壳寡糖、芽孢杆菌、香菇多糖复合对黄瓜幼苗生长和低温抗性的影响

张学青, 胡蒙爱,2, 王晓卓, 张雪艳

(1.宁夏大学农学院,宁夏银川 750021; 2.宁夏盛旭昊春农业科技有限公司,宁夏银川 750021)

我国为蔬菜种植大国,蔬菜产业在我国农业经济发展中具有独特的地位和优势,种植面积逐年增加。2021年我国蔬菜播种面积约为 2 187.221万hm2,同比增长1.8%;蔬菜产量约为76 710.8万t,同比增长2.4%[1]。根据国家统计局最新数据显示,中国以109.8 kg的人均蔬菜消耗量一直高居全球第一。从人均蔬菜产量来看,即便是在对外出口的情况下,我国的蔬菜不仅可以自给自足,甚至依旧有盈余。由此可见,发展绿色蔬菜对改善城乡居民生活、稳定发展农村经济、增加农民收人、扩大农产品出口都有极其重要的意义[2]。

香菇多糖是从优质香菇子实体中提取的有效活性成分。研究表明,香菇多糖处理植株可使植株产生抗性,且提高其过氧化物酶和多酚氧化酶活性,有助于植株抵抗逆境胁迫,对植株生长也起到促进作用[3]。香菇多糖具有抗病毒、抗肿瘤、调节免疫和刺激干扰素形成等功能[4]。香菇多糖处理使寄主植株产生诱导抗性,菌物多糖中的核酸、糖蛋白等都是诱导抗病毒物质,这些物质通过植株感受点而产生抗性[5]。研究表明,香菇多糖对烟草花叶病毒(TMV)的诱导抗性在1.00 mg/mL诱导浓度下最明显;香菇多糖喷施烟草,诱导叶片组织过氧化物酶和多酚氧化酶活性提高,且香菇多糖对烟草种子萌发有较明显的促生作用[6]。

解淀粉芽孢杆菌可改善作物根际微生物群落,在促进作物生长方面作用显著[7]。解淀粉芽孢杆菌与黄瓜分泌物存在互作作用,可在黄瓜根际定殖,占据根部有利生态位点,为促进幼苗生长提供有利条件[8]。有研究表明,解淀粉芽孢杆菌可通过溶解磷酸盐、生物固氮等提高植物根际养分的可利用性,直接促进作物生长[9]。接种固氮、溶磷菌株,可以增加土壤中速效氮、磷、钾含量,促进作物生长[10]。王琪媛等发现,分泌ACC脱氨酶的根际细菌能促进植株生长[11]。在长势及光合作用方面,解淀粉芽孢杆菌也表现出显著的促进作用。这可能与解淀粉芽孢杆菌可以分泌生长素、细胞分裂素、脱落酸、赤霉素和亚精胺等生长因子有关[12]。乔俊卿等发现,使用B1619菌液能够增强番茄叶片的蒸腾速率、光合速率,从而达到促进番茄生长的效果[13]。张德珍等发现,用稀释的JF-1发酵液灌根,可以显著提高黄瓜幼苗的壮苗指数,有效增加黄瓜幼苗的侧根数、叶面积和叶绿素含量[14]。微生物对植物生长具有促进效果,一方面因为微生物可以通过分泌植物生长素促进植物发育;另一方面因为微生物可以刺激植物根系发育,从而达到促进作物生长的效果[15]。

前期试验表明,500 mg/L壳寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢杆菌复配香菇多糖为黄瓜幼苗促生效果的最优处理[16]。本研究以清水灌根为对照(CK),设置香菇多糖700倍液(X700)单一处理、500 mg/L壳寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢杆菌(F1)、500 mg/L壳寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢杆菌+香菇多糖700倍液(F1-X700)处理,通过对比不同处理的基质养分特性、黄瓜幼苗长势、光合特性、根系发育的变化,探究壳寡糖、解淀粉芽孢杆菌、香菇多糖混配施用对黄瓜幼苗生长和对黄瓜幼苗低温抗性的影响,旨在为黄瓜幼苗越冬技术提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

