种间距对不同结瘤特性套作大豆根瘤生长及固氮潜力的影响

2023-01-16刘姗姗袁晓婷付智丹王小春雍太文杨文钰

作物学报 2023年3期

刘姗姗庞婷袁晓婷罗凯陈平付智丹王小春杨峰雍太文杨文钰

刘姗姗庞婷袁晓婷罗凯陈平付智丹王小春杨峰雍太文*杨文钰

四川农业大学农学院 / 农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室 / 四川省作物带状复合种植工程技术研究中心, 四川成都 611130

为充分挖掘套作大豆的固氮潜力, 本试验以玉米/大豆带状套作系统为对象, 研究了不同玉豆间距(30 cm、45 cm、60 cm和75 cm)下不同结瘤特性大豆品种(贡选1号、桂夏3号和南豆25号)的根瘤生长及固氮潜力差异。结果表明, 与单作相比, 带状套作可延缓大豆根瘤数目和鲜重峰值出现的时间: 玉豆间距60 cm处理下, 各品种大豆根瘤数目和鲜重显著高于其他间距处理, 并在达到峰值期后高于单作大豆;品种间表现为: 南豆25号>桂夏3号>贡选1号。带状套作相对于单作会降低始粒期(R5)前大豆根瘤的单株固氮潜力, 但玉豆间距60 cm处理下, R5期贡选1号、桂夏3号和南豆25号的单株固氮潜力2年平均较单作提高8.53%、16.40%和13.70%。不同大豆品种根瘤侵染细胞内含物积累过程差异较大, 相较单作, 玉豆间距60 cm处理下, R5期类菌体数量增多, 其中聚-β-羟基丁酸盐颗粒(PHB)增加, 以南豆25号表现最优。因此, 带状套作下适宜的种间距(玉豆间距60 cm)可增加R5期大豆根瘤数目和鲜重, 提高大豆根瘤类菌体和PHB的数量, 增强大豆根瘤的固氮潜力, 以强结瘤品种南豆25号效果最好。

玉米/大豆带状套作; 种间距; 结瘤特性; 根瘤生长; 超微结构; 固氮潜力

在土地资源有限的情况下, 禾本科/豆科间套作能提高土地生产力[1-2], 同时豆科作物固氮为农田生态系统提供可再生氮源[3], 是一种绿色、高效、可持续的农业发展模式[4-5], 因此受到广泛关注。基因型和环境因子调控豆科植物根瘤形成与发育, 决定固氮能力的强弱[6]。许多学者研究发现, 禾本科与豆科间套作时, 禾本科能通过对土壤氮素的竭耗[7]、促进根际黄酮类物质分泌[8]等, 有效增强豆科植物的结瘤固氮作用; 而高位禾本科作物的荫蔽常常使低位豆科作物处于弱光环境中[9-10], 能量供应不足是限制豆科作物发挥固氮潜力的主要因素。不同结瘤特性品种对环境变化的响应有差异, 研究表明强结瘤大豆品种对环境变化更敏感[11], 套作环境下它能利用自身的强结瘤特性弥补地上部同化能力弱、生物量小等的劣势, 有效保障植株生长所需营养[12-13]。因此, 在禾本科与豆科间套作系统中, 优化空间配置、搭配适宜大豆品种是充分挖掘其豆科作物固氮潜力的重要途径[14-15]。

根瘤中类菌体具有固氮能力, 它的形态结构可以反映豆科植物固氮能力的强弱。前人研究发现, 根瘤菌通过寄主获取碳源固氮的同时, 将部分碳隔离在聚- β-羟基丁酸盐(PHB)中储存, 为根瘤菌生长发育提供能量, 提高根瘤菌与宿主细胞适应性[16]。所以, 类菌体中的聚-β-羟基丁酸盐(PHB)的含量可以表征根瘤的生长发育情况[17]。也有研究发现, PHB合成与N固定直接竞争还原剂, PHB积累与固氮速率呈负相关[18]。

在我国西南地区主推的玉米/大豆带状套作模式, 具有高效利用自然资源、提高土地产出率和减少环境污染等优点[19]。此模式中, 由于玉米荫蔽抑制苗期大豆植株生长, 减少光合产物运输到根瘤, 导致共生期套作大豆根瘤生物量较单作减少, 大豆的固氮能力降低[11,20]。为充分挖掘套作大豆的固氮潜力, 本试验结合不同结瘤特性大豆品种, 在不同的玉米、大豆种间距下, 研究大豆结瘤的动态变化规律, 分析其根瘤超微结构与固氮潜力的差异, 以探究根瘤生长发育与固氮潜力的关系, 为玉米/大豆带状套作模式优化田间空间配置和高效固氮提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验于2016年至2017年, 在四川省现代粮食产业仁寿示范基地(30º02¢N, 104º15¢E)进行。试验期间日降雨量和日平均温度见图1, 2016年4月至10月降雨总量为864.9 mm, 2017年为548.5 mm。日平均温度差异较小, 降雨总量的差异表现在2017年4月至10月的降雨量比2016年减少280.4 mm, 2017年属干旱年份, 2年最大降雨量分别集中在7月和8月。供试玉米为登海605(山东登海种业股份有限公司提供); 供试大豆为贡选1号(自贡市农业科学院提供)、桂夏3号(广西农业科学院提供)、南豆25号(南充市农业科学院提供), 主要特征见表1[21-23]。

