褐球固氮菌对干旱胁迫下小麦幼苗生长的影响

2022-03-06葛红莲刘中华张福丽

周口师范学院学报 2022年5期

葛红莲，刘中华，张福丽

(周口师范学院生命科学与农学学院，河南周口466001)

干旱是影响冬小麦生长和产量的主要自然灾害之一[1-4]。干旱胁迫抑制小麦的生长发育，并干扰小麦的生理代谢，降低叶绿素含量，减弱光合作用[2-4]；同时诱导小麦植株内活性氧自由基(ROS)的过量产生与积累，对植株造成氧化损伤，引起膜脂的过氧化和MDA含量增加，破坏细胞膜结构，造成小麦植株生长与发育受到抑制，导致小麦产量下降[3-4]。因此，提高小麦的抗干旱能力对提高小麦产量和国家的粮食生产具有重要意义。

近年来，许多研究通过植物基因工程技术转入外源抗干旱基因[5-6]和接种有益微生物菌剂来提高植物的抗旱能力[7-10]。有益微生物具有固氮、溶磷和溶钾作用以及产生嗜铁素、吲哚-3-乙酸(IAA)、1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶、抗生素、5-氨基乙酰丙酸(ALA)等促生因子，对植物具有促生抗逆的作用[7-17]。Naveed等[7]用伯克霍尔德氏菌(Burkholderiaphytofirmans)PsJN接种干旱胁迫下的小麦幼苗，提高了小麦幼苗的干重、叶绿素含量、水分利用率和抗氧化酶活性，增强了小麦植株的抗旱能力。赵慧云等[8]用枯草芽孢杆菌处理干旱胁迫下的小麦幼苗，显著提高了幼苗的根系活力、叶绿素和脯氨酸含量，明显降低了相对电导率和丙二醛含量，缓解了干旱对幼苗生长的抑制作用。Timmusk 等[9]用苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)AZP2和多粘类芽孢杆菌(Paenibacilluspolymyxa)B接种干旱胁迫下的小麦幼苗，显著促进了幼苗的生长，提高了抗氧化酶活性，缓解了干旱胁迫下ROS对小麦造成的伤害。不同的微生物对植物的促生能力与促生机制不同，本研究采用褐球固氮菌AC17处理干旱胁迫下的小麦幼苗，测定小麦幼苗的生长和生理指标，研究褐球固氮菌AC17菌株对干旱胁迫下小麦幼苗生长的影响，为AC17菌株作为菌肥的进一步开发应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

褐球固氮菌AC17菌株(AzotobacterchroococcumAC17)是采用阿须贝无氮培养基从小麦根际分离筛选的菌株，该菌株具有固氮和溶磷作用，并能产生IAA，被保存于周口师范学院生命科学与农学学院微生物学实验室；供试小麦品种为周麦18。

1.2 AC17菌液的制备

AC17菌株被接种于阿须贝无氮液体培养基中，30 ℃、180 r/min摇床培养2天，用波长600 nm的分光光度计测定培养基中AC17菌株的浓度, 然后用无菌水将菌液浓度稀释为108CFU/mL。

1.3 试验设计

根据查阅的文献[2-4]和预实验，1/3 Hoagland 营养液+20%聚乙二醇6000对小麦幼苗生长影响显著，所以采用20%聚乙二醇6000模拟干旱胁迫。

将小麦种子用70%乙醇消毒1分钟，然后用1%次氯酸钠消毒10分钟，最后用无菌水清洗3-4次。消毒后的种子置于铺有湿滤纸的培养皿中，于光照培养箱(28 ℃，光照14 h/d)内培养3天，然后培养在含有2500 mL 1/3 Hoagland 营养液育苗盘(规格为30 cm×20 cm×5 cm)中，置于光照培养箱内培养，光照时间为16 h/d、昼夜温度28 ℃、相对湿度70%。待小麦幼苗生长至两叶期时，试验分4组处理：(1)对照组(CK)：1/3 Hoagland 营养液；(2)干旱胁迫组(DS)：1/3 Hoagland 营养液+20% PEG-6000(w/v)；(3) AC17组：1/3 Hoagland 营养液+10 mL 108CFU/mLAC17菌液； (4) AC17 + 干旱胁迫组(AC17 + DS)：1/3 Hoagland 营养液+20% PEG-6000 (w/v)+10 mL 108CFU/mL AC17菌液。每处理设3个重复，每个重复3盘。干旱胁迫7天后，每盘取15株小麦幼苗测定幼苗的形态指标和生理生化指标。采用皮尺测量小麦幼苗的株高和根长；取小麦幼苗植株，去根，用电子天平称量幼苗鲜重，然后采用干燥箱80 ℃烘干后，称幼苗干重。

1.4 小麦幼苗生理生化指标的测定

采用刘萍等[19]的方法测定抗氧化酶活性、叶绿素和丙二醛(MDA)含量；采用Zou[20]的方法测定可溶性蛋白和可溶性糖的含量。

1.5 数据统计与分析

采用Excel进行数据的整理与作图，用SPSS16.0统计分析软件进行数据分析，并采用Duncan氏新复极差法分析相同指标不同处理间数据的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 AC17菌株对干旱胁迫下小麦幼苗的生长和叶绿素含量的影响

由表1可知，干旱胁迫抑制了小麦幼苗的生长。与对照组相比，干旱胁迫处理组小麦幼苗的株高、根长、鲜重、干重和叶绿素含量分别降低了26.73%、30.98%、68.10%、42.86%和38.55% (P< 0.05)。AC17菌株处理后，小麦幼苗的株高、根长、鲜重、干重和叶绿素含量有明显提高。单独AC17菌株处理组幼苗的株高、根长、鲜重、干重和叶绿素含量比对照组分别提高了15.24%、18.70%、22.09% 、28.57%和12.65%(P< 0.05)；与干旱胁迫组相比，AC17 +干旱胁迫组幼苗的株高、根长、鲜重、干重和叶绿素含量分别增加了28.51%、25.60%、119.23%、37.50% 和50.00% (P< 0.05)。这些结果表明，AC17菌株缓解了干旱胁迫对小麦幼苗生长的抑制作用。

