内生菌BM18-2浸染对盐胁迫下饲草高粱生长与Na+、K+吸收和运输及饲用品质的影响

毛峥沣 钟小仙

毛峥沣，钟小仙. 内生菌BM18-2浸染对盐胁迫下饲草高粱生长与Na+、K+吸收和运输及饲用品质的影响［J］. 江苏农业科学，2024，52（7）：159-164.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.07.021

1.南京农业大学草业学院，江苏南京 210095； 2.江苏省农业科学院畜牧研究所/国家牧草育种创新基地/农业农村部盐碱土改良（滨海盐碱地）重点实验室，江苏南京 210014］

摘要：以巨大芽孢杆菌BM18-2、饲草高粱苏牧5号为材料，在土壤NaCl胁迫浓度为0、4、6、8 g/kg下，采用盆栽试验，研究了有或无BM18-2处理的苏牧5号幼苗在移栽后生长35 d，植株生长和根、茎、叶中Na+、K+吸收与运输及饲用品质的变化。结果表明，与无菌处理（对照）相比，内生菌BM18-2浸染可促进苏牧5号生长，显著提高有或无NaCl胁迫下根、茎、叶的干重以及盐胁迫下根中Na+含量，降低茎和叶中的Na+含量，显著或极显著提高根中的K+含量，提高茎和叶中的K+含量且土壤NaCl胁迫浓度为6、8 g/kg条件下茎、叶的K+含量均显著提高。与对照BM（0）相比，内生菌BM18-2浸染处理根中的K+/Na+仅NaCl胁迫浓度为6 g/kg时显著提高，极显著提高了NaCl浓度≤8 g/kg 胁迫下饲草高粱茎中的K+/Na+，提高了盐胁迫下苏牧5号叶中的K+/Na+且NaCl胁迫浓度为4 g/kg时显著提高。NaCl胁迫下，有菌处理的选择性运输系数SK+/Na+（stem/root）是无菌处理的1.15～1.39倍，且差异极显著；无盐胁迫条件下，内生菌BM18-2浸染处理的选择性运输系数SK+/Na+（leaf/stem）比无菌处理极显著提高20.57%；土壤NaCl浓度为6、8 g/kg胁迫下SK+/Na+（leaf/stem）显著降低10.48%、12.50%。在土壤NaCl胁迫浓度≤8 g/kg条件下，BM18-2可显著提高苏牧5号的粗蛋白含量、可溶性糖含量和粗饲料分级指数。本研究结果可以为耐盐牧草－巨大芽孢杆菌联合改良海涂和种养结合提供支撑，为牧草专用微生物菌提供实践依据。

关键词：内生菌；巨大芽孢杆菌；盐胁迫；苏牧５号；饲草高粱；饲用品质；选择性运输系数

中图分类号：S514.01  文献标志码：A  文章编号：1002-1302（2024）07-0159-05

全球盐渍土的总面积约1.1×109 hm2，我国的盐渍土总面积为3.69×107 hm2，约占全球的34%，含盐量超过0.4%大田主要农作物生长不良或无法生长，而许多优质高产牧草耐盐性强，可充分利用盐碱地后备耕地资源进行优质青饲料生产［1-3］，为缓解人畜争地争粮的矛盾提供了有效途径。巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）隶属于芽孢杆菌属，在自然界广泛存在，对人畜和环境友好。孙建中等发现了一种源于象草的巨大芽孢杆菌，该菌株具有固氮、溶磷、产IAA特性，浸染杂交狼尾草可大量定殖于根系并显著提高植株耐盐能力、促进其生长［4］；贡笑笑的研究表明，在日粮中添加巨大芽孢杆菌制剂0.4 g/头可提高山羊瘤胃细菌丰富度，抑制肠道中病原菌生长、促进有益菌生长，增强机体免疫功能［5］。许多学者对大豆、拟南芥、鲜食玉米、番茄等作物的研究表明，接种巨大芽孢杆菌可以缓解植株遭受的盐胁迫，促进根系对多种阳离子吸收的方式，从而提高植株抗逆性［6-10］。

江苏省农业科学院钟小仙等从盐碱地生长的杂交狼尾草幼穗中筛选到1株内生巨大芽孢杆菌BM18，经化学诱变获得了巨大芽孢杆菌BM18-2［11］[JP]，已有研究表明，施用BM18-2菌肥可促进杂交狼尾草植株生长、提高重金属Cd污染植物修复能力［12］。笔者以最新育成的高粱属多年生饲草高粱为材料，采用盆栽试验研究内生菌巨大芽孢杆菌BM18-2[JP]浸染对不同NaCl浓度土壤中生长的苏牧5号植株生长、饲用品质和Na+、K+吸收及运输的影响，以期初步明确内生菌BM18-2对饲草高粱的增产效果和耐盐生理机制。