图1 试验地2016-2017年4月至10月的日降雨量和日平均温度图

表1 3个大豆品种的主要特征

1.2 试验设计

采用二因素随机区组设计, 因素一为玉米大豆种间距(简称玉豆间距), 2016年为玉豆间距30 cm (RI30)、45 cm (RI45)、60 cm (RI60), 2017年增设玉豆间距75 cm (RI75), 设置大豆单作(SS)为对照; 因素二为不同结瘤特性大豆品种, 分别为贡选1号(套作下弱结瘤)、桂夏3号(套作下中结瘤)、南豆25号(套作下强结瘤), 记为GX1、GX3、ND25。

玉米/大豆带状套作采用宽窄行种植方式(图2), 玉米窄行距为40 cm, 穴距17 cm、穴留1株, 密度为5.85´104株 hm–2; 玉米宽行距为160 cm, 内种2行大豆, 大豆穴距17 cm、穴留2株, 密度为1.17´105株 hm–2。单作大豆的种植方式是将2行玉米换成2行大豆, 穴距17 cm、穴留1株, 种植密度与套作相同。每个处理种植2带, 每带长6 m、宽2 m, 小区面积24 m2, 每个处理重复3次。

土壤基础肥力为: 土壤pH 8.18、有机质14.19 g kg–1、全氮1.22 g kg–1、全磷1.95 g kg–1、全钾26.06 g kg–1。玉米施肥量为180 N kg hm–2、105 P2O5kg hm–2、112.5 K2O kg hm–2, 大豆施肥量为60 N kg hm–2、63 P2O5kg hm–2、52.5 K2O kg hm–2。玉米氮肥分2次施用, 即玉米底肥和大喇叭口期追肥, 大豆氮肥一次性施用。玉米底肥施氮量为72 kg hm–2, 磷钾肥和底肥混合均匀施用, 剩余氮肥在玉米大喇叭口期与大豆磷钾肥混合同时施用。玉米分别于2016年4月7日、2017年4月5日播种, 于2016年8月3日、2017年8月7日收获; 大豆分别于2016年6月15日、2017年6月10日播种, 于2016年10月29日、2017年10月23日收获。

图2 玉米/大豆带状套作种植图

RI30: 玉米大豆种间距30 cm; RI45: 玉米大豆种间距45 cm; RI60: 玉米大豆种间距60 cm; RI75: 玉米大豆种间距75 cm。

RI30: space between maize and soybean is 30 cm; RI45: space between maize and soybean is 45 cm; RI60: space between maize and soybean is 60 cm; RI75: space between maize and soybean is 75 cm.

1.3 测定项目和方法

1.3.1 根瘤数目和鲜重大豆五叶期(V5)、始花期(R1)、盛花期(R2)、始荚期(R3)、盛荚期(R4)、始粒期(R5)、鼓粒期(R6), 每小区随机选取长势一致的2段, 每段取对称2行的连续2穴, 把地上植株从子叶痕处剪下, 以根为中心挖取长38 cm´宽40 cm´深30 cm的土体, 将土体装入尼龙网袋, 放入水中浸泡冲洗干净, 剥落根系上的根瘤并收集袋中散落的根瘤进行计数, 用吸水纸处理根瘤表面水分, 称重。

1.3.2 根瘤的超微结构大豆V5、R2、R5期, 取样方法同1.3.1。将根瘤浸泡于戊二醛中, 放入4℃冰箱保存。参考杨虎彪等[24]的方法对根瘤进行固定、脱水、包埋和切片, 并在日立H-600IV型透射电镜下观察根瘤切片。

1.3.3 根瘤固氮酶活性大豆V5、R1、R3、R4、R5、R6期, 采用1.3.1方法挖掘大豆根瘤, 将大豆根系浸入冰水洗净, 迅速剥落根瘤, 随机取一部分根瘤装入5 mL的无菌离心管中, 放入–80℃冰箱保存。参照乙炔还原法[25]测定固氮酶活性, 称取1 g根瘤放入20 mL的青霉素瓶中, 用注射器抽出2 mL空气, 再注入2 mL纯乙炔气体, 摇匀后置于30℃恒温水浴锅培养1 h, 用微量注射器抽取0.5 mL气体注入气相色谱仪进行测定。

计算公式: 固氮酶活性(mL g–1h–1)=还原乙烯量(C2H4mL)/质量(g)/反应时间(h)。固氮潜力(C2H4mL h–1plant–1)=固氮酶活性(mL h–1g–1)×根瘤鲜重(g plant–1)。

1.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2019进行数据整理, SPSS 23进行方差分析和差异显著性测验(ANOVA, LSD, 显著性水平为α=0.05)。使用Origin 2021b软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种间距下不同大豆品种单株根瘤数动态变化

