張 揚(yáng),郭春蘭,陳伏生,吳小芹,桂許維,嚴(yán)無暇
(1.南京林業(yè)大學(xué) 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/林學(xué)院,江蘇 南京 210037;2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 江西特色林木資源培育與利用2011協(xié)同創(chuàng)新中心,江西 南昌 330045)
毛竹(Phyllostachysedulis)為禾本科竹亞科的高大喬木,已成為農(nóng)林產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、林業(yè)增效、林農(nóng)增收的主要經(jīng)濟(jì)林種[1]。目前毛竹林經(jīng)營大都以粗放型為主,長期的不合理經(jīng)營導(dǎo)致毛竹林地土壤貧瘠,磷鉀等營養(yǎng)元素缺乏[2],而磷、鉀作為植物必需的營養(yǎng)元素,是其生長發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ),然而在我國南方土壤中磷主要以難溶性磷酸鹽的形式存在,鉀主要以礦物形態(tài)存在于鉀長石中,不能被直接吸收和利用[3]。因此如何將土壤中難溶性磷、鉀轉(zhuǎn)化為供毛竹直接吸收的可溶性磷、鉀目前倍受關(guān)注[4]。隨著國家對生態(tài)環(huán)境的重視和人們對無公害食品的需求加劇,化學(xué)肥料帶來污染竹林生態(tài)環(huán)境、土壤板結(jié)等一系列問題日益突出,應(yīng)用微生物制劑來替代部分化肥逐漸成為研究熱點(diǎn)。
根際促生細(xì)菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)作為生長在植物根際土壤的微生物,具有促進(jìn)植物生長、提高植物抗性等功能[5-6]。研究表明,PGPR在對提高小麥、大豆及玉米等農(nóng)作物的促生方面有著良好效果[7],在林業(yè)上的應(yīng)用研究也漸為熱點(diǎn)。魏偉等[8]從馬尾松根際篩選出2株優(yōu)良PGPR菌株,能顯著的促進(jìn)馬尾松苗生長,尤其對根系質(zhì)量促生效果顯著。Zeng等[9]對楊樹實(shí)生苗施用PGPR菌劑JW-SD2,顯著的促進(jìn)了楊樹的生長。然而目前關(guān)于毛竹PGPR菌株方面的研究還較少,僅有韓爍從毛竹根際土壤中篩選解磷細(xì)菌并對其多樣性進(jìn)行了初步分析[10]。因此,本研究從毛竹根際土壤中篩選具有溶磷解鉀及產(chǎn)生IAA的根際促生菌,并通過盆栽試驗(yàn)驗(yàn)證其促生效應(yīng);通過拮抗試驗(yàn)驗(yàn)證其對毛竹枯梢病病原菌竹喙球菌(Ceratosphaeriaphyllostachydis)有無拮抗作用。對促進(jìn)毛竹健康生長及提高竹林生產(chǎn)力提高具有重要意義,更為開發(fā)毛竹生長相關(guān)生物制劑提供菌株資源。
1.1.1 樣品采集 分別在江西省井岡山大井林場、宜春市官山林場和大港林場毛竹標(biāo)準(zhǔn)樣地中選取長勢良好的3度竹,鏟去表土,將黏附在毛竹根系上的根際土壤裝入無菌袋中,標(biāo)明采集點(diǎn)、日期、土樣號(hào),及時(shí)置于4 ℃冰箱保存,備用,每個(gè)樣地采集4份,共12份土壤樣品。3個(gè)采樣地土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。
表1 3個(gè)采樣地的基本土壤理化性質(zhì)
數(shù)據(jù)是平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,n=5
Data are means±SE,SE is standard error,n=5
1.1.2 培養(yǎng)基 牛肉膏蛋白胨固體培養(yǎng)基(NA),馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基(PDA),解磷培養(yǎng)基(NBRIP)[11],解鉀培養(yǎng)基[12],金氏培養(yǎng)基B(King培養(yǎng)基)[13]。
1.1.3 供試菌株 毛竹枯稍病病原菌竹喙球菌(C.phyllostachydis)保存于江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林保護(hù)教研室,由中國林業(yè)微生物菌種保藏中心贈(zèng)送。
