甜高粱根际溶磷菌溶磷能力及菌株特性研究

雷学军，吴毅，黄馨，蔡建波，李卓，吴林世

（1．中南林业科技大学碳循环研究中心，湖南 长沙410004；2．湖南绿心农林科技有限公司，湖南 长沙410117）

磷素是作物生长发育、产量与品质形成必不可少的大量营养元素，作物吸收的磷素主要来自土壤，而土壤中95%以上的磷为植物难以直接吸收利用的无效形式，因此，磷素常成为限制作物生长与产量的主要元素之一［1－3］。全世界约有43%的耕地、我国约有74%的耕地土壤缺磷，2／3的农田严重缺磷［4－5］，常通过集中施肥或者增加施肥量以弥补磷素的供应，研究发现，施磷可提高玉米（Zeamays）产量12．20%～20．76%［6］，提高大豆（Glycinemax）产量1．78～2．43倍［7］，提高大豆蛋白质含量8%［8］，具有较明显的改善作物经济产量品质的效应。但施入土壤中的磷肥，植物当季的利用率仅为5%～25%，肥料中70%以上的水溶性磷与土壤中的铁、铝等金属元素及钙离子结合，转化为难溶性磷酸盐［3］，进一步削弱了肥料的效力，因此，科技工作者开始将目光聚焦于作物的根际土壤，它们存在着大量的溶磷微生物，能够将难溶性的磷酸盐转化为可溶态，将不可利用的磷素直接供应到作物的根系，而且部分微生物还能分泌生长调节物质，这些生长调节物质能够直接促进作物生长，因此，开展作物根际溶磷微生物的研究与应用具有重要的现实意义，目前，国内外对于作物根际溶磷微生物已经有零星报道［9－10］，这些报道多集中在功能微生物资源的筛选鉴定，菌肥菌剂的研制方面，菌肥菌剂对作物的促生效应也有所涉及，如Hariprased和Niranjana［11］就开展了相关研究，在甜高粱（Sorghumbicolor）方面的研究较少。

甜高粱为禾本科（Gramineae）高粱属（Sorghum）一年生草本植物，是一种糖类生物质原料，属高光效C4植物，是粒用高粱的一个变种，具有生长快，产量高，抗逆性强的特点。因耐旱、耐涝、耐瘠薄、耐盐碱而有“骆驼作物”之称，从黑龙江到海南岛，从东海之滨到塔里木盆地都可以生长，特别适合于在低质土地上种植［12－14］。该研究是从甜高粱健康植株根际土壤中分离溶磷菌，研究它们的溶磷能力与菌株特性，希望从中筛选出优良菌株，以期为甜高粱生产中磷素的高效供应提供理论基础与技术依据，为研制高效溶磷生物菌肥提供科学支撑。

1 材料与方法

1．1 采样地概况

采样地位于湖南长沙中南林业科技大学植物园种植基地内（28°08′N，112°59′E），海拔87～98m之间。属亚热带季风湿润气候，年平均气温16．9℃，年降水量1400mm，年均日照时数为1726h，无霜期279d左右。年蒸发量1261～1388mm，相对湿度70%～74%。地带性植被为常绿阔叶林。地貌类型以岗地为主，坡度20°～35°。起伏平缓，相对高差10～20m，土壤类型为典型的第四纪网纹红壤，地带性植被为常绿阔叶林。

1．2 土壤样品的采集

随机选择5块标准地，以5点取样法取附着于甜高粱健康根系的根际土壤，按常规方法混合后装入无菌封口袋，低温保存后带回实验室进行溶磷菌分离。

1．3 溶磷菌的分离纯化、溶磷能力及菌株特性的测定

将甜高粱根际土壤，利用蒙金娜无机培养基进行分离［9］，待菌落长出后，挑取具有溶磷菌特征的单个菌落纯化并保存在LB试管斜面中（4℃）。将培养基上生长的菌株，置于28℃培养箱中培养10d，测定其溶磷圈直径（D）与菌落直径（d），根据D／d值初步评估其溶磷性能。溶磷菌溶磷量的定量测定、分泌IAA生长素的定性测定与分泌IAA能力的定量测定分别参考文献［9］进行。

1．4 统计分析

采用 Microsoft Excel 2003与 SPSS 17．0进行统计分析。

2 结果与分析

2．1 甜高粱根际溶磷菌的分离与筛选

从甜高粱健康根系的根际土壤共分离出无机磷菌株12株，根据溶磷圈直径（D）与菌落直径（d）的比值（D／d）这种表征溶磷菌溶磷能力的指标进行初步筛选，将D／d值小于1．50淘汰，共获得5株高效菌株，5株菌株菌落周围出现了明显的透明圈，D／d值趋于稳定，范围在1．53～4．25之间，初步确定 WD20、WD51菌株溶磷效果比较好，D／d值均大于2．00（表1）。研究中的D／d值与赵小蓉等［10］测得假单胞菌属的D／d值相仿。

2．2 甜高粱根际溶磷菌溶磷力测定

5个菌株均具有溶磷能力，各菌株溶磷量存在显著差异，其溶解磷酸钙增量在107．26～233．95μg／mL之间，相比而言，WD51菌株的溶磷量较强，最高达到233．95μg／mL；WD37菌株溶磷能力较弱，差异达显著水平（P＜0．05）。定性定量测定结果表明，液体振荡培养条件下，同一菌株，并不是D／d值越大，溶磷量就越高。固体培养基上 WD20D／d值最高（4．25），溶磷量为186．65μg／mL，WD51D／d值为2．05，溶磷能力最高（表2）。这与李玉娥等［15］在苜蓿（Medicagosativa）根际溶磷菌研究中所得的结果一致。