表1 AC17菌株对干旱胁迫下小麦幼苗生长和叶绿素含量的影响

2.2 AC17菌株对干旱胁迫下小麦幼苗可溶性糖和可溶性蛋白质含量的影响

由图1所示，AC17处理组小麦幼苗的可溶性糖和可溶性蛋白含量明显提高 (P< 0.05)。单独AC17菌株处理组小麦幼苗的可溶性糖和可溶性蛋白含量分别比对照组提高了25.48%和59.40%，AC17+干旱胁迫组的可溶性糖和可溶性蛋白含量分别比干旱胁迫组提高了24.69%和70.39% (P< 0.05)。从以上结果可以看出，AC17菌株可通过增加可溶性糖和可溶性蛋白的含量来维持细胞的渗透势，增强幼苗对抗干旱胁迫的耐受性。

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05)

2.3 AC17菌株对干旱胁迫下小麦幼苗丙二醛含量及抗氧化酶活性的影响

由图2可知，干旱胁迫组小麦幼苗的丙二醛含量比对照提高了191.74% (P< 0.05)。AC17菌株处理小麦幼苗后，干旱胁迫组幼苗的丙二醛含量有所降低。与干旱胁迫组相比， AC17+干旱胁迫组小麦幼苗MDA含量降低了25.11% (P< 0.05)。同时，AC17菌株诱导了小麦幼苗的抗氧化酶活性(图2)，与对照相比，单独AC17菌株处理组幼苗的SOD、CAT和POD的活性较对照组分别提高了13.27%、23.87%和20.01% (P< 0.05)，AC17+干旱胁迫组SOD、CAT和POD的活性较干旱胁迫组分别提高了6.54%、25.45%和35.18% (P< 0.05)，这些结果表明，AC17菌株提高抗氧化酶活性，减轻干旱胁迫引起的膜脂过氧化，提高小麦幼苗对干旱的耐受性。

不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05)

3 讨论

干旱胁迫抑制小麦的生长，降低小麦幼苗的株高、根长、鲜量、干量、根冠比和叶绿素含量，影响抗氧化活性与渗透调节物质的积累[2, 4, 8, 21]。近年来，许多研究报道利用外源有益微生物能提高小麦、水稻、玉米等植物对盐、干旱和重金属等逆境胁迫的抗性，促进植物的生长[7-18]。Tahir 等[14]用芽孢杆菌(Bacillussp.) MWT14接种小麦，促进了小麦幼苗的生长，提高了幼苗叶绿素含量和抗氧化酶活性，增强了小麦对干旱胁迫的抗性。常慧萍等[21]用具有固氮溶磷能力，并能产生IAA的假单胞菌(Pseudomonassp.)HN1202处理干旱胁迫下的小麦幼苗，幼苗的株高和根长增加，叶绿素、可溶性蛋白和可溶性糖的含量以及抗氧化酶活性提高，丙二醛含量降低，提高了植株对干旱胁迫的抗性。丛国强等[22]报道球毛壳菌(Chaetomiumglobosum)ND35能显著提高干旱胁迫下小麦幼苗的株高、根长、根冠比，诱导渗透调节物质脯氨酸和可溶性糖的积累以及抗氧化酶CAT的活性。本研究结果表明， AC17菌株提高了干旱胁迫下小麦幼苗的株高、根长、鲜重、干重和叶绿素含量，比单独干旱胁迫处理组分别提高了28.51%、25.60%、119.23%、37.50% 和50.00%，这一结果证明AC17菌株能有效缓解干旱胁迫对小麦幼苗生长的抑制作用。

可溶性糖和可溶性蛋白是植物抗逆境胁迫的重要渗透调节因子[10, 21]。在干旱胁迫下，植物体内可积累可溶性糖和可溶性蛋白，降低细胞渗透势和参与活性氧自由基的清除，增强植物对逆境胁迫的抗性[21, 23-24]。Moustakas等[23]表明可溶性糖参与活性氧自由基的清除。Couée等[24]报道可溶性糖可能是控制ROS平衡的防御信号的组成成分。可溶性蛋白是植物体内的亲水性高分子化合物，干旱胁迫时，植物会通过增加可溶性蛋白的含量来提高细胞的保水能力，提高植物对干旱胁迫的抗性[25]。因此，可溶性蛋白和可溶性糖的积累反映了植物对逆境胁迫抗性的提高。本研究中，AC17菌株能显著提高干旱胁迫下小麦幼苗的可溶性蛋白和可溶性糖的含量，表明小麦幼苗应对干旱的渗透调节能力与清除ROS的能力增强。

干旱胁迫诱导活性氧自由基(ROS)的产生，过量的ROS积累会通过膜脂的过氧化作用，造成细胞的严重损伤，最终导致MDA含量的升高[3-4]。SOD、POD和CAT在清除ROS和保护细胞免受损伤方面发挥着重要作用[8, 10, 14, 21]。所以，抗氧化酶活性的变化反映了植物对逆境胁迫抗性的强弱。本研究中，AC17菌株显著提高了干旱胁迫下小麦幼苗SOD、POD和CAT的活性，降低MDA含量，说明AC17菌株能通过提高植株抗氧化酶活性来清除过量ROS，降低质膜的过氧化作用，缓解干旱对小麦植株的氧化损伤，提高小麦对干旱胁迫的抗性。