馬 飛 王 菁 王君正 胡曉輝*
(1 西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院,陜西楊凌 712100;2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌 712100;3 陜西省設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,陜西楊凌 712100)
穴盤(pán)育苗是蔬菜生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),培育壯苗是保障設(shè)施蔬菜高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一,基質(zhì)組分、有機(jī)質(zhì)含量和微生物豐度及含量均可直接影響成苗質(zhì)量和發(fā)育(劉忠華 等,2019;楊凡 等,2020;徐誠(chéng) 等,2021)。微生物菌劑是基于功能菌株的作用特點(diǎn)而研制的生物制劑,在改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)中具有良好的效果和綠色、安全、無(wú)污染的特點(diǎn)(祝虹鈺 等,2017;周建,2020)。呂倩等(2014)發(fā)現(xiàn)甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌具有對(duì)環(huán)境的多抗逆性、代謝產(chǎn)物的多樣性、廣譜的抗菌活性及對(duì)作物和環(huán)境無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌的研究集中于對(duì)黃瓜炭疽病、枯萎病和葡萄霜霉病等病害的防治作用及機(jī)理等方面(康興嬌 等,2016;魏新燕 等,2018;蔣妮 等,2020)。胡曉輝等(2020)前期研究發(fā)現(xiàn)甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌在夏季高溫期對(duì)黃瓜秧苗生長(zhǎng)發(fā)育具有顯著促進(jìn)作用,但在常溫條件下,其對(duì)穴盤(pán)育苗過(guò)程中幼苗發(fā)育的作用效果、最佳用量及作用原理尚不明確。
此外,目前關(guān)于促生壯苗的研究多集中于外源激素的施用(張娜娜 等,2019)和育苗基質(zhì)配方的改良(史宏玉 等,2020),而關(guān)于微生物菌劑甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌適宜用量、效果及促生壯苗調(diào)控機(jī)制的研究尚缺乏數(shù)據(jù)。因此,本試驗(yàn)通過(guò)在育苗基質(zhì)中添加不同劑量甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌菌劑,研究其對(duì)黃瓜穴盤(pán)苗形態(tài)發(fā)育、生物量和與元素積累量的影響,并從植物激素、根系發(fā)育和葉綠素含量等途徑解析其作用機(jī)理,以期確定菌劑最佳施用量和明晰甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌促進(jìn)黃瓜穴盤(pán)苗生長(zhǎng)的生理機(jī)制,從而為培育黃瓜壯苗,提高黃瓜產(chǎn)量、品質(zhì)及降低生產(chǎn)成本提供理論指導(dǎo)。
供試黃瓜品種為博耐526,供試菌劑為VL-10型甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌(粉劑,有效活菌數(shù)為5 ×10CFU · g,山東蔚藍(lán)生物科技有限公司生產(chǎn))。育苗基質(zhì)選用以菇渣和牛糞為主要成分的腐熟農(nóng)業(yè)廢棄物,容重0.34 g · cm、pH 值6.73、EC 值1 421 μS · cm、硝態(tài)氮含量851 mg · kg、銨態(tài)氮含量94 mg · kg、速效磷含量854 mg · kg、速效鉀含量3 858 mg · kg、有機(jī)質(zhì)含量46.2%。采用50 孔穴盤(pán)育苗。
試驗(yàn)于2020 年6—7 月在陜西楊凌(34°28′N(xiāo),108°07′E)西北農(nóng)林科技大學(xué)南校區(qū)科研溫室中進(jìn)行。試驗(yàn)期間日平均空氣溫度為18.2~33.6 ℃,日平均相對(duì)濕度為51.2%~86.5%(由北京金洋萬(wàn)達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的WD-PDKI 型溫濕度光照記錄儀測(cè)得)。
