有机-无机液体复合肥功能菌筛选及对设施番茄品质、生理活性的影响
2022-08-10许俊锋詹发强包慧芳龙宣杞张志东崔卫东
许俊锋,杨 蓉,詹发强,侯 敏,包慧芳,王 宁,龙宣杞,张志东,崔卫东
(1.新疆大学生命科学与技术学院,乌鲁木齐 830001; 2.新疆农业科学院微生物应用研究所/新疆农业科学院新疆特殊环境微生物实验室,乌鲁木齐 830091)
0 引 言
【研究意义】生物多样性水平降低,会使得土壤微生态系统失衡,农产品品质下降[1-2]。施用新型绿色环保生物有机-无机液体复合肥,加强水肥一体化施用管理,提高番茄果实品质,增强果实生理活性,在新疆绿色农业发展中具有重要意义。【前人研究进展】长期施肥易使土壤板结程度升高,农产品品质下降[3];单施微生物菌剂可优化土壤有益微生物菌群结构,有益于作物品质提升,减少病害,但易缺乏植物生长所需营养[4]。细菌肥料可提高油茶果实产量[5];增加豆类植物的蛋白质含量[6];提升杨梅果实VC、糖酸比等[7];微生物肥料可替代化肥提高苹果品质,改善土壤环境[8]。【本研究切入点】多酚氧化酶(PPO)在果蔬加工中扮演着重要角色,能引起果蔬的酶促褐变,果蔬劣变,是导致果蔬加工、贮运困难的一个关键因素[9]。苯丙氨酸解氨酶活性可以作为果实抗逆境能力的一个重要指标[10]。抗坏血酸过氧化物酶在抗氧化防御系统中可以清除H2O2,降低植物体内活性氧的含量,在甘蔗等植物应对外界逆境胁迫时发挥重要作用,可以响应高温、干旱、病害等环境胁迫[11]。当果实处于正常环境下,超氧化物歧化酶表达稳定,当处于高温、低温等外部不利环境条件时,超氧化物歧化酶含量升高,可减弱果实因机械损伤产生的影响,推迟果实衰老, 延长贮藏期[12]。目前有关有机-无机液体复合肥功能菌筛选及对设施番茄品质、生理活性的文献较少。需研究功能性菌株与有机-无机液体复合肥在高渗环境下复配的问题。【拟解决关键性问题】筛选在高渗环境下稳定性好、活性较高的功能菌,制备生物有机-无机液体复合肥并在设施番茄中试验,检测番茄不同品质指标的变化,筛选最优菌肥配比及其对番茄果实品质、生理活性的影响,提高番茄果实抗逆能力和品质,为实现设施番茄种植水肥高效轻简化管理提供依据。
1 材料和方法
1.1 材 料
1.1.1 供试菌株
试验于2020年9~11月在新疆乌鲁木齐市乌鲁木齐县水西沟镇南丝路北出天山有机食材餐厅1号大棚内进行,地理位置为43°49N,87°50E,属典型的大陆性气候。试验大棚长60 m,宽6 m,垄长5 m,垄宽0.4 m,行距1 m。供试大棚日平均气温为25℃,夜平均气温为12℃,采用水肥一体化系统供水供肥,时间间隔为1周1次。
供试菌株为新疆农业科学院微生物应用研究所现有6种具有显著的功能芽孢杆菌。
1.1.2 菌株筛选
将已保藏菌株干粉活化后转接到斜面培养基,32℃培养20 h后备用。取一环活化菌种,接入装有100 mL种子培养基的250 mL三角瓶中,32℃,120 r/min培养20 h。分别取5 mL种子液,接入装有100 mL发酵培养基的250 mL三角瓶中(接种量为5 % ,V/V)。置32℃摇床中振荡培养,转速为120 r/min,定期采用稀释平板法检测生物有机-无机液体复合肥中活菌数。表1
表1 6种细菌种类及简称
1.1.3 供试培养基
斜面和平板培养基( g/L):胰蛋白胨 10,酵母提取物 5,NaCl 10,水1 000 mL,琼脂 15,pH 6.8~7.0,1×105Pa灭菌30 min;
种子培养基(g/L):胰蛋白胨10 ,酵母提取物 5,NaCl 10,水1 000 mL,pH6.8~7.0,1×10P5a灭菌30 min;
发酵基础培养基(g/L):葡萄糖 2,酵母膏 0.5,玉米浆 7.5,KH2PO40.1,K2HPO40.1,MgSO4·7H20 0.05,水1 000 mL,pH 6.8~7.0,1×I05Pa灭菌30 min。
1.1.4 供试肥料
供试有机-无机液体复合肥(N=7.75 %、P2O5=17.59 %、K2O=26.02 %、总养分≥52 %)由新疆农业科学院土壤肥料与节水灌溉研究所提供。
1.1.5 供试番茄
采用番茄品种为桃态粉,由新疆膳源生态农业有限公司提供。
1.1.6 主要仪器
UV-1901型紫外可见分光光度计,杭州俊生科学器材有限公司;IMS-20型全自动雪花制冰机,北京澎昆博远科贸发展有限责任公司;SPX-420BF-2型生化培养箱,上海福玛试验设备有限公司;摇床ZHWY-100D,上海智城仪器制造有限责任公司。
1.2 方 法