不同玉豆间距和品种对大豆单株根瘤数影响显著(表2), 品种间表现为: ND25>GX3>GX1。由图3可知, 不同大豆品种单株根瘤数随生育时期推进均呈现先增后减的趋势, 单作大豆R3 (2016年)或R4 (2017年)期出现峰值, 带状套作大豆则延后一个时期出现峰值, 峰值期在R4(2016年)或R5 (2017年)。带状套作下, 各大豆品种单株根瘤数达峰值后均表现为RI60处理较单作提高, RI30和RI45处理较单作降低。2016年与2017年, RI60处理下, R5期GX1、GX3和ND25的单株根瘤数比单作的平均高17.38%、15.37%和9.65%; R6期GX1、GX3和ND25的单株根瘤数比单作的平均高26.50%、25.73%和25.45%。

图3 不同种间距下不同大豆品种单株根瘤数动态变化图

V5: 五叶期; R1: 始花期; R2: 盛花期; R3: 始荚期; R4: 盛荚期; R5: 始粒期; R6: 鼓粒期。SS: 大豆单作; RI30: 玉米大豆种间距30 cm; RI45: 玉米大豆种间距45 cm; RI60: 玉米大豆种间距60 cm; RI75: 玉米大豆种间距75 cm。GX1: 贡选1号; GX3: 桂夏3号; ND25: 南豆25号。

V5: 5-trifoliate stage; R1: beginning flower stage; R2: full flower stage; R3: beginning pod stage; R4: full pod stage; R5: beginning seed stage; R6: bulge stage. SS: soybean monoculture; RI30: space between maize and soybean is 30 cm; RI45: space between maize and soybean is 45 cm; RI60: space between maize and soybean is 60 cm; RI75: space between maize and soybean is 75 cm. GX1: Gongxuan 1; GX3: Guixia 3; ND25: Nandou 25.

2.2 不同种间距下不同大豆品种单株根瘤鲜重动态变化

各大豆品种单株根瘤鲜重变化规律与单株根瘤数的规律基本一致(表2和图4)。带状套作延缓大豆单株根瘤鲜重峰值出现的时间, RI60处理下各大豆品种在达峰值后单株根瘤鲜重较单作提高。2016年与2017年, RI60处理下, R5期GX1、GX3和ND25的单株根瘤鲜重比单作平均高87.28%、73.89%和61.43%; R6期比单作的平均高42.89%、33.41%和25.59%。

2.3 不同种间距下不同大豆品种根瘤侵染细胞内含物积累过程

在2017年对GX1、GX3和ND25根瘤中侵染细胞进行透射电子显微镜观察(图5、图6和图7)。3个品种在不同生育时期均能观察到黑色的多磷酸盐(PP)和呈透明亮斑状的聚-β-羟基丁酸盐(PHB), 不同品种间内含物积累过程差异较大。

V5期, GX1在SS (图5-A)、RI75 (图5-E)处理下根瘤内类菌体数量多、体积大, PHB含量高; RI30 (图5-B)处理存在较多PHB, 有大量正在侵染的根瘤菌; RI45(图5-C)与RI60 (图5-D)处理下类菌体数量少, 体积小, PHB含量低。GX3在RI45 (图6-C)和RI75 (图6-E)处理类菌体数量多, 体积大, PHB含量高; SS (图6-A)、RI30 (图6-B)和RI60 (图6-D)类菌体较少, 体积小, PHB含量低, 尤其是SS处理下存在大量侵染的根瘤菌。ND25在套作各处理类菌体数量、PHB含量比SS (图7-A)高。

图4 不同种间距下不同大豆品种单株根瘤鲜重动态变化图

V5: 5-trifoliate stage; R1: beginning flower stage; R2: full flower stage; R3: beginning pod stage; R4: full pod stage; R5: beginning seed stage; R6: bulge stage. SS: soybean monoculture; RI30: space between maize and soybean is 30 cm; RI45: space between maize and soybean is 45 cm ; RI60: space between maize and soybean is 60 cm; RI75: space between maize and soybean is 75 cm. GX1: Gongxuan 1; GX3: Guixia 3; ND25: Nandou 25.

R2期, GX1在SS (图5-F)处理下类菌体数量显著减少, 积累大量PP颗粒, 存在许多空白的囊泡; RI45 (图5-H)和RI60 (图5-I)处理下类菌体数量增多、体积增大, PHB含量增加。GX3在SS (图6-F)和RI60 (图6-I)处理的类菌体含量增加, PHB含量增多, SS处理下类菌体中仍存在侵染的根瘤菌。ND25在SS (图7-F)处理类菌体数量、PHB含量显著增加; RI45 (图7-H)和RI75 (图7-J)处理PHB的含量增加; RI30 (图7-G)与RI60 (图7-I)处理类菌体减少, RI60处理出现大量侵染的根瘤菌。

R5期, GX1在RI30 (图5-L)处理下大量类菌体破裂, 根瘤菌流出到泡囊中, PHB含量降低; SS (图5-K)、RI60 (图5-N)和RI75 (图5-O)处理下类菌体结构较完整, PHB含量较高。GX3在各处理下类菌体数量开始减少, PP含量增多, RI45 (图6-M)与RI60 (图6-N)处理下类菌体数量高于SS (图6-K)处理。ND25在各处理下类菌体形状变得细长, SS (图7-K)、RI30 (图7-L)与RI45 (图7-M)类菌体外存在较多空白泡囊, RI60(图7-N)与RI75(图7-O)类菌体体积较大。