按 照0、5、10、15、20、25 kg · m劑量分別向育苗基質(zhì)中配施甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌(記為CK、T、T、T、T、T),共6 個(gè)處理,每個(gè)穴盤(pán)為1 個(gè)重復(fù),3 次重復(fù)。黃瓜種子經(jīng)溫湯浸種、催芽露白后,分別播于拌有不同菌劑用量的基質(zhì)內(nèi),并置于科研溫室內(nèi)育苗,苗期管理按常規(guī)設(shè)施穴盤(pán)育苗方法進(jìn)行。播種后40 d(成苗時(shí))取樣測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。
1.3.1 植株生長(zhǎng)指標(biāo)和葉綠素含量 各處理隨機(jī)選取15 株幼苗,分別測(cè)定株高、莖粗和葉面積。用卷尺測(cè)量莖基部至生長(zhǎng)點(diǎn)的高度為株高;用游標(biāo)卡尺測(cè)量莖基部直徑為莖粗;用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量第2 片真葉的葉長(zhǎng)和葉寬,計(jì)算葉面積(任杰,2013)。
葉面積=葉長(zhǎng) × 葉寬 × 0.743
蒸餾水洗凈根系后,用Epson Perfection V700 Photo 根系掃描儀分別分析單株根系總長(zhǎng)度、根表面積、根體積、根直徑及根尖數(shù);選取幼苗第2 片真葉,采用乙醇丙酮混合浸提法(李合生,2000)測(cè)定葉綠素含量。
1.3.2 植株生物量和N、P、K 元素積累量 各處理每個(gè)重復(fù)隨機(jī)取樣15 株,將植株沖洗干凈后,擦干并從根基部分開(kāi),分別測(cè)定幼苗地上各部和根系鮮質(zhì)量,并將其于105 ℃烘箱中殺青30 min,于70 ℃烘干至質(zhì)量恒定后,測(cè)定地上部分和根系的干質(zhì)量,計(jì)算壯苗指數(shù)和生長(zhǎng)函數(shù)(值)(任杰,2013)。然后測(cè)定植株全N、P、K 元素含量,計(jì)算各元素積累量(張佼 等,2019)。
壯苗指數(shù)=(莖粗/株高)×全株干質(zhì)量
值=全株干質(zhì)量/育苗天數(shù)
元素積累量=元素含量×植株干質(zhì)量
1.3.3 根系激素含量 各處理隨機(jī)選取15 株成苗根系,用高效液相色譜法(HPLC)(馬有寧和陳銘學(xué),2011)測(cè)定根系吲哚乙酸(3-Indoleacetic acid,IAA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)和乙烯前體物質(zhì)氨基環(huán)丙烷羧酸(1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid,ACC)含量。
采用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及圖表制作,用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析,Duncan’s 方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),數(shù)據(jù)以平均值 ±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。
由表1 可以看出,不同用量甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌處理均顯著提高了幼苗株高、莖粗和葉面積。與CK 相比,T~T處理的株高提高21.4%~75.0%,且T、T和T處理均顯著高于T和T處理;莖粗提高7.0%~18.8%,且T和T處理顯著高于T和T處理;葉面積提高24.8%~70.8%,T、T、T和T處理之間無(wú)顯著差異,但均顯著高于T1 處理。表明施用甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌菌劑可顯著促進(jìn)黃瓜幼苗莖的生長(zhǎng)發(fā)育,且作用效果受菌劑用量影響,以T和T處理對(duì)黃瓜幼苗株高、莖粗的促進(jìn)效果最優(yōu),且施用菌劑對(duì)幼苗葉片發(fā)育具有顯著促進(jìn)作用。
表1 不同菌劑用量對(duì)黃瓜幼苗株高、莖粗和葉面積的影響
由表2 可知,與CK 相比,除T處理的全株鮮質(zhì)量和壯苗指數(shù)外,不同菌劑用量處理均顯著提高了黃瓜幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、壯苗指數(shù)和值,其中T、T、T和T處理的全株鮮、干質(zhì)量均顯著優(yōu)于CK 和T處理,且4 個(gè)處理間無(wú)顯著差異,全株鮮質(zhì)量分別比CK 提高82.5%、74.7%、79.1%和85.0%,全株干質(zhì)量分別提高62.7%、70.6%、58.0%和59.3%;T處理的全株鮮、干質(zhì)量分別較CK 提高了7.3%和16.0%。T處理的壯苗指數(shù)和值顯著高于其他處理,分別較CK 提高了24.2%和75.6%;T處理對(duì)壯苗指數(shù)和值的影響次之,較CK 提高了8.7%和68.3%。表明甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌菌劑在促進(jìn)幼苗形態(tài)發(fā)育的同時(shí),可顯著提高黃瓜幼苗的生物量、壯苗指數(shù)和值,對(duì)培育壯苗具有明顯促進(jìn)作用。