1.2.1 试验设计
试验设计7个处理,采用随机区组设计,3次重复,滴灌方式浇水。番茄株距0.4 m,每垄面积2 m2。设置为CK(常规肥料,300 kg/hm2)、T1(有机-无机液体复合肥,300 kg/hm2)、T2(有机-无机液体复合肥,300 kg/hm2+菌液,7.5 L/hm2)、T3(有机-无机液体复合肥,300 kg/hm2+菌液,15 L/hm2)、T4(有机-无机液体复合肥,300 kg/hm2+菌液,22.5 L/hm2)、T5组(有机-无机液体复合肥,300 kg/hm2+菌液,30 L/hm2)、T6(有机-无机液体复合肥,300 kg/hm2+菌液,37.5 L/hm2)。在番茄2穗时期开始施用,日期分别为9月23日、10月2日、10月13日、10月27日。其中,生物有机-无机液体复合肥的施用方式为随水施用,每个处理设置3个对照。于11月10日进行采摘,每组随机选取大小相近色泽一致的成熟番茄20个,采摘后在实验室检测。
1.2.2 测定指标
活菌数:平板划线法[13]、稀释平板涂布法[14]。
番茄果实品质指标:可溶性糖含量采用蒽酮比色法[15];pH采用雷磁pH计测定[16];可滴定酸采用0.1 mol/L NaoH测定法测定[17];可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[18];可溶性固形物采用折光法测定[19];硬度采用硬度仪测定[20];色差采用色差仪测定[21];VC、番茄红素采用试剂盒测定;天平称单果质量(精确至1 g)[18];用游标卡尺测定果实纵横径(精确至0. 01 mm)并记录[22]。
番茄果实生理指标:多酚氧化酶(PPO)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、总超氧化物歧化酶(T-SOD)采用南京建成生物工程研究所试剂盒进行测量。
1.3 数据处理
数据通过Excel 2007整理后利用SPSS 13.0进行统计分析,采用origin 2019分析比较。
2 结果与分析
2.1 菌株稳定性检测
研究表明,在进入高渗环境后,微生物大量死亡,呈现下降趋势,但一定时间后,能逐渐适应并有效在有机肥中稳定存在。其中,贝莱斯芽孢杆菌LYT-5能较快适应有机-无机液体复合肥中高渗环境,稳定存在于有机-无机液体复合肥中。表2
表2 不同菌株芽孢在有机-无机液体复合肥中稳定表现
2.2 不同处理对番茄果实外观品质的影响
研究表明,不同处理均能够促进植株养分转化,进一步促进果实膨大,施肥后番茄单果平均质量均呈上升趋势,且T4处理后番茄单果均重最大;单果平均质量依次为T4>T5>T3>T6>T2>CK>T1;各处理果实横径、果实纵径相较CK均有所提高,但处理组T3、T4、T5变化比较显著,说明此处理菌液浓度能有效促进番茄植株的养分吸收与转化,浓度适宜番茄生长需求;果形指数从CK组开始,呈现递增趋势,不同处理均能不同程度的促使番茄果形更加美观。
T5处理后番茄果实硬度表现最好,较CK提高了4 %,硬度大小依次为T5>T2>T4>CK>T6>T3>T1;适宜菌液浓度能够使番茄硬度增加,但是需要控制用量。番茄果实总色差值ΔE表示番茄果实色泽指标,总色差值随着处理组施加菌液浓度的增加表现“增-降-增”的变化,T3处理最低,T6处理色差最高,较CK增加7 %,菌液能促使番茄果实中色素的产生与转化,使番茄颜色更加鲜亮。表3
表3 不同处理下番茄果实外观品质变化
2.3 不同处理对番茄果实营养品质的影响
研究表明,VC含量随着处理组菌液的增加,总体上呈上升趋势,其中,T6处理组VC含量最高,每毫克蛋白质较CK组多2.82 μgVC,增长量为5 %。随着菌液的添加,番茄红素在果实中的含量上升显著,它能有效的提高番茄果实中番茄红素的含量,其中T6处理组含量最高,较CK组增加0.29 μg/mL,增长16 %。
可溶性多糖与可滴定酸中对番茄果实品质影响较大,T4处理后两者在试验中都具有最高含量,分别为3.88和2.12 mg/mL,同时糖酸比比值增加到1.83,在各处理组中增速最大。T4处理组可溶性固形物含量占比6.47 %,较CK组增长为16 %。pH基本无变化。可溶性蛋白含量的测定是果实品质和营养价值的重要评定指标,T3组可溶性蛋白含量最高,较CK组多4.25 g/L,增长为36 %,LYT-5菌液能促进番茄蛋白质含量增加,且增幅显著。表4
表4 不用处理下番茄营养品质变化
2.4 不同处理对番茄果实生理活性的影响
