根际促生菌对盐分胁迫下玉米生长的影响

2023-03-04唐古藞山周文林吴婷婷侯亚玲曾文治

节水灌溉 2023年2期

唐古藞山，李昂，周文林，吴婷婷，侯爽，侯亚玲，2，曾文治，2

（1.武汉大学水利水电学院，武汉 430072；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

0 引言

土壤盐碱化是一个世界性难题，全球盐碱地面积约为9.5亿hm2，约占地球面积的10%。我国盐碱地面积约为0.99 亿hm2，盐渍化耕地面积约为0.076 亿 hm2，约占总耕地面积的5%[1]。新疆地区地处内陆，拥有大面积耕地，然而，气候因其独特的“三山夹两盆”地形而终年干燥，故耕地盐渍化严重，土壤肥力低。因此，改善耕地盐碱化问题，提高盐碱耕地粮食作物产量，对西北旱区农业可持续发展和我国的粮食安全战略有着重要意义。当前国内拥有的盐碱化土壤防治技术主要有水利改良、物理改良和化学改良等。以上措施于实际生产中在特定条件下可有效改善或缓解土壤盐渍化的现状。然而，针对西北偏远内陆地区，水利改良技术因其措施工程量大，水资源消耗过大，并且可能产生废水处理等难题，经济性差[1]；物理方法常使用填土覆盖等方法处理盐碱地，只能一定程度上缓解盐渍化，不能彻底解决问题；而化学方法改良较难避免耕地的二次污染。目前，微生物改良技术因其兼顾高效、因地制宜和良好的经济性等特点，成为近年来国内外盐渍土改良的新方向[2]。

植物—土壤—微生物之间的相互作用很早就为人们所关注。植物根际促生菌（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）是定殖于植物根际的一类细菌，能通过各种作用促进植物生长[3]。众多学者研究发现PGPR 可提高作物抗旱，间接或直接提高作物抗盐碱等逆境生存能力，可有效消除或减轻盐分胁迫下对作物的有害影响，具有调节作物生理特性和促进作物生长的能力[4]。因此通过使用微生物改善作物生长微环境，同时结合研究区土壤盐碱化的实际情况，调节盐碱地土壤水盐运移，提高作物耐盐性。因此，对于西北旱区盐碱地改良而言，开展PGPR 相关研究具有重要意义，有研究表明，PGPR 可促进作物吸收K+等，并使得Na+的吸收减少，从而提高作物的耐盐能力[5]。根据莫文萍等的研究，PGPR 还能促进盐碱地中作物的平均根长和茎长[6]；另外，对于缓解高盐分对作物的毒害，提高作物的渗透调节能力，PGPR 也表现出较积极的影响[7]。上述研究表明，PGPR 不仅能够提高盐碱土地区作物的株高和茎长等表观指标，还能促进根系吸收养分的能力和作物的渗透调节能力。然而，已有研究大多关注单一PGPR 对某些特定盐分胁迫水平下作物生长的影响，较少考虑在不同的盐分胁迫下，不同类型PGPR 对作物生长的影响。因此，本文以玉米为试验作物，设置4 个不同盐分水平（1.7、2.5、3.8、5.9 dS/m；记为S1、S2、S3、S4），2 种根际促生菌[枯草芽孢杆菌bacillus subtilis（BS）；巨大芽孢杆菌bacillus megaterium（BM）]和对照组（CK，不添加根际促生菌），开展室内盆栽实验，以期为我国西北旱区盐碱土的微生物改良提供理论依据与实用工具。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

室内盆栽试验于湖北省武汉市武汉大学农田水利与水环境实验室（30.54°N，114.36°E）进行。该实验室通风条件良好，室内气压与室外气压一致（102 kPa），盆栽场地上方1.8 m处配备有植物生长钠灯，可模拟田间常规日照强度。