1 材料与方法

1.1 试验材料

巨大芽孢杆菌BM18-2为江苏省农业科学院钟小仙研究员等的国家发明专利授权菌株（专利号ZL201810143961.6），2017年11月10日保藏于中国典型培养物保藏中心（保藏编号为CCTCC NO：m2017679）。本试验所用菌株BM18-2-GFP由江苏省农业科学院畜牧研究所草遗传育种和生态应用创新团队实验室保存于-20 ℃冰箱并提供，使用前经LB液体培养基活化和TYE液体培养基扩繁。LB液体培养基：氯化钠10 g、胰蛋白胨 10 g、酵母膏5 g，溶于1 L蒸馏水；TYE液体培养基：胰蛋白胨 5 g、酵母膏2.5 g，溶于1 L蒸馏水。

饲草高粱苏牧5号是以苏丹草-拟高粱杂交种SS2010-1为母本、甜高粱农家种SS2015为父本的多年生杂交种，由江苏省农业科学院畜牧研究所钟小仙等创制并提供。

1.2 試验方法

本研究在江苏省农业科学院（118°57′E，32°03′N）[JP]的玻璃温室内进行。采用盆栽试验，塑料盆钵直径17 cm、高20 cm，2因子随机区组设计，A[JP2]因子为巨大芽孢杆菌BM18-2浸染接种和不接种（对照），分别记作BM（R）、BM（0）；B因子为土壤盐胁迫浓度，土壤为基质土 ∶黄土=1 ∶1，其中基质土主要成分为白泥炭，其pH值为6.0，土壤结构为中粗，按照质量比添加化学纯NaCl混合均匀，NaCl添加量分别为0、4、6、8 g/kg，记作Na0、Na4、Na6、Na8，苏牧5号饲草高粱每钵3株，每个处理3次重复。2021年4月2日将苏牧5号饲草高粱种子在穴盘中育苗，于幼苗5叶期时挑选健壮、长势一致的植株连根挖起，用自来水洗净根部土壤，修剪根系至3 cm长，叶修剪至叶基点上方10 cm处，将上述植株分为3份，参照Wu等的方法［11］进行内生菌BM18-2浸染接种，将植株根部没过D600 nm=0.6（有效活菌数=6.91×10.6个/mL）的BM18-2菌液2 h；对照幼苗植株根部用水浸泡 2 h，处理完成后将植株移栽至塑料周转箱（长 30 m、宽25 cm、高20 cm）内。缓苗1周后，按照土壤质量比加入0、4、6、8 g/kg NaCl的1/2 Hoagland营养液，定期定量浇水管理。

1.3 测定指标及方法

在盐胁迫第35天取样，将样株的根、茎、叶分离，烘干，称重，粉碎，用于实验室分析。

分别称取0.1 g样品，加入5 mL优级纯浓HNO3，消煮管加盖，冷消化过夜；第2天消煮管去盖，90 ℃加热20 min，然后160 ℃加热至溶液呈白色或黄色透明液体，220 ℃赶酸至近干；冷却后定容到50 mL容量瓶中，摇匀，0.45 μm水系膜过滤后转移到离心管中，以不加样品的处理作为空白对照。用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定根、茎、叶中Na+、K+含量，并计算K+/Na+，植物对Na+、K+在根、茎、叶中的选择性运输系数用SK+/Na+［13-14］表示，SK+/Na+计算公式如下：SK+/Na+（stem/root）＝［茎中K+/Na+］/［根中K+/Na+］；SK+/Na+（leaf/stem）＝［葉中K+/Na+］/［茎中K+/Na+］。

茎叶混合样株采用凯氏定氮法测定粗蛋白（CP）含量，采用索氏提取法测定粗脂肪含量，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，采用van Soets法测定中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）含量［15］，并计算粗饲料分级指数GI［16］，GI（MJ）＝ME（MJ/kg）×DMI（kg/d）×CP（％，DM）/NDF（％，DM），其中：ME＝［4.201 4+0.023 6×（ADF/10）+0.179 4×（CP/10）］×4.185 9，DMI（％，DM）＝120/（NDF/10）。

1.4 数据分析

采用SPSS 26.0软件进行方差分析，用Excel 2016进行数据处理，使用Duncan's新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 BM18-2对盐胁迫下饲草高粱植株生物量的影响