2.4 不同种间距下不同大豆品种根瘤固氮酶活性动态变化

不同玉豆间距和品种对固氮酶活性影响显著(表3), 品种间表现为ND25>GX3>GX1。各品种根瘤固氮酶活性随生育时期推进呈现先增后减的趋势(图8), 2016年在R3期达最大活性, 2017年在R1期达最大活性, 套作大豆在峰值期后固氮酶活性下降速率低于单作大豆。2017年, RI60处理下, R6期GX1和ND25固氮酶活性比单作高28.57%和6.90%。

图5 不同种间距下贡选1号根瘤侵染细胞内含物积累过程(放大倍数30,000×)

R: 根瘤菌; PHB: 聚-β-羟基丁酸盐颗粒; PP: 多磷酸盐颗粒; VE: 泡囊; B: 类菌体。V5: 五叶期; R2: 盛花期; R5: 始粒期。SS: 大豆单作; RI30: 玉米大豆种间距30 cm; RI45: 玉米大豆种间距45 cm; RI60: 玉米大豆种间距60 cm; RI75: 玉米大豆种间距75 cm。GX1 贡选1号; GX3: 桂夏3号; ND25: 南豆25号。

R: rhizobia; PHB: poly-β-hydroxybutyrate; PP: polyphosphate particle; VE: vesicle; B: bacterioid. V5: 5-trifoliate stage; R2: full flower stage; R5: beginning seed stage. SS: monoculture soybean; RI30: space between maize and soybean is 30 cm; RI45: space between maize and soybean is 45 cm; RI60: space between maize and soybean is 60 cm; RI75: space between maize and soybean is 75 cm. GX1: Gongxuan 1; GX3: Guixia 3; ND25: Nandou 25.

图6 不同种间距下桂夏3号根瘤侵染细胞内含物积累过程(放大倍数30,000×)

R: 根瘤菌; PHB: 聚-β-羟基丁酸盐颗粒; PP: 多磷酸盐颗粒; VE: 泡囊; B: 类菌体。V5: 五叶期; R2: 盛花期; R5: 始粒期。SS: 大豆单作; RI30: 玉米大豆种间距30 cm; RI45: 玉米大豆种间距45 cm; RI60: 玉米大豆种间距60 cm; RI75: 玉米大豆种间距75 cm。GX1: 贡选1号; GX3: 桂夏3号; ND25: 南豆25号。

图7 不同种间距下南豆25号根瘤侵染细胞内含物积累过程(放大倍数30,000×)

图8 不同种间距下不同大豆品种根瘤固氮酶活性动态变化图

V5: 五叶期; R1: 始花期; R3: 始荚期; R4: 盛荚期; R5: 始粒期; R6: 鼓粒期。SS: 大豆单作; RI30: 玉米大豆种间距30 cm; RI45: 玉米大豆种间距45 cm; RI60: 玉米大豆种间距60 cm; RI75: 玉米大豆种间距75 cm。GX1: 贡选1号; GX3: 桂夏3号; ND25: 南豆25号。

V5: 5-trifoliate period stage; R1: beginning flower stage; R3: beginning pod stage; R4: full pod stage; R5: beginning seed stage; R6: bulge stage. SS: soybean monoculture; RI30: space between maize and soybean is 30 cm; RI45: space between maize and soybean is 45 cm; RI60: space between maize and soybean is 60 cm; RI75: space between maize and soybean is 75 cm. GX1: Gongxuan 1; GX3: Guixia 3; ND25: Nandou 25.

2.5 不同种间距下不同大豆品种单株固氮潜力动态变化

不同玉豆间距和品种对大豆单株固氮潜力影响显著(表3), 品种间表现为: ND25>GX3>GX1。相较于单作, 带状套作降低R5期之前各品种大豆单株固氮潜力, R5期时套作大豆单株固氮潜力达峰值, 以RI60处理下大豆单株固氮潜力最高。2016年与2017年, RI60处理下, R5期GX1、GX3和ND25单株固氮潜力平均高出单作8.53%、16.40%和13.73%。

3 讨论

禾本科/豆科带状间套作能充分利用光能, 但空间配置的变化会改变作物群体光能截获, 导致地上、地下物质的积累分配差异以及产量的变化[26-27]。庞婷等[14]研究发现, 增大玉豆间距能促进套作大豆根瘤生长与物质的积累和分配, 协调地上与地下的关系。玉米/豌豆间作体系中, 玉豆间距为30 cm时较15 cm和45 cm豌豆结瘤数及瘤重显著增加, 说明优化空间布局能有效增加间作豌豆的结瘤数和瘤重[15]。本研究表明, 带状套作会降低峰值期前大豆的结瘤能力, 随着玉豆间距增至60 cm时, 达峰值期后套作大豆根瘤数目和鲜重高于单作, 品种间表现为: ND25>GX3>GX1。说明玉米/大豆带状套作下优化种间距能改善大豆生长后期的结瘤能力, 强结瘤品种ND25在套作环境表现最优。