2．3 甜高粱根际溶磷菌分泌生长素的能力

对分离筛选出的5株溶磷能力较强的溶磷菌，进行IAA分泌能力的测定，结果显示，不同菌株分泌的IAA浓度差异比较大，定性检测各供试菌株分泌IAA结果显示，菌株 WD29显色反应不太明显，菌株 WD20显色反应为深粉红色，菌株 WD51、WD14、WD37为粉红色。定量测定发现，IAA分泌量在15．23～27．79 μg／mL之间（表2），各个菌株间分泌IAA量差异均达到极显著水平（P＜0．01），分泌IAA量最大的菌株WD20与最小的菌株WD29，差值可达12．56μg／mL，而且各菌株分泌IAA的定性与定量测定结果总趋势相一致。

表1 甜高粱根际溶磷菌的特征分析Table 1 Strain characters of different phosphate－solubilizing bacteria on S． bicolor

表2 甜高粱根际溶磷菌溶磷量与IAA分泌量分析Table 2 Capacity of phosphate dissolving and IAA secretion of different strains on S． bicolor

2．4 不同溶磷菌对甜高粱生长的影响

2．4．1 不同溶磷菌对甜高粱株高的影响 从图1可知，甜高粱植株的生长量因接种不同溶磷菌而发生了改变，无论第1茬还是第2茬，接种溶磷菌加快了甜高粱的生长，WD51、WD20与WD51＋WD20接种植株株高显著高于对照（P＜0．05），接种第1茬的株高生长优于第2茬。第1茬各处理（WD51、WD20与 WD51＋WD20）株高较对照分别增加27．67%，17．77% 和32．85%；第2茬增加幅度在24．59%～39．85%之间。2种菌株组合的接种处理与单一最好菌株（WD51）对甜高粱株高增加效果接近，要想评估是否具备协同增效的作用，还需进一步的验证。其余接种植株株高与对照差异不显著。

2．4．2 不同溶磷菌对甜高粱茎粗的影响 从图2可知，溶磷菌对甜高粱茎粗影响明显，第1茬中各处理（WD51、WD20与 WD51＋WD20）较对照分别增粗123．28%，57．31% 和164．78%；第2茬较对照分别增粗134．93%，99．16% 和199．16%。2茬的增粗效果都很明显，但增粗效果具有差异，接种菌株WD20甜高粱茎粗的影响不及另外2个处理，相对于第1茬，第2茬的增粗状况均呈下降趋势，但WD51＋WD20的降幅最小，说明2种菌株复合作用，可以达到协同增效。WD29、WD37和WD14处理对甜高粱茎粗的影响与对照的差异不显著，三处理之间也没有明显差异。

图1 不同溶磷菌对甜高粱株高的影响Fig．1 Effect of different phosphorus－solubilizing bacteria on S． bicolor height

图2 不同溶磷菌对甜高粱茎粗的影响Fig．2 Effect of different phosphorus－solubilizing bacteria on S． bicolor stem diameter

2．4．3 不同溶磷菌对甜高粱干重的影响 从图3可知，接种菌株对甜高粱干重影响较大，相比对照，各处理在2茬中干重都高于对照。第1茬 WD51、WD20与 WD51＋ WD20处理较对照分别增加27．67%，17．77%和32．85%；第2茬则分别增加44．37%，31．56%和55．32%。可见，溶磷菌对甜高粱干重影响明显。2种菌株复合作用，也可以达到协同增效。WD29、WD37和WD14处理的甜高粱干重也显著高于对照，但三者之间差异不显著。

图3 不同溶磷菌对甜高粱干重的影响Fig．3 Effect of different phosphorus－solubilizing bacteria on S． bicolor dry weight

3 讨论与结论

甜高粱是我国农业生态系统重要组成部分，对于维持农业生态系统结构与功能稳定具有重要意义。本试验证实了根际促生菌可以影响甜高粱的生长与生物质的累积，揭示了根际促生菌在甜高粱栽培生态中的潜在作用。研究结果为应用根际促生菌促进作物科学管理提供了理论依据。

本研究结果表明，甜高粱接种根际促生菌可明显提高植株对各种磷源的吸磷量，进而促进作物的生长，这与很多研究结果相一致。不同菌株能够改善作物的养分累积量，且对于甜高粱的生长与干物质的累积具有一定的增长效应，总趋势基本一致。试验通过溶磷圈法，筛选出溶磷菌12株，测定其D／d值筛选出5株溶磷效果显著的菌株，采用钼锑抗比色法测定溶磷能力及分泌生长素（IAA）特性。筛选的菌株分解磷酸钙的能力存在显著差异，溶磷量在107．26～233．95μg／mL之间，各菌株均具有分泌IAA能力，IAA分泌量在15．23～27．79μg／mL之间，接种溶磷菌后甜高粱株高、茎粗、干重都比对照提升明显。

甜高粱具有生长快、产量高、抗逆性强的特点，已成为重要的糖类生物质原料，其生长发育、产量与品质形成的过程中，磷素的供应是决定产量的关键因素，通过集中施用磷肥（化学肥料）可以弥补土壤磷素含量不高这一局限，但化学肥料的不当施用容易使土壤中残留大量的磷素，不仅浪费资源，而且对地下、地上水体构成威胁，污染了环境。基于作物根际微生物的菌肥是一种环境友好型肥料，是未来精确农业可持续发展的重要方向之一［16－19］。该研究是从甜高粱根际表土中分离筛选出的溶磷菌，菌株WD51与WD20两种不仅具有较强的溶磷能力，还具有分泌IAA的特性，可作为研制微生物肥料的优良菌株，以期为甜高粱生产中磷素的高效供应提供理论依据和技术支撑，为研制高效溶磷生物菌肥提供科学依据。

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