黄瓜促生长试验于2021年9月10日在宁夏大学实训温棚进行。试验材料为1叶1心德尔LD-1黄瓜幼苗(购自宁夏天缘种业有限公司)。供试解淀粉芽孢杆菌XY-13由宁夏大学微生物实验室提供;壳聚糖由黑龙江八一农垦大学提供;香菇多糖为有效成分含量为1%的水剂,购自北京三浦百草绿色植物制剂有限公司。以清水灌根为对照(CK),用香菇多糖700倍液(X700)、500 mg/L壳寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢杆菌(F1)、500 mg/L 壳寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢杆菌+香菇多糖700倍液组合(F1-X700)分别进行灌根处理。在处理开始的第1天、第10天、第20天进行3次灌根处理,灌溉量为每次15 mL/株,每个处理总计40株。重复3次,第30天测定幼苗长势。

黄瓜耐低温试验于2022年1月7日开始,于宁夏大学农学院光照培养箱内进行。试验以2叶1心德尔LD-1黄瓜幼苗为试材,幼苗期各不同处理根据黄瓜生长需求进行统一灌水,每个穴盘(72穴)灌水 1 L/次。将黄瓜幼苗放置于光照培养箱内以正常温光环境培养,以清水灌根为对照,以500 mg/L壳寡糖+107解淀粉芽孢杆菌+香菇多糖700倍液混合液对黄瓜幼苗进行为期3 d的预处理。第4天进行低温胁迫处理,至第10天取样,测定长势、抗氧化酶活性等指标。试验中设置3个不同的温度组合:以昼/夜温度28 ℃/18 ℃为对照,低温处理的昼/夜温度分别控制为20 ℃/12 ℃、16 ℃/8 ℃,光照时间及强度统一(表1),耐低温试验设计详见表2。

表1 光照处理

表2 耐低温试验设计

1.2 取样和测定方法

1.2.1 幼苗长势测定 分别在试验第1天至第30天,随机选择长势良好均一的代表性植株10株,同时测定并计算幼苗的株高相对生长率(RGR-PH)、茎粗相对生长率(RGR-SV)。叶绿素含量采用SPAD-502叶绿素仪测定。

RGR-PH=[ln(h2)-ln(h1)]/(t2-t1);

(1)

RGR-SV=[ln(d2d2h2)-ln(d1d1h1)]/(t2-t1)。

(2)

式中:h1、h2代表2次测量的株高;d1、d2代表2次测量的茎直径;n1、n2代表2次测量的叶片数;t1、t2代表2次取样时间[17]。

2021年9月20日取代表性植株6株。用电子天平称量地上部、地下部的鲜质量和干质量。

1.2.2 光合特性测定 2021年9月20日,每个处理取代表性植株,测定黄瓜幼苗光合特性。于晴天 09:00—11:00,用美国LI-6800便携式光合仪测量叶片荧光特性。

1.2.3 基质化学特性分析 2021年9月21日,随机选取50 g基质样品,风干后过1 mm筛,用于测定基质养分。pH值采用pH计测定;EC值采用电导率仪测定;总氮(TN)含量采用H2SO4-H2O2硝化-半微量凯氏定氮法[18]测定;有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定;速效氮含量采用碱解扩散法测定;速效磷含量采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提,钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用1.0 mol/L醋酸铵浸提,火焰光度法[19]测定。

1.2.4 抗氧化酶活性测定 2022年1月17日称取0.5 g不同处理黄瓜幼苗新鲜叶片,使用硫代巴比妥酸法测定MDA含量。使用氮蓝四唑(NBT)法测定鲜样黄瓜叶片SOD活性,采用愈创木酚法测定POD活性,采用紫外分光光度法[20]测定CAT活性。

1.3 数据分析

采用Excel 2019、SPASS 20.0软件对试验数据进行统计与分析。采用单因素ANOVA进行显著性分析(α=0.05),使用Origin 2018软件作图。所有数据重复3次。

