映出不同內(nèi)生菌對(duì)宿主植物的組織差異性和專(zhuān)一性[17]。陽(yáng)潔等[18]從藥用稻中篩選到4株具有高效溶磷解鉀能力的內(nèi)生固氮菌,其固氮酶活性在8.78~8.88 μmol C2H4·mL-1·h-1之間,代表菌株yy01溶磷圈(L/D)為2.92,溶鉀圈(L/D)為4.13。本研究在蠶豆苗期的根和葉中分離獲得8株固氮菌,它們的固氮酶活為8.38~12.79 μmol C2H4·mL-1·h-1,其中SL24-3菌株的固氮酶活最高(12.79 μmol C2H4·mL-1·h-1),SL24-2菌株的固氮酶活性次之(11.79 μmol C2H4·mL-1·h-1),表明這兩株菌有較好的固氮能力。本研究還發(fā)現(xiàn)4株菌株的溶磷能力強(qiáng),SL24-1的溶磷圈(L/D)為4.05,SL24-2的溶磷圈(L/D)為4.04, SL24-5的溶磷圈(L/D)為3.62,SR23-1的溶磷圈(L/D)為4.78。這些結(jié)果說(shuō)明蠶豆苗期內(nèi)的內(nèi)生固氮菌具有多樣性的促植物生長(zhǎng)特征。
細(xì)胞的生長(zhǎng)是植物個(gè)體生長(zhǎng)發(fā)育及形態(tài)建成的重要環(huán)節(jié),需要一系列酶降解細(xì)胞壁的多聚糖以松弛胞壁,需要新的胞壁成份的添加、組裝和交聯(lián)。參與細(xì)胞壁降解的酶主要是纖維素酶和果膠酶,參與細(xì)胞壁合成的酶主要是過(guò)氧化物酶,這三類(lèi)酶還可以提高植物對(duì)真菌病的抵抗力[19-20]。內(nèi)生菌分泌的纖維素酶和果膠酶在植物促生長(zhǎng)中的作用日益得到重視,如Borah等[20]從茶中分離到44株產(chǎn)纖維素酶和17株產(chǎn)果膠酶的內(nèi)生菌。本研究?jī)?nèi)生固氮菌中有纖維素酶活性的為4株,果膠酶活性的菌株有2株,這些內(nèi)生菌可以在蠶豆的生長(zhǎng)過(guò)程中分泌出這些降解酶,以有利于蠶豆細(xì)胞壁的生長(zhǎng)發(fā)育,還可以破壞病原真菌的細(xì)胞壁以防治真菌的病害。
綜上所述,本研究的SR23-1菌株擁有突出的溶解無(wú)機(jī)磷和鉀的能力;SL24-3菌株的固氮能力最高,還有分泌纖維素酶和果膠酶的能力,這說(shuō)明這兩株菌(SR23-1和SL24-3)在促植物生長(zhǎng)能力方面有顯著優(yōu)勢(shì),是潛在的高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)菌株。