表2 不同菌劑用量對(duì)黃瓜幼苗生物量、壯苗指數(shù)和G 值的影響
由表3 可知,幼苗葉片的葉綠素含量隨菌劑用量增加呈先降低后升高的變化趨勢(shì),T處理的葉綠素a、b 和葉綠素總量顯著高于其他處理,分別較CK 提高了22.2%、29.8%和23.9%;T處理次之;而T處理的葉綠素總量與CK 無(wú)顯著差異;T和T處理的葉綠素含量均較CK 顯著降低,但葉綠素a/b 顯著升高,且二者之間無(wú)顯著差異;T、T和T處理的葉綠素a/b 均顯著降低。表明甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌對(duì)幼苗葉片葉綠素含量的影響受劑量效應(yīng)調(diào)控,在低菌劑用量(5~15 kg · m)下可能降低葉綠素含量,而高菌劑用量(20~25 kg · m)可提高葉綠素含量,進(jìn)而促進(jìn)幼苗光合作用。
表3 不同菌劑用量對(duì)黃瓜幼苗葉綠素含量的影響
由表4 可知,隨菌劑用量增加,菌劑處理對(duì)幼苗根系發(fā)育的促進(jìn)作用呈增強(qiáng)趨勢(shì)。T處理的根表面積、根直徑和根體積顯著高于其他處理,較CK分別增加164.7%、22.9%和201.8%;T處理根長(zhǎng)、根尖數(shù)最高,但與T處理差異不顯著;T處理的根長(zhǎng)顯著高于T處理,二者根表面積、根體積和根尖數(shù)之間均無(wú)顯著差異,但均顯著高于CK,較CK 分別增加106.1%~108.2%、107.2%~131.0%和15.1%~28.6%。表明除T根直徑以外,在較高劑量(15~25 kg · m)的菌劑處理下,黃瓜幼苗根長(zhǎng)、根表面積、根直徑、根體積、根尖數(shù)均顯著提高,從而保證了根系對(duì)水分、養(yǎng)分的吸收,有利于植株的生長(zhǎng)發(fā)育,從而起到培育壯苗的作用。
表4 不同菌劑用量對(duì)黃瓜幼苗根系生長(zhǎng)的影響
如表5 所示,基質(zhì)配施甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌后,幼苗根系IAA 含量顯著增加,JA 含量呈先升后降的變化趨勢(shì),ACC 含量均有不同程度的降低。與CK 相比,T~T處理的IAA 含量分別提高了22.7%、13.4%、39.7%、19.1% 和82.0%;T、T和T處理的JA 含量分別提高了7.1%、46.1%和170.4%,而T處理的JA 含量與CK 無(wú)顯著差異,T處理則顯著降低。各處理的ACC 含量分別較CK 降低了6.5%、16.8%、16.6%、7.4%和3.9%,且T、T、T處理顯著降低。表明黃瓜幼苗根系不同激素對(duì)菌劑用量的響應(yīng)趨勢(shì)和程度不同,其中T處理的IAA 最高,T處理的JA 最高,T處理的ACC 最低,T處理次之。表明甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌可能通過(guò)調(diào)控根系激素含量進(jìn)而起到調(diào)控黃瓜根系生長(zhǎng)發(fā)育的作用。
表5 不同菌劑用量對(duì)黃瓜幼苗根系激素含量的影響
如表6 所示,T、T和T處理的根系N、P、K 元素積累量均顯著高于CK,增幅分別為98.4%~112.5%、66.5%~78.2%和61.9%~86.9%,各處理間無(wú)顯著差異;T處理的根系N 和K 元素積累量分別較CK 提高了59.6%和33.0%;T處理僅顯著提高了根系K 元素積累量。T、T、T和T處理均顯著提高了地上部和全株N 元素積累量,且以T處理增幅最大,分別為98.1%和94.5%。T、T和T處理顯著提高了地上部和全株P(guān) 元素含量,較CK 提高了82.5%~95.8%和89.3%~80.4%,各處理之間無(wú)顯著差異。T~T處理的地上部和全株K 元素積累量均顯著高于CK,增幅分別為34.5%~60.0%和38.9%~60.2%,且T處理積累量最高。表明添加甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌后,顯著提高了植株對(duì)N、P、K 元素的吸收和積累。
表6 不同菌劑用量對(duì)黃瓜幼苗元素積累量的影響