2 结果与分析

2.1 不同处理对基质养分特性的影响

由表3可知,香菇多糖700倍液处理(X700)的基质EC值、有机质、速效氮、速效磷、全氮含量均显著高于CK处理。相较于CK处理,F1处理的基质养分含量显著增加,且F1处理对基质EC值和速效钾含量增加效果优于X700处理。F1、X700、F1-X700处理的各基质养分指标基本显著高于CK处理,其中F1-X700处理的有机质、速效氮、速效钾、速效磷含量均为最高,比CK处理显著高32.2%、294.1%、67.9%、38.0%。

表3 不同处理对基质养分的影响

2.2 不同处理对黄瓜幼苗长势的影响

由表4可知,F1、F1-X700处理的茎粗相对生长率、叶绿素含量均显著高于CK处理。X700、F1、F1-X700处理之间的株高相对生长率无显著差异,但都显著高于CK处理。F1-X700处理的茎粗相对生长率、叶绿素含量、壮苗指数均为最高,分别比CK处理显著高61.4%、67.5%、20.8%。

表4 不同处理对黄瓜幼苗长势的影响

2.3 不同处理对黄瓜幼苗根系发育的影响

由表5可知,F1、X700、F1-X700处理的根系生长指标均显著高于CK处理。X700处理的总根长、根表面积、根体积均显著高于CK处理。F1-X700处理的总根长、根表面积、根直径、根体积最高,比CK处理显著高47.7%、140.2%、32.5%、171.3%。

表5 不同处理对黄瓜幼苗根系发育的影响

2.4 不同处理对黄瓜幼苗光合作用的影响

由表6可知,F1、X700、F1-X700处理净光合速率均显著高于CK处理。X700处理的蒸腾速率、净光合速率显著高于CK处理。F1-X700处理的蒸腾速率、净光合速率、气孔导度均为最高,比CK处理显著高60.0%、68.6%、28.6%。

表6 不同处理对黄瓜幼苗光合作用的影响

2.5 低温胁迫下复配处理对黄瓜幼苗生物量的影响

由图1可知,随温度的降低,黄瓜幼苗地上部、地下部干鲜质量呈现减小的趋势。相同温度环境下,各CK处理与T处理间的地上部、地下部干鲜质量无显著差异,但T2处理的地下部干质量显著比CK2处理高27.2%。总体来说,温度变化对地下部鲜质量的影响最大。

2.6 低温胁迫下复配处理对黄瓜幼苗抗氧化酶活性的影响

由图2、图3可知,在不同温度环境中,所有T处理的SOD、POD、CAT活性在各个时期大于或等于CK处理,而MDA含量则与之相反。常温与低温处理下,各时期T处理与CK处理的酶活性、MDA含量变化趋势相近,T处理酶活性指标高于CK处理,丙二醛含量低于CK处理。亚低温处理下,T2处理的POD与SOD活性均在2 h时下降,随后大幅增加,于6 h达到峰值,CK处理的POD、SOD活性在低温胁迫处理下,先下降再小幅上升,后又降低。在处理后6 h,T2处理的POD、SOD活性显著高于CK处理38.3%、77.2%。T2处理与CK2处理的CAT活性均在2 h下降,随后增加,但T2处理增长较快,且其峰值高于CK2处理;T2处理的MDA含量在 2 h 达到峰值,随后先下降后小幅上涨,但CK2处理于4 h才达到峰值,随后下降。T2处理的MDA累积量显著低于CK2处理。

3 讨论

农药化肥对农业生产的危害日益凸显,为了达到农业绿色可持续发展,研究发现一些生物源物质可有效促进植株生长,且能提高植物的抗逆性。生物刺激素、芽孢杆菌、植物免疫诱抗剂均是当下有利于植物生长且对环境友好的创新研究方向[21]。3类生物源物质对作物均有一定的抗逆促生作用。本试验探究生物刺激素、芽孢杆菌、植物免疫诱抗剂配施对基质养分提升、作物生长及黄瓜幼苗低温抗性的影响,对培育黄瓜壮苗及黄瓜幼苗安全越冬具有重要意义。

