接种氨氧化细菌对玉米旱后复水补偿性生长的影响

熊翔英,王海红,王晓凌*,司振强,吴迪

(1.河南科技大学农学院,河南 洛阳 471000;2.安阳市殷都区农业农村局,河南 安阳 455000)

水资源短缺严重威胁我国北方农作物的生产［1-3］,提高农业水分利用效率是解决该问题的有效途径。作物在干旱胁迫下生长受到抑制,在复水期间加速生长,进而弥补甚至超过了受干旱胁迫而减少的生物量,即为旱后复水补偿性生长［4-5］。植物的补偿生长大体分为超补偿、等补偿和欠补偿3种类型［6］。作物旱后复水补偿性生长已在大豆、玉米、水稻等农作物中得到广泛研究［7-9］,且补充灌溉、间歇灌溉、亏缺灌溉和集雨补灌等节水技术均以其为理论基础［10-12］。

旱后复水期间作物大多经历土壤缺水和供水即复水2个互相交替的阶段。为进一步揭示不同阶段接种AOB菌株对作物旱后复水补偿性生长的影响,本研究拟将AOB菌株通过出苗后立刻接种和经历干旱胁迫后在复水期接种到土壤中,验证其是否能稳定持续发挥作用,探究其对作物旱后复水补偿性生长的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

接种菌为异养氨氧化细菌(AOB),该菌属于根瘤菌科剑菌属,菌株命名为S2_8_1,保藏于中国典型培养物保藏中心(武汉大学),其保藏编号为CCTCC NO:M2021374。试验材料选用玉米(ZeamaysL.)品种‘郑单985’,其抗旱性强,适应性好。

1.2 试验设计及方法

1.2.1 试验设计盆栽试验在河南省洛阳市河南科技大学避雨条件下进行,年平均降雨量601 mm,年平均气温14.2 ℃。于2021年6月5日种植200盆,盆口直径21.5 cm,盆高20.0 cm,每盆播种15粒玉米种子。每盆土壤约5.8 kg,有机碳含量24.7 g·kg-1,全氮含量2.15 g·kg-1。播种后6 d左右出苗。

出苗后6 d间苗,每盆留苗5株。挑选长势均匀且良好的72盆幼苗,分为6组,每组12盆,设置6个试验处理:湿润(WT);湿润并在湿润期接种AOB菌株(WI);湿润在复水期接种AOB菌株(WR);旱后复水(DT);出苗后接种AOB菌株进行旱后复水(DI);旱后复水在复水期即时接种AOB菌株(DR)。每个处理的12盆分为4个亚组,每个亚组3盆。每个亚组的3盆为每次测量时每个处理的3个重复。试验流程如图1所示。

图1 试验流程图Fig.1 Flow chart of experiment WT、WI、WR、DT、DI和DR分别代表常规湿润即空白对照、湿润时期接种氨氧化细菌(AOB)菌株、保持湿润在复水期间接种AOB菌株、旱后复水、出苗后接种AOB菌株然后旱后复水和旱后复水在复水期时接种AOB菌株。下同。WT,WI,WR,DT,DI and DR indicate treatments of conventional wetting means blank control,wet with ammonia oxdizing bacteria(AOB)strain inoculation during moist period,wet with AOB strain inoculation during rewatering period,rewatering after drought,inoculated with AOB strain after emergence and rehydrated after drought and rewatering after drought and inoculating AOB strain during the rewatering period. The same below.