1.2.1 毛竹根際溶磷細(xì)菌篩選 各樣品稱取10.0 g毛竹根際土壤,放入裝有90 mL無菌水的250 mL搖瓶(加1滴吐溫80),室溫下180 r/min振蕩60 min。采用稀釋平板法[14],挑取單菌落轉(zhuǎn)至NA斜面,28 ℃培養(yǎng)2~3 d,于4 ℃冰箱保存,備用。
1.2.2 毛竹根際溶磷細(xì)菌溶磷能力測定 按照Mehta[15]的方法進(jìn)行操作,將篩選出來的細(xì)菌接種于NBRIP平板培養(yǎng)基上,30 ℃ 培養(yǎng)4~6 d,觀察有無溶磷圈產(chǎn)生,并采用游標(biāo)卡尺分別測量溶磷圈直徑(D)和菌落直徑(d),計(jì)算溶磷圈與菌落直徑比(D/d)。比值越大,表示溶磷能力越強(qiáng);將細(xì)菌接種于裝有50 mL NBRIP培養(yǎng)液的100 mL三角瓶中,設(shè)置相同體積空白種子液的NBRIP培養(yǎng)液為對照。各接種處理3個(gè)重復(fù),30 ℃,180 r/min下振蕩培養(yǎng)8 d,將發(fā)酵液離心10 min(4 ℃,10 000 r/min),采用鉬銻抗比色法測定上清液中可溶性磷的含量[16]。
1.2.3 毛竹根際細(xì)菌株解鉀能力測定 將篩選的細(xì)菌接入裝有50 mL解鉀培養(yǎng)基的100 mL三角瓶中,28 ℃、180 r/min條件下振蕩培養(yǎng)7 d,將發(fā)酵液先在500 r/min,10 min條件下除去發(fā)酵液中的不溶性物質(zhì),然后在10 000 r/min,10 min條件下離心收集上清液,采用火焰分光光度計(jì)法測定上清液中有效鉀的含量[17]。
1.2.4 毛竹根際細(xì)菌株分泌IAA特性 采用Salkowski 比色法測定產(chǎn)IAA能力[18]。取IAA標(biāo)品,配置成0,0.5,2.5,5.0,7.5,10,12.5,15.0,17.5,25.0,50.0 mg/L的濃度梯度,取2 mL各濃度IAA 加入等量的氯化鐵比色液(PC比色液),30 ℃中暗保溫30 min,波長530 nm下利用分光光度計(jì)測定吸光度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得方程y=31.868x(R2=0.994 7)。將篩選的已純化細(xì)菌接種至King 培養(yǎng)基搖床培養(yǎng)15 d,按標(biāo)準(zhǔn)曲線制作方法測定發(fā)酵液中IAA含量。
1.2.5 毛竹根際細(xì)菌菌株的溫室施用試驗(yàn) 將JGSB02和JGSB06菌株活化后,用接種環(huán)挑取少量菌體接種于牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中28 ℃,180 r/min振蕩下培養(yǎng)48 h。發(fā)酵液(4 ℃,5 000×g)離心5 min,無菌生理鹽水潤洗菌體3次并調(diào)節(jié)菌懸液(108cfu/mL)制成菌劑。接種毛竹實(shí)生苗(苗齡90 d),培養(yǎng)基質(zhì)按照土壤∶砂子∶蛭石=2∶1∶1的配比,滅菌后備用。接種試驗(yàn)分為3種處理,分別為接種JGSB02、JGSB06、對照處理CK(接種無菌生理鹽水),每種處理20株毛竹苗,各施入10 mL菌劑。定期對各處理澆水,及時(shí)除去雜草。栽培120 d后測定苗高、地徑。
1.2.6 根際促生菌株對毛竹枯梢病病原菌拮抗作用 (1)平板對峙試驗(yàn)。用打孔器(直徑=5 mm)在培養(yǎng)5 d的毛竹枯梢病原菌竹喙球菌菌落邊緣打取菌餅,接于PDA平板中央,將用NA 斜面活化的優(yōu)良菌株劃線接種于PDA平板兩側(cè),以只接病原菌為對照CK,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。28 ℃培養(yǎng)4 d觀察有無抑菌帶,并測量抑菌帶寬度。
(2)細(xì)菌發(fā)酵液對病原菌生長的影響。將優(yōu)良菌株接種于NB培養(yǎng)基中,28 ℃(200 r/min)下培養(yǎng)2 d。發(fā)酵液經(jīng)10 000 r/m離心20 min后,取上清液用0.22 μm微孔濾膜過濾即得無菌濾液。取無菌濾液5 mL與20 mL冷卻到40 ℃的PDA培養(yǎng)基混合倒平板;以無菌水代替無菌濾液為對照。再將病原菌菌塊點(diǎn)接于平板中間。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),28 ℃培養(yǎng)6 d,測定濾液對毛竹枯稍病病原菌竹喙球菌(C.phyllostachydis)的生長抑菌率。計(jì)算公式如下:
生長抑菌率=(對照平板菌落直徑-帶濾液平板菌落直徑)/(對照平板菌落直徑-菌塊直徑)×100%
1.2.7 毛竹根際細(xì)菌的鑒定 按照《常見細(xì)菌系統(tǒng)鑒定手冊》進(jìn)行菌株形態(tài)與生理生化分析[19]。并利用Biolog進(jìn)行鑒定(鑒定步驟參照說明書)。
1.2.8 數(shù)據(jù)處理 運(yùn)用Microsoft Excel 2013整理數(shù)據(jù),利用SPSS18.0 軟件做統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)以mean±SD 表示。采用CTAB法提取總DNA[20],引物采用27f和1 495r,PCR 產(chǎn)物送生工生物工程(上海)股份有限公司測序。將測序獲得的16S rDNA序列在NCBI上進(jìn)行BLAST比對,將這些序列采用Bioedit軟件的Multiple Sequence Alignment程序進(jìn)行多序列同源性分析,并利用軟件MEGA6.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(Bootstrap=1 000)[21]。
從毛竹根際土壤中共分離純化68株細(xì)菌,其中17株細(xì)菌具有溶磷功能,能在NBRIP無機(jī)磷培養(yǎng)基上產(chǎn)生清晰的溶磷圈。其中,6株來自大港林場土樣,7株來自井岡山大井林場及4株來自官山林場。JGSB02和JGSB06菌株產(chǎn)生的溶磷圈最大(圖1),D/d比值分別為1.92,1.65 cm(表2),表明這2株細(xì)菌具有較強(qiáng)的溶磷能力。
圖1 毛竹根際2株高效溶磷菌株 Fig.1 Phosphorus solubilizing capability of two bacteria from bamboo rhizosphere
菌株StrainD/d可溶性磷含量/(mg·L-1)The content of soluble phosphorus采樣地Sampling siteDGD061.3±0.0273.90±4.36d大港林場DGD071.2±0.0426.35±4.70c大港林場DGD081.1±0.069.92±1.30ab大港林場DGD091.1±0.048.56±2.36ab大港林場DGD101.2±0.0215.76±0.80b大港林場DGD151.5±0.08123.47±6.53f大港林場JGSB021.92±0.07165.42±6.00kl大井林場JGSB041.6±0.05156.33±4.04ij大井林場JGSB 061.65±0.05160.29±2.57jk大井林場JGSB081.4±0.03119.74±1.89f大井林場JGSB102.0±0.06149.87±3.65hi大井林場JGSB121.4±0.05146.44±5.76jk大井林場JGSB252.1±0.08146.47±6.47h大井林場GS011.7±0.05119.24±4.12f官山林場GS41.2±0.0397.36±2.76e官山林場GS081.4±0.04117.40±4.91f官山林場GS0121.9±0.06142.60±5.49l官山林場CK-3.29±1.00a-
數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤,同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同
Each value in the table represents mean± standard error,within the same column followed by different small letters indicate significant difference (P<0.05),the same below
將產(chǎn)生溶磷圈的菌株分別接種于NBRIP-BPB液體培養(yǎng)基中振蕩培養(yǎng)5 d后,測定各菌株對磷酸三鈣的溶解能力,結(jié)果顯示,這3個(gè)樣地中分離的PGPR菌株溶磷能力差異顯著,從大井林場土樣中分離的PGPR菌株溶磷能力最強(qiáng)。其中JGSB02和JGSB06發(fā)酵液中可溶性磷含量明顯高于其他菌株和CK,溶磷量分別為165.42,160.29 mg/L(表2)。
不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)Different small letters indicate significant difference (P<0.05)圖2 毛竹根際JGSB02和JGSB06菌株解鉀能力Fig.2 Potassium releasing ability of JGSB02 and JGSB06 from bamboo rhizosphere