1.2 试验设计

以玉米为研究对象，添加根际促生菌的处理中，玉米种子经75%的无水乙醇灭菌30 s，10%的次氯酸钠溶液消毒15 min，随之用无菌水冲洗3～4 次，然后在无菌水中过夜浸泡12 h，最后将种子在OD600=0.8 的细菌悬浮液中浸种2 h，对照组（CK）采用磷酸缓冲液浸种2 h。设置4 个盐分水平，其饱和土壤浸提液的电导率（ECe）分别为1.7、2.5、3.8、5.9 dS/m，记为S1、S2、S3、S4；选用2 种根际促生菌，枯草芽孢杆菌bacillus Subtilis（BS）和巨大芽孢杆菌bacillus megaterium（BM），同时设置无根际促生菌的对照组（CK）；土壤均经120 ℃、30 min 高压灭菌锅反复灭菌2 次，每个处理设置3 盆重复试验，每盆合理密植3 粒玉米种子，共计36 个试验处理。在整个试验过程中，通过称重法使土壤的含水量为田间持水量的80%，发芽第7天，在根部注射5 mL的细菌悬液（OD600=0.8），对照处理注射5 mL的磷酸缓冲液。

1.3 观测指标与方法

在拔节期（5～6片叶，茎节总长度2～3 cm）结束试验，对玉米的株高、叶面积以及作物鲜重(地上部)进行测量。具体而言，利用直尺（精度为0.1 cm）测量玉米的株高和叶面积，测量时统计同一盆中长势中等的3株指标，测定完株高和叶面积及时收取玉米幼苗，并测量玉米鲜重，精确至5位有效数字。

叶面积指数LAI计算[8]如下：

式中：0.75为叶面积的折减系数；ρ种为种植密度；L为叶片长轴最大长度；B为叶片短轴最大长度；m为测定株数。

此外，取生长点以下第2 或第3 片完全展开的功能叶，用纯水冲洗表面，剪刀剪碎并加入预先用纯水洗净的100 mL 试管中，摇晃试管数下，用电导仪测定空白电导率（EC1）；将试管盖严，静置1 d，再测定24 h 后的初始电导率（EC2）；然后将试管密封，用高压蒸汽灭菌锅灭菌25 min，杀死植物细胞，取出试管使其冷却，充分摇晃，测定其高温灭菌后电导率（EC3）。根据下式计算其电解质的渗透率（Sr）[9]：

与此同时，还需要测量根系的Na+和K+含量。具体而言，采用火焰光度法，以空白试剂溶液为参比称取0.5 g 的叶片，放入SX-12-10型箱式电阻炉里进行烘干，烘干后加入5 mL蒸馏水再进行过滤，取得过滤清液，在型号为FP6410 的火焰光度计上分别以钠滤色片和钾滤色片测出Na+和K+的含量。

2 结果与分析

2.1 根际促生菌对不同盐胁迫下玉米生长指标的影响

2.1.1 拔节期株高

在不同盐分水平下，接种根际促生菌均能够增加玉米拔节期的株高（见表1）。以不同盐浓度下的各实验处理玉米株高的均值为例，与对照组（CK）相比，在盐分水平为S1、S2、S3和S4土壤中添加根际促生菌BS能够使玉米株高分别增加8.63%、8.10%、7.01%和5.04%，而添加根际促生菌BM 能够使玉米株高分别增加11.10%、0.54%、12.77%和2.59%。但是，仅在盐分水平为S1 和S3 时，BM 处理与CK 存在显著性差异，其他盐浓度与处理组合中，添加根际促生菌后，玉米拔节期株高与CK相比，均不存在显著性差异。

表1 各处理玉米生长指标Tab.1 Maize growth index of each treatment

此外，在不同的盐分水平下，2种根际促生菌对玉米株高的影响不同。在盐分水平为S1 和S3 时，BM 处理的株高大于BS 处理，而在盐分水平为S2 和S4 时，BS 处理的株高大于BM处理（见表1）。但在4种盐分水平下，BM 处理与BS处理的玉米拔节期株高均没有显著差异。

另一方面，盐分与添加根际促生菌对玉米拔节期株高的影响存在交互效应（见图1）。例如添加BS 和BM 处理中，玉米拔节期株高的分布范围均较大，其极差分别为6.17 cm 和7.10 cm。而在盐分水平S1至S4处理中，玉米拔节期株高的极差分别为2.69 cm、5.16 cm、7.27 cm 和6.87 cm。此外，盐分水平S2时，玉米拔节期株高整体较其余3个盐分水平偏低。

