霍雪雪,張豪,黃艷華,李哲,鄭澤慧,郝永任,王慶玲,郭凱,2
(1. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)生物研究所,山東 濟(jì)南 250014;2. 山東師范大學(xué)環(huán)境與生態(tài)研究院,山東 濟(jì)南 250358)
近年來,全球土壤的鹽漬化程度不斷加劇,如何有效利用鹽堿地已經(jīng)成為全世界的熱點(diǎn)問題[1]。鹽堿地的共性是土壤有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)成分低、理化性狀不良、微生物活動(dòng)受限、無法維持植物健康生長(zhǎng),嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。施用生物有機(jī)肥可以提高土壤肥力,改善土壤結(jié)構(gòu),降低毛細(xì)水的運(yùn)移速度,減少水分的無效蒸發(fā),有明顯的抑制返鹽效果。施用生物有機(jī)肥還能增加土壤有效鈣的含量,同時(shí)微生物分解有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生的有機(jī)酸也能活化土壤吸附的鈣,增強(qiáng)土壤中吸附鈉的置換,導(dǎo)致脫鹽脫堿。因此,開發(fā)一種鹽堿地區(qū)適宜的生物有機(jī)肥,是加速鹽堿地土壤改良的有效途徑。生物有機(jī)肥發(fā)揮作用的核心是具有特定功能的微生物。針對(duì)鹽堿地的特點(diǎn),篩選能夠耐受鹽堿環(huán)境的功能微生物,是決定生物有機(jī)肥有效性的關(guān)鍵。
木霉菌(Trichodermaspp.)是廣泛分布于自然界中的有益真菌,是工業(yè)上重要的酶制劑生產(chǎn)菌株,是土壤環(huán)境中有毒物質(zhì)的降解菌株,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的植病生防菌株,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域均有著廣泛應(yīng)用[3]。研究發(fā)現(xiàn),木霉可以通過誘導(dǎo)抗氧化酶活性[4]、降低鹽脅迫導(dǎo)致的脂質(zhì)過氧化[5]、增強(qiáng)植物的光合作用[6]等方式來提高植物耐鹽性。此外,木霉還可以提高植物在鹽堿環(huán)境下的抗病能力[7]。綠色木霉是兼具促生和生防功能的有益真菌,可定殖于植物根際形成共生體,一定程度上增加植物根系養(yǎng)分吸收利用率、促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量及誘導(dǎo)植物增強(qiáng)抗逆性等[8]。但目前篩選獲得的耐鹽堿綠色木霉菌株種類有限,進(jìn)一步篩選出具有抗逆、促生和增產(chǎn)等多方面功能的綠色木霉具有重要意義。
因此,本研究對(duì)本單位前期篩選獲得的一株綠色木霉(Trichoderma viride)Tv-1511 進(jìn)行耐鹽性分析,探究其提高植物耐鹽性的機(jī)制,同時(shí)結(jié)合Tv-1511 生物有機(jī)肥對(duì)濱海鹽堿地作物產(chǎn)量的影響,評(píng)價(jià)其應(yīng)用于提高植物耐鹽和鹽土改良的可行性,以期為木霉類生物有機(jī)肥的推廣應(yīng)用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù),為濱海鹽堿地開發(fā)提供技術(shù)支持。
供試菌株:綠色木霉菌(Trichoderma viride)Tv-1511,齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)生物研究所保存。
供試作物:小麥品種濟(jì)麥22,由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所選育;玉米品種華農(nóng)138 號(hào),購(gòu)自北京華農(nóng)偉業(yè)種子科技有限公司。
供試培養(yǎng)基:馬鈴薯葡萄糖瓊脂(PDA)固體培養(yǎng)基、馬鈴薯葡萄糖(PDA)液體培養(yǎng)基。
田間示范試驗(yàn)地:土壤有機(jī)質(zhì)含量為0.61%~1.01%,且高鉀低氮低磷;pH 值偏堿性,高于8.0;鹽分含量0.3%~0.6%,屬于中重度鹽漬化土。
供試木霉生物有機(jī)肥:由金星(日照)農(nóng)業(yè)科技有限公司提供,按生物有機(jī)肥[以尾菜和玉米秸稈為原料,經(jīng)過高溫發(fā)酵生產(chǎn)而得,徹底腐熟后含水量≤30%、有機(jī)質(zhì)≥45%、全氮4%、全磷(P2O5)4%、全鉀(K2O)2%、硫酸鋅(ZnSO4)0.05%、游離氨基酸(amino acid)1%]干重的5%添加木霉固體發(fā)酵物制成,木霉孢子數(shù)量為2×108cfu/g。