本试验还表明, 与单作相比, 带状套作降低R5期前大豆固氮酶活性和固氮潜力, 但R5期套作大豆固氮酶活性下降速率减缓、固氮潜力增强, 以玉豆间距为60 cm表现最优; 此时玉豆间距60 cm处理下GX1、GX3和ND25单株固氮潜力平均高出单作8.53%、16.40%和13.73%。而彭西红等[28]研究发现, 玉豆带状套作可以改善土壤的物理结构, 为套作大豆根瘤生长提供良好的通气环境, 有效提升大豆生长后期的固氮能力。此外, 玉米/大豆间作系统中, 地下部互作有利于根际土壤细菌群落结构与功能的优化, 提高土壤微生物群落的丰度[29]。Hu等[30]研究发现, 玉米根系分泌物能触发土壤关键固氮细菌提升蚕豆固氮能力。本研究中, 玉米/大豆带状套作下大豆生长后期结瘤固氮能力增强可能源于两作物地下根系互作。吴雨珊等[31]认为, 玉/豆带状套作中玉米收获后, 光环境得到恢复, 大豆后期开始补偿性生长。因此, 后期套作大豆根瘤能够获得充足的能量供应[14]。陈平等[32]研究也指出, 玉米/大豆套作过强的种间互作导致共生期资源竞争加剧, 不利于套作大豆生长后期根系的恢复。因此, 在玉米/大豆带状套作体系中, 调整共生期种间距, 不仅可以保证适宜的根系互作强度, 优化土壤环境与微生物群落功能、促进大豆根际类黄酮分泌; 同时能够减缓玉豆共生期光照资源的竞争所导致的大豆生长劣势, 以促进套作大豆后期地下部的恢复性生长。

图9 不同种间距下不同大豆品种单株固氮潜力动态变化图

表2 不同种间距下不同大豆品种结瘤能力的主效应分析

**、*表示在0.01和0.05水平差异显著。V5: 五叶期; R2: 盛花期; R3: 始荚期; R4: 盛荚期; R5: 始粒期; R6: 鼓粒期。

**and*mean significant levels at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. V5: 5-trifoliate period stage; R2: full flower stage; R3: beginning pod stage; R4: full pod stage; R5: beginning seed stage; R6: bulge stage.

表3 不同种间距下不同大豆品种固氮能力的主效应分析

**、*表示在0.01和0.05水平差异显著。V5: 五叶期; R1: 始花期; R3: 始荚期: R4: 盛荚期; R5: 始粒期。

**and*mean significant levels at the 0.01 and 0.05 probability levels, respectively. V5: 5-trifoliate period stage; R1: beginning flower stage; R3: beginning pod stage; R4: full pod stage; R5: beginning seed stage; R6: bulge stage.

韩善华等[33]利用透射电镜观察大豆根瘤超微结构发现, 大豆在生长发育过程中类菌体中会阶段性积累聚-β-羟基丁酸盐(PHB), 且这种物质的积累与根瘤菌的生长发育有关。Sinclair等[34]对大豆、羽扇豆、豌豆和苜蓿根瘤中类菌体周膜空间进行比较研究发现, 类菌体周膜空间与豆科根瘤固氮活性呈显著负相关。左元梅等[35]研究发现玉米与花生混作时, 正在发育的根瘤细胞内类菌体数量比单作花生多, 同时花生铁营养得到改善, 根瘤豆血红蛋白含量提高。本试验中, 不同结瘤特性大豆根瘤在生长发育过程会阶段性的积累PP和PHB, 单、套作大豆根瘤侵染细胞内含物的积累过程不同, 但在R5期, GX1、GX3和ND25在玉豆间距60 cm时类菌体数量较多, 体积较大, 其中PHB数量增多, 以ND25表现最优。PHB的存在会与固氮酶竞争还原剂, 导致套作大豆固氮酶活性下降, 但同时PHB也能为根瘤菌生长提供能量, 从而延缓根瘤的衰老进程、延长大豆的固氮时间, 有效弥补套作大豆生长后期固氮酶活性下降所导致的固氮能力的下降。因此, 在本研究中, 玉豆间距60 cm处理下套作大豆生长后期固氮酶活性下降速率较单作降低, 固氮潜力较单作增强。

4 结论

本研究表明, 与单作相比, 带状套作延缓大豆单株根瘤数目、鲜重及固氮潜力峰值出现的时间, 降低大豆根瘤固氮酶活性。玉/豆带状套作以玉豆间距60 cm处理表现最优, 玉豆间距60 cm处理下各品种大豆在R5期后根瘤数和鲜重高于单作; R5期GX1、GX3和ND25的单株固氮潜力较单作平均提高8.53%、16.40%和13.70%; 且玉豆间距60 cm处理下R5期类菌体数量较多, 体积较大, 聚-β-羟基丁酸盐颗粒(PHB)增多, PHB能为根瘤菌生长发育提供能量, 延缓根瘤的衰老, 提高套作大豆生长后期的固氮潜力。因此, 适宜的种间距(玉豆间距60 cm)能增强套作大豆生长后期结瘤能力和固氮潜力, 以南豆25号表现最优。

[1] 杨欢, 周颖, 陈平, 杜青, 郑本川, 蒲甜, 温晶, 杨文钰, 雍太文. 玉米-豆科作物带状间套作对养分吸收利用及产量优势的影响. 作物学报, 2021: 48: 1–14.

Yang H, Zhou Y, Chen P, Du Q, Zheng B C, Pu T, Wen J, Yang W Y, Yong T W. Effects of nutrient uptake and utilization on yield of maize-legume strip intercropping system., 2021, 48: 1–14 (in Chinese with English abstract).