图1 不同根际促生菌和盐分处理下玉米拔节期株高的分布状况Fig.1 Distribution of maize plant height at jointing stage under different rhizosphere growth-promoting bacteria and salt treatments

2.1.2 拔节期鲜重

与株高类似，接种根际促生菌能够在不同的盐分水平下增加玉米拔节期的鲜重（见表1），与对照组（CK）相比，当盐分水平为S1、S2、S3和S4时，施用促生菌BS能够使玉米平均鲜重分别增加4.46%、22.10%、24.09%和6.84%，而添加了促生菌BM 能相对应地使玉米平均鲜重增加11.76%、16.85%、10.58%和7.03%。但是，当盐分水平为S1 和S4 时，BS 与BM处理对玉米平均鲜重的增加效应与CK 相比均不显著；当盐分水平为S2 时，BS 与BM 处理均显著增加玉米平均鲜重；而当盐分水平为S3时，仅BS处理显著增加玉米的平均鲜重。

此外，盐分水平为S1 时，BM 处理的平均鲜重大于BS 处理，这与株高的规律一致；但是在盐分水平为S2和S3时，BS处理的平均鲜重大于BM处理，并随着盐分水平的增加，BS与BM 处理的平均鲜重逐渐接近（S4）。与株高一致，在4种盐分水平下，BM处理与BS处理的玉米拔节期鲜重平均值都没有显著差异（见表1）。

尽管盐分与添加根际促生菌对玉米拔节期鲜重的影响同样存在交互效应（见图2），但是BM 处理的极差显著低于BS处理。具体而言，BM 处理中鲜重的极差为0.89 g/株，而BS处理中鲜重的极差高达2.65 g/株，是BM 处理的297.75%。而在盐分水平S1至S4处理中，玉米拔节期鲜重的极差分别为1.13、1.71、2.17和1.54 g/株。与株高的规律相反，在S2处理中，玉米的拔节期鲜重整体上偏大。

图2 不同根际促生菌和盐分处理下玉米拔节期鲜重的分布状况Fig.2 Distribution of fresh maize weight at the jointing stage under different rhizosphere growth-promoting bacteria and salt treatments

2.1.3 拔节期叶面积指数

与前述2项指标不同的是，根际促生菌对玉米拔节期叶面积指数的影响没有明显规律（见表1）。与对照组（CK）相比，BS处理在盐分水平为S1和S4时使玉米叶面积指数降低了4.55%和0.93%，而在盐分水平为S2 和S3 时，却使玉米叶面积指数增加了29.90%和39.33%；相对应地，在盐分水平为S1、S3 和S4 时， BM 处理使玉米叶面积指数增加了9.10%、19.05%、2.80%，却在盐分水平为S2 时，使玉米叶面积指数降低了8.25%。

在4 种盐分水平下，2 种促生菌对玉米拔节期叶面积指数的影响规律不同（见表1）。当盐分水平为S1、S3 时，仅BM处理显著增加了玉米叶面积指数；当盐分水平为S2时，2种促生菌对玉米叶面积指数的影响均显著，且具体表现为BS 处理显著提高玉米叶面积指数，而BM 处理显著降低了玉米叶面积指数；在盐分水平为S4时，2种促生菌对玉米叶面积指数的影响均不显著。

盐分与添加促生菌对玉米拔节期叶面积指数的影响也存在交互效应（见图3）。如BS 和BM 处理中的玉米叶面积指数分布范围均较大并且BS 处理的极差（0.76）大于BM 处理（0.52）。而在盐浓度处理S1、S2、S3 和S4 中，玉米拔节期叶面积指数极差分别为0.56、0.76、0.53、0.15。此外，在S4 处理中，玉米的叶面积指数分布较其余盐分处理较为集中。

图3 不同根际促生菌和盐分处理下玉米拔节期叶面积指数的分布状况Fig.3 Distribution of leaf area index(LAI)in maize at jointing stage under different rhizosphere growth-promoting bacteria and salt treatments