1.2.1 綠色木霉Tv-1511 耐鹽性評(píng)價(jià)試驗(yàn) 用打孔器在菌落邊緣取直徑為5 mm 的綠色木霉Tv-1511 菌塊,分別接種于NaCl 濃度為0、100、200、300 mmol/L 和400 mmol/L 的PDA 平板上,倒置于28℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每天測(cè)定Tv-1511 生長(zhǎng)圈的半徑,掃描生長(zhǎng)圈的形態(tài)和大小。
1.2.2 小麥水培試驗(yàn) 取小麥種子進(jìn)行催芽育苗,待長(zhǎng)出3 片葉時(shí)移至水培裝置。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),分別以不同濃度(0、100、200 mmol/L)NaCl 溶液和不同濃度(0、105cfu/mL)Tv-1511 孢子液兩兩組合,共計(jì)6 個(gè)處理,分別記為CK: 對(duì)照(0 mmol/L NaCl);Tv-1511:105cfu/mL 孢子液處理;S: 100 mmol/L NaCl 處理;S+Tv-1511: 100 mmol/L NaCl 和105cfu/mL 孢子液處理;SS: 200 mmol/L NaCl 處理;SS +Tv-1511: 200 mmol/L NaCl 和105cfu/mL 孢子液處理。每處理3 盆,每盆小麥4 株,重復(fù)3 次。
分別于處理0、7、14、21 d 進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)(株高、根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬)測(cè)定;處理21 d 后進(jìn)行生物量(干重、鮮重)、光合色素含量(葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素)、過氧化氫(H2O2)含量和抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT)的測(cè)定。
1.2.3 木霉生物有機(jī)肥大田試驗(yàn) 試驗(yàn)在黃河三角洲農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)中進(jìn)行,2018年10月至2019年6月種植小麥, 2019年6月至2019年11月種植玉米。以不施肥(CK)和常規(guī)施肥(CF)為對(duì)照,設(shè)置木霉Tv-1511 生物有機(jī)肥替代15%、30%和100%化肥處理,分別記為T1、T2 和T3。隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3 次。小區(qū)面積160 m2。所有處理按當(dāng)?shù)厥┓史绞剿桊B(yǎng)分統(tǒng)一施肥,常規(guī)管理。
1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 株高:測(cè)定莖基部到葉片自然伸展時(shí)的最高處;葉長(zhǎng):測(cè)定第3 片葉(從上向下)葉基到葉尖的長(zhǎng)度,不含葉柄;葉寬:測(cè)定第3片葉(從上向下)上與主脈垂直方向上的最寬處;莖粗:用游標(biāo)卡尺測(cè)定距莖基部2 cm 處的直徑;根長(zhǎng):測(cè)定主根長(zhǎng)度。
1.3.2 生物量 取植株鮮樣用蒸餾水沖洗干凈,然后用吸水紙吸干表面水分,將植株分為地上和地下兩部分,分別稱鮮重;將地上和地下部分開放入烘箱中105℃烘15 min,之后65℃烘干至恒重,稱干重。
1.3.3 光合色素含量 每株從上至下選取第3片完全展開葉進(jìn)行光合色素測(cè)定。取新鮮葉片0.05 g用95%乙醇中避光萃取48 h,至葉片發(fā)白。取萃取液以95%乙醇稀釋5 倍后分別于665、649 nm 和470 nm 波長(zhǎng)下進(jìn)行比色,計(jì)算葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素的含量[9]。
1.3.4 過氧化氫含量和抗氧化酶活性 過氧化氫含量采用過氧化氫測(cè)定試劑盒測(cè)定(A064-1,比色法)。SOD 活性采用總超氧化物歧化酶(TSOD)測(cè)試盒(A001-1,羥胺法) 檢測(cè),POD 活性采用過氧化物酶(POD)測(cè)試盒(A084-3,比色法,南京建成科技有限公司) 檢測(cè),CAT 活性采用過氧化氫酶(CAT)測(cè)試盒(A007-1,可見光法) 檢測(cè)。以上試劑盒均購(gòu)自南京建成科技有限公司,試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照試劑盒說明書操作。