[2] 李隆. 间套作强化农田生态系统服务功能的研究进展与应用展望. 中国生态农业学报, 2016, 24: 403–415.

Li L. Intercropping enhances agroecosystem services and functioning: current knowledge and perspectives., 2016, 24: 403–415 (in Chinese with English abstract).

[3] Ferguson B J, Indrasumunar A, Hayashi S, Lin M H, Lin Y H, Reid D E, Gresshoff P M. Molecular analysis of legume nodule development and autoregulation., 2010, 52: 61–76.

[4] 杨文钰, 杨峰. 发展玉豆带状复合种植, 保障国家粮食安全. 中国农业科学, 2019, 52: 3748–3750.

Yang W Y, Yang F. Developing maize-soybean strip intercropping for demand security of national food., 2019, 52: 3748–3750 (in Chinese with English abstract).

[5] 苏本营, 陈圣宾, 李永庚, 杨文钰. 间套作种植提升农田生态系统服务功能. 生态学报, 2013, 33: 4505–4514.

Su B Y, Chen S B, Li Y G, Yang W Y. Intercropping enhances the farmland ecosystem services., 2013, 33: 4505–4514 (in Chinese with English abstract).

[6] Ferguson B J, Mens C, Hastwell A H, Zhang M B, Su H, Jones C H, Chu X T, Gresshoff P M. Legume nodulation: the host controls the party., 2019, 42: 41–51.

[7] Wang X Y, Gao Y Z, Zhang H L, Shao Z Q, Sun B R, Gao Q. Enhancement of rhizosphere citric acid and decrease of NO3-/NH4+ratio by root interactions facilitate N fixation and transfer., 2020, 447: 169–182.

[8] Li B, Li Y Y, Wu H M, Zhang F F, Li C J, Li X X, Lambersb H, Li L. Root exudates drive interspecific facilitation by enhancing nodulation and N2fixation., 2016, 113: 6496–6501.

[9] 范元芳, 杨峰, 何知舟, 王锐, 刘沁林, 袁小琴, 雍太文, 武晓玲, 杨文钰. 套作大豆形态、光合特征对玉米荫蔽及光照恢复的响应. 中国生态农业学报, 2016, 24: 608–617.

Fan Y F, Yang F, He Z Z, Wang R, Liu Q L, Yuan X Q, Yong T W, Wu X L, Yang W Y. Effects of shading and light recovery on soybean morphology and photosynthetic characteristics in soybean-maize intercropping system., 2016, 24: 608–617 (in Chinese with English abstract).

[10] 王竹, 杨文钰, 伍晓燕, 吴其林. 玉米株型和幅宽对套作大豆初花期形态建成及产量的影响. 应用生态学报, 2008, 19: 323–329.

Wang Z, Yang W Y, Wu X Y, Wu Q L. Effects of maize plant type and planting width on the early morphological characters and yield of relay planted soybean., 2008, 19: 323–329 (in Chinese with English abstract).

[11] 于晓波, 苏本营, 龚万灼, 罗玲, 刘卫国, 杨文钰, 张明荣, 吴海英, 曾宪堂. 玉米-大豆带状套作对大豆根瘤性状和固氮能力的影响. 中国农业科学, 2014, 47: 1743–1753.

Yu X B, Su B Y, Gong W Z, Luo L, Liu W G, Yang W Y, Zhang M R, Wu H Y, Zeng X T. The nodule characteristics and nitrogen fixation of soybean in maize-soybean relay strip intercropping., 2014, 47: 1743–1753 (in Chinese with English abstract).

[12] 庞婷, 陈平, 袁晓婷, 雷鹿, 王甜, 付智丹, 汪锦, 杨文钰, 张晓娜, 雍太文. 种间距对不同结瘤特性套作大豆物质积累、鼓粒及产量形成的影响. 中国农业科学, 2019, 52: 3751–3762.

Pang T, Chen P, Yuan X T, Lei L, Wang T, Fu Z D, Wang J, Yang W Y, Zhang X N, Yong T W. Effects of Row Spacing on Dry matter accumulation, grain filling and yield formation of different nodulation characteristic soybeans in intercropping., 2019, 52: 3751–3762 (in Chinese with English abstract).

[13] Carroll B J, Mcneil D L, Gresshoff P M. Isolation and properties of soybean [(L.) Merr]mutants that nodulate in the presence of high nitrate concentrations., 1985, 82: 4162–4166.

[14] 庞婷, 帅鹏, 陈平, 杜青, 付智丹, 杨文钰, 雍太文. 不同结瘤品种和行间距对套作大豆根瘤生长及物质积累与分配的影响. 浙江大学学报(农业与生命科学版), 2017, 43: 451–461.

Pang T, Shuai P, Chen P, Du Q, Fu Z D, Yang W Y, Yong T W. Effects of different nodulation varieties and row spacings on nodule growth, dry matter accumulation and distribution of relay strip intercropping soybean.(Agric Life Sci), 2017, 43: 451–461 (in Chinese with English abstract).

[15] 赵财, 柴强, 乔寅英, 王建康. 禾豆间距对间作豌豆“氮阻遏”减缓效应的影响. 中国生态农业学报, 2016, 24: 1169–1176.