2.2 根际促生菌对不同盐胁迫下玉米生理指标的影响

2.2.1 拔节期根系Na+/K+

在不同盐分水平下，接种根际促生菌都能够降低玉米拔节期的根系Na+/K+（见表2）。以不同盐分水平下的各试验处理的玉米根系Na+/K+均值为例，与对照组（CK）相比，在盐浓度分别为S1、S2、S3、S4 时，BS 处理对根系Na+/K+的降低分别为7.00%、6.90%、5.14%、8.25%，而BM 处理对玉米根系Na+/K+的降低分别为11.00%、4.09%、17.07%、4.17%。但是在盐分水平为S4时，BM 处理较对照组无显著性差异，其余各盐分与促生菌组合的处理都相较对照组具有显著性差异。

在盐分水平不同时，2 种促生菌对降低玉米拔节期根系Na+/K+的作用效果不同（见表2）。在盐分水平为S1 和S3 时，BM 处理比BS处理对根系Na+/K+的降低作用更好；当盐浓度为S2时，BS处理和BM处理对降低玉米根系Na+/K+的作用效果持平，具体表现为BS+S2和BM+S2 2个处理并无显著性差异；当盐分水平达到S4 时，BS 处理对玉米根系Na+/K+的降低作用仍然具有显著性，而BM 处理则不能显著地降低玉米根系Na+/K+。

表2 各处理玉米生理指标Tab.2 Physiological indexes of maize in each treatment

盐分与添加促生菌对玉米拔节期根系Na+/K+的影响存在交互效应（见图4）。2 种促生菌处理下的玉米根系Na+/K+的极差差别巨大，具体而言即BS处理的极差（8.16）显著大于BM 处理的极差（5.29）。在盐分处理S1 至S4 中，玉米根系Na+/K+的极差分别为6.78、5.33、2.62、4.73，S1 处理的玉米根系Na+/K+极差大于其余盐分处理。

图4 不同根际促生菌和盐分处理下玉米拔节期根系Na+/K+的分布状况Fig.4 Distribution of Na+/K+ in maize roots at jointing stage under different rhizosphere growth-promoting bacteria and salt treatments

2.2.2 拔节期叶片电解质渗透率

在各种盐分水平下，根际促生菌对玉米拔节期叶片电解质渗透率的影响规律不一（见表2）。以不同盐分水平下的各试验处理的玉米叶片电解质渗透率均值为例，与对照组（CK）相比，在盐分水平分别为S1 和S2 时，土壤中添加促生菌BS 使各处理玉米拔节期叶片电解质渗透率分别增加了21.4%、118.18%，而促生菌BM 使玉米叶片电解质渗透率增加了28.57%、54.55%；在盐分水平为S3 时，BS 处理和BM 处理分别使玉米叶片电解质渗透率降低了11.11%和17.07%；在盐分水平为S4 时，BS 处理使玉米叶片电解质渗透率增加了77.78%，而BM 处理使玉米叶片电解质渗透率降低了4.17%。

根际促生菌对玉米拔节期叶片电解质渗透率的影响无明显规律，仅在S2和S4处理下，相较于对照组，BS处理能够显著提高玉米拔节期叶片电解质渗透率，其余盐分处理和促生菌处理的组合均较对照组（CK）没有显著性差异。

盐分与添加促生菌对玉米拔节期叶片电解质渗透率的影响存在明显交互效应（见图5）。BS 和BM 处理的玉米叶片电解质渗透率极差均很大，分别为0.215、0.204。在4 种盐分处理中，玉米叶片电解质渗透率极差为0.15、0.34、0.22、0.24，在有盐分胁迫的处理中（S2、S3、S4），叶片电解质渗透率极差均比无盐处理（S1）的大。

图5 不同根际促生菌和盐分处理下玉米拔节期电解质渗透率的分布状况Fig.5 Distribution of electrolyte permeability in maize at the jointing stage under different rhizosphere growth-promoting bacteria and salt treatments

3 讨论

作物的产量和生长质量往往取决于关键生育期对水分和养分的吸收能力，作物在拔节期迅速长高，叶片迅速增大，该阶段是玉米的关键生育期之一，玉米的株高、叶面积和根系生长生理指标则受到耕种土壤的盐浓度等环境因素的影响。PGPR 作为一种可以改良土壤环境和根系的吸收养分能力的常见添加剂，在已有的研究中，应用于作物幼苗的促生效果在水稻[10]、辣椒[11]、番茄[12]、白菜[13]等诸多经济及非经济类作物中。在当前新疆盆地地区高盐渍化现状下，探索PGPR 在不同盐胁迫条件下对作物的促生作用，可为旱作物生产提供技术参考。