枯草芽孢杆菌对基质的改善作用与其本身具有的溶磷、固氮能力及ACC脱氨酶活性有关。枯草芽孢杆菌与壳寡糖复配后,显著提升基质的有机质含量和速效氮养分。壳寡糖作为一种安全绿色的外源促生物质在农业领域已广泛应用,多用于促进种子萌发、促进植物生长、改善果实品质等方面[22]。本试验施用500 mg/L壳寡糖和芽孢杆菌复合,黄瓜幼苗壮苗指数、叶绿素含量、茎粗相对生长率、地下部鲜质量、根系发育、净光合速率均显著提升。郭卫华等发现,黄瓜幼苗添加壳寡糖可显著增加株高、叶面积、净光合速率,壳寡糖处理调控黄瓜叶片的气孔导度、胞间的CO2浓度,提升光合作用速率,促进植株生长[23]。这可能与壳寡糖诱导的叶绿体直径增加及叶绿体中基因表达的调节有关[24]。香菇多糖是一种具有潜在激活植物防御响应活性的线性β-1,3-葡聚糖。本试验中,香菇多糖700倍液处理相对CK处理也可显著提高黄瓜幼苗根长、根表面积、根体积指标。500 mg/L壳寡糖+107CFU/mL 解淀粉芽孢杆菌+香菇多糖700倍液复配液处理的促进作用更为显著。

不适宜的环境条件对植物生长发育产生负面影响,低温胁迫是限制设施蔬菜生产的主要因素。前人研究发现,低温胁迫会明显抑制作物的生长,尤其限制株高、茎粗及生物量的积累,同时影响作物的叶绿素含量及光合作用[25]。本研究中的低温胁迫试验的结果与之一致。研究表明,壳寡糖处理均能提高低温胁迫下黄瓜幼苗的根系活力[26]。根际细菌能够诱导提高植物抗逆相关酶活性,提高作物的抗逆能力[27]。壳寡糖、解淀粉芽孢杆菌、香菇多糖混配处理对黄瓜幼苗的促生抗逆效果显著优于CK处理,这可能与解淀粉芽孢杆菌和壳寡糖之间的相互作用有关。一方面是因为,解淀粉芽孢杆菌能分泌壳聚糖酶,形成生物活性更高的壳寡糖,增强壳寡糖的生物活性[28-29];另一方面是因为,基质添加壳聚糖对根际细菌具有定向调控作用,可明显改善根际基质的细菌群落结构,促进优势细菌群的保留与增殖,有助于解淀粉芽孢杆菌XY-13定殖于黄瓜幼苗根系,促进基质养分活化与作物根系发育[30]。

低温胁迫下,复配处理的POD、SOD活性显著比CK处理高38.3%、77.2%,丙二醛含量显著低于CK处理。抗氧化酶活性提高与丙二醛含量减少与复配处理中添加壳寡糖有关。陈芊如等研究发现,施用外源壳寡糖能够显著降低烟草幼苗叶片中活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)含量,增强烟草叶片中抗氧化酶活性,同时还能够显著提高烟草幼苗叶片中渗透调节物质的含量[31]。复配处理可增强植株清除活性氧自由基的能力,防止膜系统的氧化损伤和过氧化损伤,诱导黄瓜幼苗的抗寒性,帮助黄瓜幼苗度过低温逆境。

4 结论

单一香菇多糖处理可提高基质养分并促进黄瓜幼苗生长,但F1处理对黄瓜幼苗的促进作用优于单一香菇多糖处理。香菇多糖700倍液与F1复配,以及F1处理均可显著提高基质养分、黄瓜幼苗长势、蒸腾速率、净光合速率、气孔导度、根系生长指标。综合来说,F1-X700处理对提高基质养分、促进黄瓜幼苗生长和光合特性增加效果最显著。香菇多糖、壳寡糖和芽孢杆菌复合在低温条件下可提升黄瓜幼苗的低温抗性,且在亚低温环境下的黄瓜幼苗抗寒作用效果优于低温处理。