Zhao C, Chai Q, Qiao Y Y, Wang J K. Effect of cereal-legume spacing in intercropping system on alleviating “N inhibition” in pea plants., 2016, 24: 1169–1176 (in Chinese with English abstract).

[16] Ratcliff W C, Kadam S V, Denison R F. Poly-3-hydroxybutyrate (PHB) supports survival and reproduction in starving rhizobia., 2008, 65: 391–399.

[17] Dhingra H K, Priya K. Physiological and molecular identification of polyhydroxybutyrates (PHB) producing micro-organisms isolated from root nodules of leguminous plants., 2013, 7: 3961–3967.

[18] Anderson A J, Dawes E A. Occurrence, metabolism, metabolic role and industrial uses of bacterial polyhydroxyalkanoates., 1990, 54: 450–472.

[19] Du J B, Han T F, Gai J Y, Yong T W, Sun X, Wang X C, Yang F, Liu J, Shu K, Liu W G, Yang W Y. Maize–soybean strip intercropping: achieved a balance between high productivity and sustainability., 2018, 17: 747–754.

[20] 吴雨珊, 龚万灼, 廖敦平, 武晓玲, 杨峰, 刘卫国, 雍太文, 杨文钰. 带状套作荫蔽及复光对不同大豆品种(系)生长及产量的影响. 作物学报, 2015, 41: 1740–1747.

Wu Y S, Gong W Z, Liao D P, Wu X L, Yang F, Liu W G, Yong T W, Yang W Y. Effects of shade and light recovery on soybean cultivars (lines) and its relationship with yield in relay strip intercropping system., 2015, 41: 1740–1747 (in Chinese with English abstract).

[21] 吴海英, 梁建秋, 于晓波, 杨鹏, 张明荣. 大豆新品种南夏豆25的选育及配套高产栽培技术研究. 大豆科技, 2015, (2): 23–26.

Wu H Y, Liang J Q, Yu X B, Yang P, Zhang M R. Breeding of a new soybean variety Nanxiadou 25 and its supporting high-yield cultivation techniques., 2015, (2): 23–26 (in Chinese with English abstract).

[22] 陈渊, 梁江, 韦清源. 优质夏大豆新品种——桂夏3号的选育. 作物杂志, 2008, (8): 417–418.

Chen Y, Liang J, Wei Q Y. Breeding of a new high quality summer soybean variety, Guixia No.3., 2008, (8): 417–418 (in Chinese with English abstract).

[23] 邱丽娟, 王曙明. 中国大豆品种志1993–2004. 北京: 中国农业出版社, 2007. p 12.

Qiu L J, Wang S M. Chinese Soybean Variety 1993–2004. Beijing: China Agricultural Press, 2007. p 12 (in Chinese).

[24] 杨虎彪, 李晓霞, 罗丽娟. 植物石蜡制片中透明和脱蜡技术的改良. 植物学报, 2009, 44: 230–235.

Yang H B, Li X X, Luo L J. An improved clearing and de-waxing method for plant paraffin sectioning., 2009, 44: 230–235 (in Chinese with English abstract).

[25] 中国科学院上海植物生理研究所. 现代植物生理学实验指南. 北京: 科学出版社, 1999. pp 6–18.

Shanghai Institute of Plant Physiology, Chinese Academy of Sciences. Experiment Guide for Modern Plant Physiology. Beijing: Science Press, 1999. pp 6–18 (in Chinese).

[26] 杨峰, 娄莹, 廖敦平, 高仁才, 雍太文, 王小春, 刘卫国, 杨文钰. 玉米-大豆带状套作行距配置对作物生物量、根系形态及产量的影响. 作物学报, 2015, 41: 642–650.

Yang F, Lou Y, Liao D P, Gao R C, Yong T W, Wang X C, Liu W G, Yang W Y. Effects of row spacing on crop biomass, root morphology and yield in maize-soybean relay strip intercropping system., 2015, 41: 642–650 (in Chinese with English abstract).

[27] Yang F, Huang S, Gao R C, Liu W G, Yong T W, Wang X C, Wu X L, Yang W Y. Growth of soybean seedlings in relay strip intercropping systems in relation to light quantity and red:far-red ratio., 2014, 155: 245–253.

[28] 彭西红, 陈平, 杜青, 杨雪丽, 任俊波, 郑本川, 罗凯, 谢琛, 雷鹿, 雍太文, 杨文钰. 减量施氮对带状套作大豆土壤通气环境及结瘤固氮的影响. 作物学报, 2021, 47: 2268–2277.

Peng X H, Chen P, Du Q, Yang X L, Ren J B, Zheng B C, Luo K, Xie C, Lei L, Yong T W, Yang W Y. Effects of reduced nitrogen application on soil aeration and root nodule growth of relay strip intercropping soybean., 2021,47: 2268–2277 (in Chinese with English abstract).

[29] 林伟伟, 李娜, 陈雨珊, 吴则焰, 林文雄, 沈荔花. 玉米与大豆种间互作对根际细菌群落结构及多样性的影响. 中国生态农业学报, 2022, 30: 26–37.

Lin W W, Li N, Chen L S, Wu Z Y, Lin W X, Shen L H. Effects of interspecific maize and soybean interactions on the community structure and diversity of rhizospheric bacteria., 2022, 30: 26–37 (in Chinese with English abstract).