相关研究表明：玉米拔节期作物株高、鲜重和叶面积迅速增大，对水分吸收要求很高[14]，玉米在受到盐胁迫时，作物生长发育会受到抑制，主要体现在生长速度减缓等方面[15]。促生菌可通过促进作物幼苗体内对脯氨酸和糖类物质的积累，从而降低作物的渗透势[16]，从根系中Na+和K+含量的比值可以看出，PGPR 使得根系细胞改变了对K+、Na+等重要离子的选择性吸收，降低细胞渗透率，达到抗盐的目的，这与孙韵雅[17]等的研究结果一致。

从作物的生长指标来看，本研究表明在盐分胁迫下，接种枯草芽孢杆菌（BS）和巨大芽孢杆菌（BM），可提高玉米拔节期的株高和地上部分鲜重，这与已有的研究[18]一致；但是本文发现接种枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌对叶面积指数的影响并不随着盐分水平的升高呈现出规律性变化，并且从整体叶面积指数均值出发，反而无盐胁迫（S1 处理）时，玉米的叶面积指数才最大。

此外，从盐分与添加促生菌对玉米拔节期的各项指标的交互效应方面考虑，一方面，在各种盐分水平下，2种促生菌表现出了不同的作用效果，如枯草芽孢杆菌（BS）对玉米拔节期鲜重和叶面积指数的促进作用更易受到盐分水平变化带来的影响（见图2、图3），在盐分过高时，上述影响被削弱，而巨大芽孢杆菌（BM）则对增加玉米拔节期株高的作用更易受到盐分水平的影响，在无盐和中盐胁迫时会更有效地增加玉米株高。另一方面，在有相同盐分胁迫的条件下，2种促生菌对玉米拔节期的各项指标的影响也差异巨大，在盐分胁迫程度较低（S2）时，促生菌BS 对玉米拔节期的株高和叶面积指数促进作用要优于促生菌BM；在中盐胁迫条件（S3）下，促生菌BS 对玉米拔节期的鲜重和叶面积指数促进作用要优于促生菌BM，而BM 则在该条件下对玉米的株高增长促进效果更好；在土壤高盐环境下，促生菌BM 反而对玉米拔节期的鲜重增加的促进作用更优于促生菌BS。

提高根系对水分的吸收能力和耐盐性是解决作物受盐碱胁迫的重要途径之一。玉米拔节期的生长指标和根系Na+/K+密切相关，本试验中玉米根系Na+/K+与株高、地上部分鲜重变化基本同步，加入促生菌处理的玉米根系Na+/K+较对照组减少。有研究表明，盐碱胁迫会影响植物对水分的吸收和利用[19]，而枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌2种促生菌能较好地活化土壤中难溶的K+，因此促进植物生长[20]，本试验验证枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌能促进植物生长，与上述研究结论相符，作物的根系由于受到盐分胁迫作用，会因对多种离子（K+等）的转运和吸收能力降低而降低养分吸收的效率[21]，从而影响作物株高等生长指标，而根际促生菌可以通过调节作物根系K+含量，降低作物根系细胞的渗透势，使得作物能够正常地吸收土壤中的水分。

从作物生理指标来看，2种促生菌均能有效降低玉米拔节期根系Na+/K+，但2 者对玉米拔节期叶片电解质渗透率的影响却并未呈现出规律性变化。因此，促生菌对盐胁迫下的玉米拔节期的各项指标的影响似乎局限于地下部分，较难造成叶片的生理改变。

此外，试验结果表明，在S2 和S3 水平时，促生菌对作物株高与鲜重的增加效果极为明显，说明相较于未施用促生菌的玉米，PGPR 能够使低、中盐胁迫下的玉米在拔节期更快地积累有机物、养分和水分等，说明本试验2种促生菌对作物促生效果最大边际盐胁迫浓度介于盐分水平S2 与S3 之间，本试验研究结果可为盐胁迫作物的微生物改良提供一定的理论依据。