1.2.2 试验测定方法出苗后11～22 d为湿润生长期。在湿润生长期第1天,向DI处理和WI处理土壤中接种200 mL纯化的AOB菌液,其他处理土壤中添加200 mL不含AOB的富集培养基。

在接下来的10 d复水期,各组保持湿润。在复水期开始时,在DR和WR处理的亚组3和亚组4土壤中加入200 mL纯化的AOB培养液,在其他处理亚组3和亚组4土壤中加入200 mL不含AOB的富集培养基。在复水后5和10 d,测定各处理亚组3和亚组4玉米生物量和ZR含量,并采集根际土壤。复水3 d后,测定各处理亚组3的Pn、Gs和Tr。在复水后6和9 d,每个处理的亚组4进行同样的流程。

干旱胁迫的田间持水量为50%～55%。湿润土壤的田间持水量为75%～80%。采用Wang等［21］的方法计算土壤含水量(Csw):

(1)

式中:Bt、Bd、Be、Bp和Cfw分别为临时整盆重、净干土重、空盆重、估算的所有植物鲜重和每盆田间持水量。

1.3 相关指标测定

1.3.1 生物量和水分利用效率将黏附在根系上的土壤用清水冲洗干净。将根、茎、叶放置在65 ℃烘箱烘干72 h,得到生物量干物质。地上生物量为茎和叶干物质重的总和,总生物量为根、茎和叶干物质重的总和。所有生物量的数据以盆为单位计算。

每盆总生物量增加量除以整个干旱胁迫期和复水期的耗水量来计算水分利用效率。利用干旱胁迫期开始和复水期结束时总生物量的差值计算总生物量增加量。耗水量是通过在整个干旱胁迫和复水期间添加水量计算的。该试验中整个干旱期间W组的耗水量为3 900 mL,旱后复水组D组的耗水量为2 510 mL。

1.3.2 光合特性采用LI-6400光合仪,光照强度、温度和二氧化碳浓度分别设置为1 000 μmol·m-2·s-1、28 ℃和400～420 μmol·mol-1,测定Pn、Gs和Tr。在复水期的0、3、6和9 d上午10:00共测定4次,每个处理测定3株叶片作为重复。

1.3.3 玉米素核甘(ZR)把玉米从茎的根部剪断,然后用1.0 g吸收棉覆盖伤口,吸收木质部汁液12 h。用棉花增加的质量除以1 g·cm-3得到木质部汁液体积。把棉花压实,挤出其中的木质部汁液,收集汁液用于ZR浓度的测定。参照Qin等［22］的方法,采用酶联免疫法测定叶片和木质部汁液中ZR含量。以每小时采集的木质部汁液中的ZR含量表示根向叶的ZR传递速率。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米生物量和水分利用效率的影响

如图2所示,复水前,WI和DI处理玉米地上生物量和总生物量显著高于其他未接种处理组;10 d干旱期结束后,复水0 d以及DT、DI、DR干旱处理玉米生长缓慢,玉米地上生物量和总生物量低于WT、WI、WR湿润处理;复水后5和 10 d,DT处理总生物量和WT处理持平。WR和WI处理总生物量较WT处理分别提高58.6%和18.8%,旱后复水DR和DI处理总生物量较WT处理分别提高75.4%和22.7%。可见,出苗后接种(DI)和复水0 d即时接种(DR)S2_8_1都发生了超补偿生长现象,但是复水0 d即时接种S2_8_1的促进效果更好。

图2 不同处理玉米每盆生物量和水分利用效率Fig.2 Biomass per pot and water use efficiency of corn in different treatments

从水分利用率来看,DR处理水分利用效率显著高于其他处理,DR处理的水分利用效率分别是WT、WI、WR、DT和DI处理的3.16、2.82、1.75、2.09和1.72倍,同理,DI处理即出苗后接种S2_8_1也可以显著提升水分利用效率,效果仅次于DR处理。DT处理的水分利用效率是WT处理的1.51倍。WT和WI处理的水分利用效率差异不显著,而WR处理显著高于这2组,因此,复水期接种S2_8_1可以促进水分利用。