[30] Hu H Y, Li H, Hao M M, Ren Y N, Zhang M K, Liu R Y, Zhang Y, Li G, Chen J S, Ning T Y, Kuzyakov Y. Nitrogen fixation and crop productivity enhancements co-driven by intercrop root exudates and key rhizosphere bacteria., 2021, 58: 13964.

[31] 吴雨珊, 龚万灼, 杨文钰, 雍太文, 杨峰, 刘卫国, 武晓玲. 带状套作复光后不同大豆品种干物质积累模型与特征分析. 中国生态农业学报, 2017, 25: 572–580.

Wu Y S, Gong W Z, Yang W Y, Yong T W, Yang F, Liu W G, Wu X L. Dynamic model and characteristics analysis of dry matter production after light recovery of different soybean varieties in relay strip intercropping systems., 2017, 25: 572–580 (in Chinese with English abstract).

[32] 陈平, 杜青, 庞婷, 付智丹, 杨燕竹, 刘佳, 帅鹏, 孙丽霞, 张瑞娣, 杨文钰, 雍太文. 根系互作强度对玉米/大豆套作系统下作物根系分布及地上部生长的影响. 四川农业大学学报, 2018, 36(1): 28–37.

Chen P, Du Q, Pang T, Fu Z D, Yang Y Z, Liu J, Shuai P, Sun L X, Zhang R D, Yang W Y, Yong T W. Effects of root interaction intensity on crop roots distribution above-ground growth in a maize/soybean relay intercropping system., 2018, 36(1): 28–37 (in Chinese with English abstract).

[33] 韩善华. 大豆根瘤中多磷酸盐积累的特征. 中国微生态学杂志, 1991, (2): 55–58.

Han S H. Characteristics of polyphosphate accumulation in soybean root nodules., 1991, (2): 55–58 (in Chinese).

[34] Sinclair T R, Serraj R. Legume nitrogen fixation and drought., 1995, 378: 344–344.

[35] 左元梅, 刘永秀, 张福锁. 与玉米混作改善花生铁营养对其根瘤形态结构及豆血红蛋白含量的影响. 植物生理与分子生物学报, 2003, 29: 33–38.

Zuo Y M, Liu Y X, Zhang F S. Effects of improvement of iron nutrition by mixed cropping with maize on nodule microstructure and leghaemoglobin content of peanut., 2003, 29: 33–38 (in Chinese with English abstract).

Effects of row spacing on root nodule growth and nitrogen fixation potential of different nodulation characteristics soybeans in intercropping

LIU Shan-Shan, PANG Ting, YUAN Xiao-Ting, LUO Kai, CHEN Ping, FU Zhi-Dan, WANG Xiao-Chun, YANG Feng, YONG Tai-Wen*, and YANG Wen-Yu

College of Agronomy, Sichuan Agricultural University / Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System in Southwest, Ministry of Agriculture and Rural Affairs / Sichuan Engineering Research Center for Crop Strip Intercropping System, Chengdu 611130, Sichuan, China

To exploit the difference of root nodule growth and nitrogen fixation potential of soybean in maize-soybean relay strip intercropping system, a two-year filed experiment with different nodulation characteristics soybean varieties (Gongxuan 1, Guixia 3, and Nandou 25) under different maize-soybean spacing (30, 45, 60, and 75 cm) was conducted. The results showed that the peaks of soybean nodule number and fresh weight were delayed under the intercropping system compared with soybean monoculture. The root nodule number and fresh weight of each variety under 60 cm were significantly higher than those of other spacing treatments, and were higher than those of monoculture soybean after reaching the peak stage. The differences among varieties were as follows: Nandou 25 > Guixia 3 > Gongxuan 1. Compared with soybean monoculture, nitrogen fixation potential of soybean nodules per plant before the beginning seed stage (R5) under intercropping mode was reduced. However, nitrogen fixation potential per plant of Gongxuan 1, Guixia 3, and Nandou 25 increased by 8.53%, 16.40%, and 13.70% on average in two years under 60 cm at R5 stage. The accumulation process of inclusions in infected cells of different soybean varieties was quite different. Compared with soybean monoculture, the number of bacteroids increased under 60 cm at R5, among which poly-β-hydroxybutyrate (PHB) increased, and Nandou 25 was the best. Therefore, to improve the number of soybean nodule bacteroids, PHB and nitrogen fixation potential the appropriate inter-plant row spacing (60 cm) under intercropping can increase soybean nodule number and fresh weight at R5 stage, and Nandou 25 with strong nodulation had the best effect.

maize/soybean relay strip intercropping; row spacing; nodular varieties; root nodule growth; ultrastructure; nitrogen fixation potential

10.3724/SP.J.1006.2023.24027

本研究由财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系建设专项(大豆, CARS-04-PS20)和国家自然科学基金项目(31671625)资助。

This study was supported by the China Agriculture Research System of MOF of MARA (Soybean, CARS-04-PS20) and the General Project of National Natural Science Foundation of China (31671625).

通信作者(Corresponding author):雍太文, E-mail: yongtaiwen@sicau.edu.cn

E-mail: 1525740873@qq.com

2022-01-22;

2022-09-05;

2022-09-14.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220913.1857.006.html

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