1.3.5 產(chǎn)量 小麥成熟后,每小區(qū)隨機(jī)選取3 個(gè)1 m2樣方全部收獲,脫粒曬干后稱重計(jì)產(chǎn),然后換算成含水量13%的單位面積產(chǎn)量。玉米成熟后,每小區(qū)隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的2 壟玉米收獲,脫粒曬干后稱重計(jì)產(chǎn),然后換算成含水量為14%的單位面積產(chǎn)量。
所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行統(tǒng)計(jì),采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及顯著性分析。
由圖1 看出,不同濃度NaCl 處理對(duì)木霉Tv-1511 菌株生長(zhǎng)有不同程度的影響。隨著NaCl 濃度的升高,Tv-1511 生長(zhǎng)速率呈降低趨勢(shì),且隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng),影響效果也呈降低趨勢(shì)。當(dāng)NaCl濃度為400 mmol/L 時(shí),培養(yǎng)24、48、72、96 h 和120 h 的對(duì)照菌落半徑是處理菌株的2.61、2.26、2.06、1.92 倍和1.87 倍,Tv-1511 表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鹽性。
圖1 不同濃度NaCl 溶液對(duì)綠色木霉Tv-1511 菌株生長(zhǎng)的影響
由圖2 看出,正常生長(zhǎng)條件下(0 mmol/L NaCl),綠色木霉Tv-1511 處理小麥各生長(zhǎng)指標(biāo)均高于CK,呈現(xiàn)一定的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì);鹽脅迫條件下,Tv-1511 處理小麥生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)更為明顯。正常生長(zhǎng)條件下Tv-1511 處理21 d 時(shí)小麥株高、根長(zhǎng)、葉長(zhǎng)和莖粗是CK 的1.20、1.22、1.17 倍和1.21 倍,而在200 mmol/L NaCl 脅迫下,Tv-1511 處理21 d時(shí)小麥幼苗相應(yīng)生長(zhǎng)指標(biāo)是未處理組的1.25、1.38、1.29 倍和1.33 倍,其中根長(zhǎng)增加最為顯著。因此,綠色木霉Tv-1511 可以促進(jìn)小麥生長(zhǎng),且鹽脅迫下效果更為顯著。
圖2 Tv-1511 孢子液對(duì)鹽脅迫下小麥生長(zhǎng)的影響
分析綠色木霉Tv-1511 對(duì)鹽脅迫下小麥生物量的影響,結(jié)果(表1)表明,各鹽濃度下Tv-1511 處理小麥植株鮮重和干重均顯著高于各自未處理組(P<0.05),且促進(jìn)效果與生長(zhǎng)指標(biāo)一致。與未用Tv-1511處理的小麥相比,Tv-1511處理小麥植株地下部鮮重和干重分別增加27.03%和28.57%,而200 mmol/L NaCl 處理后,相應(yīng)的增長(zhǎng)量變?yōu)?9.54%和38.46%。因此,綠色木霉Tv-1511 可以促進(jìn)小麥生物量積累,而且鹽脅迫條件下表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢(shì)。
表1 Tv-1511 孢子液對(duì)鹽脅迫下小麥生物量的影響
由圖3 看出,隨著鹽濃度的增加,Tv-1511 處理組和未處理組小麥葉片的光合色素含量均有所下降,但相同濃度NaCl 處理下,Tv-1511 處理組的光合色素含量均顯著或極顯著高于未處理組(P<0.05 或P<0.01)。其中,Tv-1511 處理組的葉綠素a 含量是未處理組的1.93 倍(100 mmol/L NaCl)和2.33 倍(200 mmol/L NaCl);葉綠素b 含量是未處理組的1.88 倍(100 mmol/L NaCl)和2.14倍(200 mmol/L NaCl);類胡蘿卜素含量是未處理組的1.76 倍(100 mmol/L NaCl)和2.18 倍(200 mmol/L NaCl)。因此,綠色木霉Tv-1511 可以通過增加小麥葉片的光合色素含量來促進(jìn)光合作用,并且在鹽脅迫下這一效果更為明顯。
圖3 Tv-1511 孢子液對(duì)不同濃度鹽脅迫下小麥光合色素含量的影響