在有或无内生菌BM18-2处理下，苏牧5号饲草高粱植株各部分生物量均随着盐胁迫浓度的升高而极显著降低。内生菌BM18-2处理的苏牧5号植株的根、茎、叶干重均随盐胁迫浓度的升高而下降，幅度均显著小于无菌处理（对照）；相同盐浓度胁迫下， BM18-2 处理的苏牧5号植株根、茎、叶干重均极显著高于无菌处理（表1）。与无盐胁迫相比，土壤盐胁迫浓度为4、6、8 g/kg条件下内生菌BM18-2处理的苏牧5号饲草高粱根干重分别降低16.65%、26.03%、37.69%，茎干重分别降低9.62%、23.38%、33.62%，叶干重分别降低9.23%、20.75%、35.23%；无内生菌处理（对照）的苏牧5号根干重分别降低17.59%、27.09%、39.83%，茎干重分别降低14.76%、29.52%、42.14%，叶干重分别降低15.98%、28.63%、43.77%。与无菌处理相比，相同土壤盐胁迫浓度为4、6、8 g/kg条件下，BM18-2处理的苏牧5号饲草高粱根干重分别显著提高9.69%、10.04%、12.32%；茎干重分别提高5.15%、7.79%、13.78%，其中相同土壤盐胁迫浓度为6、8 g/kg条件下差异显著；叶干重显著提高9.63%、12.68%、16.89%。

2.2 BM18-2对盐胁迫下饲草高粱不同器官Na+和K+含量的影响

无论是BM（0）处理还是BM（R）处理，苏牧5号饲草高粱根、茎、叶中的Na+含量总体上随盐胁迫浓度提高而极显著提高，根、茎、叶中的K+含量随盐胁迫浓度提高而显著下降（表2）。

在Na4、Na6、Na8条件下，BM（R）处理和对照BM（0）苏牧5号饲草高粱根中的Na+含量分别是Na0的2.43、3.28、4.30倍和2.28、3.12、3.67倍，茎中的Na+含量分别是Na0的1.39、1.71、1.92倍和1.67、2.32、2.81倍，叶中的Na+含量分别是Na0的1.58、2.74、2.97倍和1.86、3.02、3.35倍，差异均达到极显著水平。相同盐浓度Na4、Na6、Na8胁迫下，与BM（0）相比，BM（R）处理的苏牧5号饲草高粱根中的Na+含量分别显著提高16.11%、14.53%、27.75%，茎和叶中的Na+含量分别显著降低9.49%、19.89%、25.99%和19.76%、14.18%、16.14%（表2）。

在Na4、Na6、Na8盐胁迫下，BM（R）处理苏牧5号饲草高粱根、茎和叶中的K+含量分别比Na0极显著降低16.70%、23.51%、43.10%，14.06%、29.69%、38.99%和13.34%、28.67%、39.35%；相同盐浓度Na4、Na6、Na8胁迫下，与BM（0）处理相比，BM（R）处理苏牧5号饲草高粱根中的K+含量分别显著或极显著提高10.79%、44.88%、44.21%；茎和叶中的K+含量分别提高4.57%、16.81%、16.56%和6.28%、11.51%、15.68%，且Na6、Na8盐胁迫下K+含量差异显著（表2）。

2.3 BM18-2对盐胁迫下饲草高粱不同器官K+/Na+和选择性运输系数的影响

在有或无内生菌处理下，苏牧5号饲草高粱根、茎、叶中K+/Na+均随盐胁迫浓度的升高而极显著降低。相同盐浓度胁迫下，BM（0）和BM（R）处理苏牧5号各器官K+/Na+均表现为叶＞茎＞根。与BM（0）处理相比，土壤低盐胁迫浓度（4 g/kg）下，内生菌BM18-2处理苏牧5号根中的K+/Na+降低5.03%，但差异不显著；中等盐胁迫浓度（6 g/kg）土壤中生长的苏牧5号根中的K+/Na+显著提高27.16%；高盐胁迫浓度（8 g/kg）土壤中生长的苏牧5号根中的K+/Na+提高13.46%，但差异不显著。相同土壤盐胁迫（4、6、8 g/kg）条件下，BM（R）处理苏牧5号茎和叶中的K+/Na+分别比BM（0）提高15.72%、45.64%、57.48%和25.25%、30.00%、37.23%（表3）。

相同土壤盐浓度（Na4、Na6、Na8）胁迫下，与 BM（0） 相比，BM（R）处理苏牧5号的选择性运输系数SK+/Na+（stem/root） 分别极显著提高19.10%、14.71%、39.13%；无盐胁迫条件下，SK+/Na+（leaf/stem） 极显著提高19.72%，中、高盐浓度（Na6、Na8）下显著降低10.48%、12.50%（表3）。