由表7 可知,根系IAA 含量與植株莖粗、根表面積、根直徑和根體積呈極顯著正相關(guān),與株高、全株生物量和根長(zhǎng)呈顯著正相關(guān);根系JA 含量與植株形態(tài)和根系生長(zhǎng)指標(biāo)間均無(wú)顯著相關(guān)性;根系A(chǔ)CC 含量與植株株高、莖粗、葉面積、全株生物量和壯苗指數(shù)間均呈顯著負(fù)相關(guān),與值呈極顯著負(fù)相關(guān),與根系生長(zhǎng)指標(biāo)無(wú)顯著相關(guān)性。地上部N、P 和K 元素積累量與株高、莖粗、葉面積、全株生物量、壯苗指數(shù)、值、根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根尖數(shù)間均呈極顯著正相關(guān)。根系N、P 和K 元素積累量與株高、莖粗、葉面積、全株生物量、值、根表面積和根體積呈極顯著正相關(guān),與根直徑呈顯著正相關(guān),而根系N 元素積累量還與壯苗指數(shù)和根尖數(shù)間呈顯著正相關(guān),根系P 元素積累量與根長(zhǎng)呈顯著正相關(guān),根系K 元素積累量還與壯苗指數(shù)和根長(zhǎng)間呈顯著正相關(guān),根系P 元素積累量與壯苗指數(shù)無(wú)顯著相關(guān)性。
表7 黃瓜生長(zhǎng)指標(biāo)和元素積累量及根系激素含量的相關(guān)性分析
根際有益微生物不僅通過(guò)影響根際介質(zhì)結(jié)構(gòu)與肥力,間接影響作物生產(chǎn)過(guò)程,還可通過(guò)定殖于作物根系表面或內(nèi)部,直接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程,實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增產(chǎn)的最終目的(Trivedi et al.,2021)。但不同微生物菌劑的功能、作用方式及其最適作用濃度區(qū)間存在差異,王君正等(2021)研究發(fā)現(xiàn)2.5 × 10CFU · mL甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌或植物乳桿菌菌劑灌根處理可通過(guò)提高基質(zhì)酶活性,加速根際速效養(yǎng)分供給,提高根際有效態(tài)氮等速效養(yǎng)分含量,加速植株對(duì)元素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化和積累,提高養(yǎng)分利用率,進(jìn)而提高黃瓜產(chǎn)量和品質(zhì);Kuramae 等(2020)研究表明在高粱盆栽中接種IAC/BECa135 和152 菌株,增加了植物養(yǎng)分吸收和生長(zhǎng)素信號(hào)傳導(dǎo)能力,進(jìn)而增加了高粱的根和莖生物量;土壤中添加枯草芽孢桿菌可增加根際微生物數(shù)量,促進(jìn)甜瓜株高、莖粗、葉面積增加,進(jìn)而達(dá)到增產(chǎn)效果(黃亞麗 等,2020);利用從黃瓜健康根系土壤中分離菌株研發(fā)的微生物菌劑處理黃瓜植株后,其株高、莖粗和葉綠素含量等指標(biāo)均較對(duì)照顯著提高(呂鵬超 等,2020)。壯苗指數(shù)和值是黃瓜穴盤(pán)育苗的關(guān)鍵指標(biāo),本試驗(yàn)中,與CK 相比,T~T處理顯著提高了黃瓜幼苗的壯苗指數(shù)和值,增幅為3.2%~24.2%和56.1%~75.6%;促進(jìn)作用優(yōu)于低菌劑用量(T),且最大值均出現(xiàn)在T處理,表明施用甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌可顯著促進(jìn)黃瓜幼苗形態(tài)發(fā)育、加速成苗并提高幼苗質(zhì)量,在生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景,其作用效果受劑量效應(yīng)調(diào)控。
微生物菌劑可通過(guò)改善根系構(gòu)型,促進(jìn)植物對(duì)于水分和養(yǎng)分的吸收(陳偉立 等,2016),也可通過(guò)固氮、溶磷、解鉀等途徑來(lái)提高土壤礦質(zhì)元素的可利用性,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的促生效果(Babalola,2010;呂雅悠 等,2016)。Krishnamoorthy 等(2018)發(fā)現(xiàn)多種甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌對(duì)花生根系的生長(zhǎng)均有不同程度的促進(jìn)作用,ZJM-P5 型芽孢桿菌與磷肥互作顯著提升了紅小豆幼苗的主根長(zhǎng)、根表面積和根體積,并且顯著提高了幼苗P 元素含量(楊倩等,2020)。根施巨大芽孢桿菌、多粘性芽孢桿菌及枯草芽孢桿菌均能顯著增加黃瓜植株生物量(季倩茹 等,2020)。本試驗(yàn)結(jié)果與上述研究一致,施用甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌可以通過(guò)改善黃瓜幼苗的根系構(gòu)型,促進(jìn)根長(zhǎng)、根表面積、根直徑、根體積和根尖數(shù)增加,且除T處理外,菌劑處理均顯著促進(jìn)了植株N、P、K 元素積累量和黃瓜幼苗生物量的增加,由相關(guān)性分析可知菌劑一方面通過(guò)改善根系構(gòu)型,另一方面通過(guò)促進(jìn)元素的吸收與積累,進(jìn)而促進(jìn)幼苗對(duì)礦質(zhì)元素的同化利用,促進(jìn)植株的生長(zhǎng)與生物量積累。