由圖4 看出,在正常生長(zhǎng)(0 mmol/L NaCl)條件下,Tv-1511 處理組表現(xiàn)出與未處理組同等水平的H2O2含量;鹽脅迫處理后,H2O2含量均增加,且相同濃度NaCl 處理下,Tv-1511 處理的H2O2含量極顯著低于未處理組(P<0.01)。與未用Tv-1511處理的小麥幼苗相比,Tv-1511 處理組的H2O2含量分別降低23.10%(100 mmol/L NaCl)和36.48%(200 mmol/L NaCl)。
圖4 Tv-1511 孢子液對(duì)鹽脅迫下小麥H2O2含量和抗氧化酶活性的影響
正常生長(zhǎng)條件下,Tv-1511 處理組和未處理組小麥幼苗的抗氧化酶活性無顯著性差異;鹽脅迫處理后,Tv-1511 處理組小麥的CAT、SOD 和POD 活性顯著或極顯著高于未處理組(P<0.05或P<0.01)。在正常生長(zhǎng)條件下,Tv-1511 處理組小麥CAT、SOD 和POD 活性是未處理組的1.13、1.08倍和1.08倍;而在200 mmol/L NaCl 脅迫下,相應(yīng)的抗氧化酶活性是未處理組的1.26、1.31 倍和1.36 倍。因此,綠色木霉Tv-1511 可以通過增強(qiáng)抗氧化酶活性提高小麥耐鹽性。
2.5.1 對(duì)小麥和玉米生長(zhǎng)的影響 由圖5 看出,與不施肥CK 和常規(guī)施肥CF 相比,T1、T2 和T3處理均能促進(jìn)小麥和玉米生長(zhǎng)。其中,T1、T2、T3處理小麥、玉米(拔節(jié)期)株高分別是CK 的1.17、1.21、1.13 倍和1.41、1.64、1.29 倍,是CF 的1.07、1.10、1.03 倍和1.20、1.39、1.10 倍。相比各施肥處理,T2 處理的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)最為顯著(P<0.05)。與CF 相比,T2 處理小麥、玉米的莖粗、葉長(zhǎng)、葉寬分別增加4. 58%、 31. 64%、 17. 88% 和21.14%、25.33%、27.52%。因此,木霉Tv-1511 生物有機(jī)肥可以促進(jìn)鹽堿地小麥和玉米生長(zhǎng),且以生物有機(jī)肥替代30%化肥處理促生效果最為顯著。
圖5 不同施肥處理對(duì)小麥和玉米生長(zhǎng)的影響
2.5.2 對(duì)小麥和玉米產(chǎn)量的影響 由表2 看出,與不施肥CK 相比,T1、T2、T3 處理小麥產(chǎn)量分別增加43.99%、62.90%和35.45%;與常規(guī)施肥CF相比,T1、T2、T3 處理小麥產(chǎn)量分別增加18.95%、34.57%和11.90%。
木霉Tv-1511 生物有機(jī)肥施肥處理也顯著提高玉米產(chǎn)量(表2、圖6)。與CK 相比,T1、T2和T3 處理分別增產(chǎn)61.74%、71.76%和42.00%;與CF 相比,T1、T2 和T3 處理分別增產(chǎn)31.54%、39.69%和15.48%,差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。因此,木霉Tv-1511 生物有機(jī)肥可以增加鹽堿地小麥和玉米產(chǎn)量,且以替代30%化肥的增產(chǎn)效果更為顯著。
圖6 不同處理收獲的玉米果穗
表2 不同施肥處理小麥和玉米產(chǎn)量
高鹽環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育,是造成植物減產(chǎn)或死亡的主要因素之一。利用植物與根際土壤微生物的共生關(guān)系,可促進(jìn)植物對(duì)生物和非生物的耐受性,緩解鹽脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)造成的不利影響[10]。木霉菌是自然界廣泛分布的多功能有益真菌,是土壤微生物的重要組成部分。研究發(fā)現(xiàn),木霉菌可以通過調(diào)控植物根系發(fā)育[11]、改變植物激素水平[12]、改善植物營(yíng)養(yǎng)狀況[13]等減輕鹽脅迫對(duì)植物的不利影響,誘導(dǎo)植物產(chǎn)生對(duì)鹽脅迫的耐受性。本研究中,前期篩選獲得的一株綠色木霉Tv-1511 的孢子液對(duì)小麥生長(zhǎng)和生物量均有一定的促進(jìn)作用,且鹽脅迫下效果更為顯著。此外,木霉還可以降低葉綠素的分解,增強(qiáng)植物在鹽脅迫下的光合作用。Oljira等[6]研究發(fā)現(xiàn),木霉可以緩解鹽脅迫對(duì)小麥光合作用的抑制,提高小麥葉片的葉綠素含量和凈光合速率;Soliman 等[14]研究發(fā)現(xiàn),木霉提高鹽脅迫下南瓜葉片的光合色素含量,增強(qiáng)光合作用強(qiáng)度。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,綠色木霉Tv-1511 能夠顯著增加鹽脅迫條件下小麥葉片的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量,說明Tv-1511 可以緩解鹽脅迫對(duì)光合作用的抑制,提高鹽脅迫條件下小麥的光合作用強(qiáng)度。