2.4 BM18-2对盐胁迫下饲草高粱饲用品质的影响

BM18-2可提高盐胁迫下饲草高粱的饲用品质（表4）。与无菌处理BM（0）相比，Na0、Na4、Na6、Na8条件下，BM（R）处理的苏牧5号饲草高粱植株地上部分粗蛋白含量分别显著提高12.08%、13.59%、19.77%、24.66%；可溶性糖含量分别显著提高10.55%、9.28%、13.48%、16.62%；Na0、Na6、Na8條件下，中性洗涤纤维（NDF）和酸性洗涤纤维（ADF）含量均差异不显著，Na4条件下中性洗涤纤维含量显著提高、酸性洗涤纤维显著下降；粗饲料分级指数GI分别提高2955%、26.44%、39.11%、55.25%，且差异达显著或极显著水平。

3 讨论与结论

离子毒害是盐胁迫对植株造成的主要危害之一［17］。盐胁迫下，植物细胞膜会受到损伤，导致其透性增加、离子选择性降低［18-20］。因K+与Na+的水合半径相似，植物对K+的吸收会受到环境中大量Na+的竞争，植物通过选择性吸收和离子区域化作用来限制体内Na+累积，维持细胞K+/Na+平衡，缓解盐离子的毒害作用［21-22］，植物细胞的K+/Na+被认为是衡量植物耐盐性的一个重要指标，植物在盐胁迫下保持K+/Na+稳定的能力越强，其耐盐性越强［23-24］。胡小加等的研究表明，巨大芽孢杆菌A6能促进油菜生长，植株的叶面积、干重、全磷含量和盆栽产量均有所提高［25］。罗欢等的研究表明，NaCl胁迫下，与无菌对照相比，巨大芽孢杆菌CJLC2处理后番茄叶片中可溶性蛋白、可溶性糖含量显著提高，根中Na+含量显著降低，磷、钾、铁等矿质元素含量和K+/Na+显著提高，株高、鲜重、根长等生物量也显著提高，番茄对NaCl胁迫的耐受性增强［10］。本研究结果表明，与无菌处理相比，巨大芽孢杆菌BM18-2浸染能显著提高饲草高粱在NaCl胁迫浓度≤8 g/kg土壤中的根、茎、叶干重以及盐胁迫下根中的Na+、K+含量，显著降低茎和叶中的Na+含量，提高茎和叶中的K+含量，其中土壤中、高NaCl胁迫浓度（6、8 g/kg）下茎和叶K+含量显著提高；根中的K+/Na+仅NaCl胁迫浓度为6 g/kg时显著提高，极显著提高了NaCl胁迫浓度≤8 g/kg下饲草高粱茎中的K+/Na+，提高了盐胁迫下苏牧5号叶中的K+/Na+且NaCl胁迫浓度为4 g/kg时显著提高。

已有结果表明，离子选择性运输系数是用来评估植物各部位对K+和Na+的吸收和分配，盐胁迫条件下内生细菌能够通过调节平衡植物体内离子比例，减轻盐胁迫对植物的伤害［26-27］。本研究结果显示，内生巨大芽孢杆菌BM18-2浸染后的苏牧5号饲草高粱生长35 d时，相同浓度 （4～8 g/kg）NaCl胁迫下，巨大芽孢杆菌处理可显著提高选择性运输系数SK+/Na+（stem/root），低盐浓度（4 g/kg）条件下，选择性运输系数SK+/Na+（leaf/stem）呈现相同的规律，中高NaCl浓度（6、8 g/kg）胁迫下，选择性运输系数SK+/Na+（leaf/stem）显著降低。有关内生巨大芽孢杆菌BM18-2对提高苏牧5号饲草高粱影响的耐盐性机制正在进一步深入研究。

授权国家发明专利和国际专利合作条约（PCT）专利菌株巨大芽孢杆菌BM18-2具有富集镉、固氮、促杂交狼尾草生长的功能［28-29］。本研究结果表明，BM18-2浸染可提高苏牧5号饲草高粱的耐盐生长，同时显著提高饲草高粱的饲用品质。2023年7月6日，巨大芽孢杆菌BM18-2还获得了农业农村部的肥料登记证［编号为微生物肥（2023）准字（12645）号］，为BM18-2在盐碱地改良和优质高产饲草料规模化生产提供了支撑。

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基金项目：江苏省林业科技创新与推广项目（编号：LYKJ［2021］23）；江苏现代农业产业技术体系建设专项（编号：JATS［2023］152）。

作者简介：毛峥沣（1998—），男，浙江宁波人，硕士研究生，主要从事多用途牧草耐盐生理生态研究。E-mail：mzf0207@gmail.com。

通信作者：钟小仙，博士，二级研究员，主要从事草遺传育种与产业化关键技术研究与应用。E-mail：xiaoxian@jaas.ac.cn。