根系形態(tài)變化根本上是植物基因型、外界環(huán)境和內(nèi)源激素代謝共同作用的結(jié)果(單立山 等,2017)。王亞楠等(2020)和付嚴(yán)松等(2020)研究表明微生物菌株可分泌植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)或通過(guò)分泌多種信號(hào)物質(zhì)以促進(jìn)植株自身分泌生長(zhǎng)激素來(lái)促其生長(zhǎng)發(fā)育;Rijavec 和Lapanje(2016)研究證實(shí)PGPR 還能產(chǎn)生植物激素、揮發(fā)性化合物等物質(zhì)促進(jìn)植物生長(zhǎng),產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物促進(jìn)根毛發(fā)育并提高根際中磷酸鹽的利用率;Magidin 等(2003)證實(shí)了IAA 能夠促進(jìn)植物細(xì)胞分裂、根的生長(zhǎng)以及根表面積增加;劉莉(2018)研究表明JA 負(fù)調(diào)控?cái)M南芥、向日葵主根的生長(zhǎng);ACC 的產(chǎn)生誘導(dǎo)了乙烯的產(chǎn)生,從而抑制了根系的生長(zhǎng),并且JA和ACC 都可以調(diào)節(jié)IAA 在植物體內(nèi)的積累與分布。研究發(fā)現(xiàn)甲基芽孢桿菌具有合成植物生長(zhǎng)素的能力,并且ACC 可以被含ACC 脫氧酶的PGPR分解,從而減少乙烯含量,促進(jìn)根的伸長(zhǎng)(Glick et al.,1998;Mikrobiologiia et al.,2017)。本試 驗(yàn)結(jié)果表明,施用菌劑后各處理均顯著增加了黃瓜幼苗根系IAA 含量;JA 含量表現(xiàn)為除T和T處理外均顯著增加,且T處理顯著降低,這可能是過(guò)高的IAA 水平抑制了JA 的合成;另外與根系形態(tài)指標(biāo)的變化趨勢(shì)一致,IAA 和JA 含量的最大值分別出現(xiàn)在T和T處理中,而各處理的ACC 含量與CK 處理相比均有降低趨勢(shì),這說(shuō)明菌劑分泌或影響有關(guān)ACC 合成的相關(guān)物質(zhì),根際添加甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌可通過(guò)改變根系內(nèi)源激素水平調(diào)控根系生長(zhǎng)發(fā)育。王歸鵬等(2021)研究表明微生物菌劑能提高葉綠素含量,促進(jìn)光合效率進(jìn)而促進(jìn)植株物質(zhì)積累。本試驗(yàn)中,不同處理的有效活菌濃度對(duì)植株元素吸收的作用效果不同,在低菌劑用量下對(duì)植株元素吸收的作用效果低于高菌劑處理,因此,T~T處理的黃瓜幼苗葉綠素含量表現(xiàn)為先降低再升高的變化趨勢(shì),低菌劑處理的地上部分的光合參數(shù)弱于高菌劑處理,但具體機(jī)制有待進(jìn)一步研究。上述結(jié)果表明甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌一方面通過(guò)促進(jìn)根系內(nèi)源激素分泌,進(jìn)而促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育,增加水分及養(yǎng)分吸收與元素積累量;另一方面,通過(guò)增加葉綠素含量提高植物光合作用,促進(jìn)光合產(chǎn)物及生物量積累,最終實(shí)現(xiàn)形態(tài)指標(biāo)、壯苗指數(shù)和值協(xié)同提高,達(dá)到促生壯苗作用。
①育苗基質(zhì)中添加適量的甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌(5 × 10CFU · g),在黃瓜穴盤(pán)育苗過(guò)程具有顯著的促生壯苗功能。
② 施用適量菌劑后,可顯著提高黃瓜幼苗根系內(nèi)源IAA、JA 和葉片葉綠素含量,促進(jìn)根系的生長(zhǎng),提高幼苗整株生物量及N、P、K 元素積累量,進(jìn)而達(dá)到促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)發(fā)育,培育壯苗的目的。
③綜合不同菌劑用量的作用效果和生產(chǎn)成本,在黃瓜穴盤(pán)育苗生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中,推薦向基質(zhì)內(nèi)按15 kg · m用量添加甲基營(yíng)養(yǎng)型芽孢桿菌菌劑。