2.4.1 不同处理对多酚氧化酶(PPO)的影响
研究表明,生物有机-无机液体复合肥施加后,番茄果实中多酚氧化酶含量虽然有起伏,但总体上基本不变,在T5时达到峰值,此时含量为91 U/g,仅比CK组多4.89 U/g,施用生物有机-无机液体复合肥后,番茄果实多酚氧化酶含量基本无变化。图1
图1 不同处理下多酚氧化酶(PPO)变化
2.4.2 不同处理对苯丙氨酸解氨酶(PAL)影响
研究表明,在遭受寒冷、伤害等外界不利环境因素时,植物的防卫系统例如苯丙烷类代谢被激活,苯丙氨酸解氨酶活性快速上升,经过生物有机-无机液体复合肥施用后,T2和T3组中苯丙氨酸解氨酶含量大幅增加,分别为79.35和78.57 U/g,较CK组分别增加了219 %和216 %。此时果实能大幅度提高对外界伤害的抗性。图2
图2 不同处理下苯丙氨酸解氨酶(PAL)变化
2.4.3 不同处理对抗坏血酸过氧化物酶(APX)的影响
研究表明,T3处理组抗坏血酸过氧化物酶含量最高,为1.95 U/g,较CK组1.61 U/g增长21 %。该处理组果实能对加工和储存时产生的逆境能够及时响应,增加抗逆能力。图3
图3 不同处理下抗坏血酸过氧化物酶(APX)变化
2.4.4 不同处理对总超氧化物歧化酶(T-SOD)的影响
研究表明,超氧化物歧化酶在T4处理组含量为28.74 U/g,仅比CK组28.08 U/g多0.66 U/g,增长3 %。图4
图4 不同处理下总超氧化物歧化酶(T-SOD)变化
3 讨 论
试验结果表明,不同浓度的生物有机-无机液体复合肥施用会对番茄果实产生不同程度影响,与刘宾华[23]等研究的结论一致。与常规肥料相比,T4处理后番茄平均单果质量提升15 %,果形指数增长至0.87,生物有机-无机液体复合肥的合理配施后能增强番茄对养分的吸收与积累,可能是微生物通过代谢活动提供给植物有益的生存环境,不仅促使营养物质吸收、积累,产量增加,更使果形更加美观。番茄果实硬度与色差变化较小,分别提升2 %、2 %,增幅与姜莉莉实验结果近似[24],生物有机-无机液体复合肥对番茄硬度、色差的影响不大。对番茄营养品质的检测发现:番茄果实中VC含量基本无变化,仅提升4 %,远低于韩顺斌等[25]试验结果,但可溶性多糖升高43 %,与韩顺斌等试验结果相差提高较大。不同种类微生物肥料可不同程度促进土壤中的营养元素转化为植物可直接吸收利用的形态,促进植物体内营养物质的产生与积累,增加果实的营养品质,但对不同营养物质含量具有不同的增长效果。
在可滴定酸的检测中,发现T4处理组含量最高,为2.12 mg/mL,较CK组增长7 %,同时糖酸比值最大,生物有机-无机液体复合肥可显著提高番茄的可溶性总糖含量,但对可滴定酸含量影响不大,进而使糖酸比比值升高,与文献研究中可滴定酸含量下降不同[26],可能是试验微生物代谢产物对番茄产酸能力影响不大。王书娟等[27]研究发现,微生物肥料的施用可提升可溶性固形物含量,但增幅低于本次试验结果(16 %)。检测发现T2、T3时可溶性蛋白最高,此时较CK组增加31 %、35 %,增长效果显著,与前人研究结果相同[28]。
超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶等蛋白酶类的活性变化是评价番茄果实劣变程度的一个重要指标,能够消除番茄果实细胞代谢产生的有害物质,有效减缓番茄果实腐败变质。郝阳[29]等研究发现,微生物肥料能够促进小麦、甘蔗等多酚氧化酶、苯丙氨酸解氨酶等不同的酶活性升高,提高抗逆能力,微生物代谢过程中产生的一种或者几种物质能够被植物的免疫受体识别,激活果实多种抗性酶活性,提高免疫抗性。试验结果已经证实。
4 结 论
贝莱斯芽孢杆菌LYT-5接入有机-无机液体复合肥中后,能稳定存活,可有效制备生物有机-无机液体复合肥,且合理配施后,能有效改善番茄果实品质,增强生理活性。施用生物有机-无机液体复合肥后,番茄果实多酚氧化酶和超氧化物歧化酶可增长6 %、4 %,T3时苯丙氨酸解氨酶含量可增加212%,抗坏血酸过氧化物增长21 %,果实的营养品质和抗逆能力显著增强。在施用浓度达到T3(有机-无机液体复合肥,300 kg/hm2+菌液,15 L/hm2)后,番茄果实品质改善明显,营养品质显著提高,番茄果实采摘后适宜短期内食用、加工等。与CK(常规肥料,300 kg/hm2)相比,此浓度后番茄果实具有较高的生理活性,抗逆性强,为运输保鲜减损方面奠定品质基础。T3(有机-无机液体复合肥,300 kg/hm2+菌液,15 L/hm2)及以上浓度适宜番茄种植期间的田间施肥管理。