鹽脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞中活性氧和自由基的大量積累,對(duì)細(xì)胞造成嚴(yán)重的氧化損傷。植物的抗氧化系統(tǒng)可以清除這些自由基和活性氧,促進(jìn)細(xì)胞對(duì)鹽脅迫的耐受性。趙忠娟等[15]研究發(fā)現(xiàn),木霉可以通過增加SOD、CAT 和POD 等抗氧化酶的活性,有效緩解鹽脅迫對(duì)植物的膜脂過氧化程度;Boamah 等[4]研究發(fā)現(xiàn),除酶促防御系統(tǒng)外,木霉還可以通過激活非酶促抗氧化系統(tǒng)(抗壞血酸、還原性谷胱甘肽、類黃酮、生物堿、類胡蘿卜素)來清除過多的活性氧,使植物抗氧化能力和耐鹽性顯著增加。與上述研究結(jié)果一致,本研究發(fā)現(xiàn)綠色木霉Tv-1511 處理小麥幼苗鹽脅迫條件下的H2O2含量明顯低于對(duì)照,抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性明顯高于對(duì)照,說明Tv-1511 能夠通過抗氧化防御途徑增強(qiáng)小麥的耐鹽性。本研究結(jié)果對(duì)開發(fā)和利用耐鹽高效木霉菌株具有重要的理論和生產(chǎn)意義。
木霉對(duì)植物的解鹽促生作用與植物生長(zhǎng)基質(zhì)有密切的關(guān)系。在缺少基質(zhì)的情況下,木霉會(huì)受到土壤理化性質(zhì)的影響,很難成功定殖并大量繁殖。有機(jī)肥是改良鹽堿地的優(yōu)良材料,木霉菌能夠以有機(jī)肥為載體,快速占據(jù)優(yōu)勢(shì)生態(tài)位,有效發(fā)揮解鹽促生作用[16,17]。肥料主要有無機(jī)、有機(jī)、生物三大類,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,既能單獨(dú)施用,也能混合施用。田家明等[18]對(duì)比了基施不同量生物有機(jī)肥(0、3 000、6 000、9 000 kg/hm2)對(duì)鹽脅迫下花生生長(zhǎng)發(fā)育的影響,發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥用量為6 000 kg/hm2時(shí)促生增產(chǎn)效果最佳;趙政等[19]研究發(fā)現(xiàn),與等養(yǎng)分的100%化肥相比,普通有機(jī)肥或木霉孢子液灌根配施會(huì)降低番茄產(chǎn)量,而木霉生物有機(jī)肥與化肥配施,可顯著提高番茄品質(zhì)和產(chǎn)量,長(zhǎng)期施用還可提高土壤微生物數(shù)量、改善土壤肥力;Jiang 等[20]研究發(fā)現(xiàn),生物有機(jī)肥可以顯著改善鹽堿地的微生物區(qū)系,但過多的肥料施入,特別是化肥,反而會(huì)抑制微生物的活性。因此,有必要對(duì)鹽堿地施肥種類與數(shù)量,比如生物有機(jī)肥與化肥的配比等開展研究。于亞楠等[21]對(duì)木霉生物有機(jī)肥與化肥應(yīng)用于濱海鹽土的最優(yōu)配比進(jìn)行了探究,發(fā)現(xiàn)60%木霉生物有機(jī)肥與40%化肥配施為最優(yōu);李瑞霞等[22]研究發(fā)現(xiàn),減施25%化肥同時(shí)配施木霉生物有機(jī)肥,可通過調(diào)控土壤養(yǎng)分有效性、土壤微生物區(qū)系和土壤酶活性來改善鹽土的可耕種性,從而提高番茄的產(chǎn)量和品質(zhì);王歡[23]研究發(fā)現(xiàn),減施30%化肥同時(shí)配施木霉生物有機(jī)肥能夠緩解土壤鹽脅迫,增加土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷含量,改善鹽土黃瓜果實(shí)品質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn),與不施肥和常規(guī)施肥相比,Tv-1511 生物有機(jī)肥替代15%、30% 和100%化肥均可顯著促進(jìn)玉米、小麥的生長(zhǎng)及產(chǎn)量的增加,說明養(yǎng)分并不是影響鹽堿地植株生長(zhǎng)發(fā)育的唯一因素,這與王福友等[24]的研究結(jié)果一致。其中,Tv-1511 生物有機(jī)肥替代30%化肥的促生增產(chǎn)效果最佳,這一比例的生物有機(jī)肥與化肥協(xié)同作用,顯著促進(jìn)了小麥和玉米在鹽堿地中的生長(zhǎng),提高產(chǎn)量。本研究結(jié)果可為木霉類生物有機(jī)肥的推廣應(yīng)用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。