2.2 不同处理对玉米光合特性的影响

如图3所示,复水前,WT处理玉米的Pn、Gs和Tr显著高于DT,WI处理显著高于DI处理,WR处理显著高于DR处理,表明干旱胁迫抑制了玉米的光合作用。复水后3、6、9 d,DI处理和DR处理的Pn均显著高于DT、WT处理。WR处理Pn显著高于WT处理,与WI处理差异不显著。复水0 d湿润处理的WT、WI、WR组Gs高于旱后复水处理的DT、DI和DR 组,复水后3、6 d接种S2_8_1的WI、WR、DI和DR处理高于其他未接种处理,复水9 d和先后接种差异不明显。复水后6、9 d,接种S2_8_1Tr高于未接种,先后接种差异不明显。

图3 不同处理玉米Pn、Gs和TrFig.3 Pn,Gs and Tr of corn in different treatments

综上表明,复水和接种S2_8_1促进了玉米的光合作用。旱后复水0 d接种S2_8_1的DR处理促进效果最好。在湿润期接种S2_8_1的DI处理也有仅次于DR处理的促进效果,且与湿润复水0 d接种S2_8_1的WR处理持平。

2.3 不同处理对玉米素核苷(ZR)的影响

如图4所示,复水前,WT、WI和WR处理玉米叶片ZR含量、ZR传递速率(RZR)和木质部汁液浓度(CZR)分别显著高于DT、DI和DR处理,因此,干旱胁迫降低了玉米叶片细胞分裂素含量以及从根部向叶片的转运速率。相反,复水逆转了这一趋势,在复水后5 d,DI处理中叶片ZR含量较WI处理显著增加,在复水后10 d,DT和DR处理的ZR含量分别比WT和WR处理显著提升。WI、WR处理之间差异不明显,但这2个处理的ZR含量显著高于WT处理;DR处理ZR含量显著高于DT、DI处理,因此,接种S2_8_1提高了叶片中ZR含量,且复水时接种S2_8_1(DR)比出苗接种S2_8_1(DI)对叶片ZR含量的促进作用更大。

图4 不同处理玉米叶片ZR含量、RZR值和CZR值Fig.4 ZR content,RZR,and CZR of corn leaf in different treatmentsZR:玉米素核苷Zeatin nucleoside;RZR:ZR传递速率ZR transfer rate;CZR:木质部汁液浓度Concentration of xylem sap.

复水后DT、DI和DR处理的RZR分别低于WT、WI和WR处理,但无显著性差异,而接种S2_8_1的WI和WR处理RZR显著高于未接种的WT处理,DI和DR处理RZR显著高于DT处理。复水后10 d各处理CZR没有显著差异,因此,在湿润期和复水期接种S2_8_1对根向叶的RZR和CZR没有影响。总之,接种S2_8_1通过提高RZR提高了叶片ZR含量。

2.4 不同处理后对土壤硝化速率和土壤含量的影响

图5 不同处理玉米根际土壤硝化速率及铵态氮和硝态氮含量Fig.5 Rhizosphere soil nitrification rate and ammonium and nitrate nitrogen contents of corn in different treatments

3 讨论

3.1 接种AOB菌株对玉米旱后复水补偿生长的影响

3.2 不同阶段接种AOB菌株对玉米补偿生长的影响

在实际农业生产中,作物经历干旱后的水分供给主要来源于降雨和农业灌溉,灌溉时间会根据农作物生长需要决定,降雨时间不固定,因此DR处理在复水后即时接种S2_8_1在操作很难,实际应用性不高,比较浪费人力、物力和财力,相比之下,DI处理接种S2_8_1能在旱后复水之后仍在玉米根际土壤中持续稳定发挥作用,提高根际土壤硝化速率,使细胞分裂素从根到叶的传递速率增加,促进叶片中细胞分裂素积累,从而促进玉米干旱胁迫后的补偿生长和水分利用。出苗后即接种土壤AOB细菌(DI)在实际节水农业应用上更具有可实施性,有利于满足农业生产需要,更为简单、高效、经济、实用。本研究结果可为制定作物用水策略和改良农业节水技术提供理论支撑。