培養(yǎng)7 d后發(fā)酵液中鉀的含量,結(jié)果如圖2顯示。從圖中可以看出,在接種菌株JGSB02和JGSB06的培養(yǎng)瓶中,可溶性鉀的含量顯著高于對照,表明菌株JGSB02和JGSB06均能將鉀長石中難溶性鉀溶出。JGSB02解鉀量為3.83 mg/L;JGSB06解鉀量為3.13 mg/L,表明菌株JGSB02和JGSB06對鉀長石中難溶性鉀具有較好的解鉀作用。
采用Salkowski 比色法對JGSB02和JGSB06菌株定量測定,結(jié)果顯示菌株JGSB02和JGSB06具有較好的產(chǎn)IAA能力,其IAA 分泌量分別為4.38,10.27 mg/L,且菌株JGSB06分泌IAA能力要強(qiáng)于JGSB02(表3)。
表3 毛竹根際JGSB02和JGSB06菌株分泌IAA 能力
數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤
Each value in the table represents mean± standard error
在溫室條件下,將JGSB02和JGSB06菌劑分別施用于毛竹實(shí)生苗根部,施用120 d后測定苗高和地徑,結(jié)果如表4顯示,施菌處理竹苗的苗高和地徑均顯著高于未施菌處理,JGSB02和JGSB06菌株處理的苗高增長率分別為30.95%和52.17%,地徑增長率分別為28.57%和51.79%。上述結(jié)果說明JGSB02和JGSB06菌株對毛竹實(shí)生苗有顯著的促生作用(圖3,表4)。
圖3 JGSB02和JGSB06菌株的液體菌劑對毛竹促生長效果Fig.3 Promoting effect on seedling growth of bamboo after inoculate JGSB02 and JGSB06
處理Treatment苗高/mmSeedling height增長率/%Growth rate地徑/mmGround diameter增長率/%Growth rateJGSB0234.74±2.11b30.952.16±0.67ab28.57JGSB0640.37±1.25c52.172.55±0.45b51.79CK26.53±1.86a-1.68±0.52a-
2.5.1 平板抑菌作用 平板對峙試驗(yàn)顯示JGSB02和JGSB06菌株對竹喙球菌有較好的抑菌作用(圖4),抑菌圈直徑分別達(dá)至2.37,2.92 cm(表5)。
圖4 2株優(yōu)良細(xì)菌對病原菌平板對抗 Fig.4 The inbibition zone of three strains to pathogenic fungi
菌株 Strain抑菌圈直徑/cm Diameter of inhibition zoneJGSB022.37±0.05aJGSB062.92±0.11a
2.5.2 優(yōu)良菌株發(fā)酵液對病原菌生長的影響 2株優(yōu)良促生細(xì)菌JGSB02和JGSB06的發(fā)酵液對病原菌均有較強(qiáng)的抑菌活性,且效果顯著,其中JGSB06抑菌效果較好,達(dá)至66.99%(表6)。
表6 2株促生細(xì)菌發(fā)酵液對病原菌的抑菌活性
2.6.1 菌株的形態(tài)、生理生化特性 JGSB02和JGSB06菌株在NA培養(yǎng)基上培養(yǎng)48 h,菌落呈圓形,稍微隆起,顏色為淡乳白色,不透明(圖5)。細(xì)胞呈桿狀,革蘭氏染色陰性。生理生化特性鑒定結(jié)果如表7。
2.6.2 16S rDNA 序列分析 JGSB02和JGSB06菌株的16S rDNA序列已提交至GenBank,登錄號(hào)分別為MF285776 和MF285777。由圖6的系統(tǒng)發(fā)育樹可知,JGSB02、JGSB06菌株與Burkholderiacepacia同處于一個(gè)分支,說明它們的序列相似性很高,即親緣關(guān)系很接近,結(jié)合菌落、菌體特征、生理生化等指標(biāo),將JGSB02和JGSB06菌株鑒定為Burkholderiacepacia。
圖5 JGSB02和JGSB06菌株菌落形態(tài)Fig.5 The colony morphology of JGSB02 and JGSB06 bacteria
處理 Treatment菌株編號(hào) StrainJGSB02JGSB063%KOH溶解性 3% KOH solubility --接觸酶 Oxidase++氧化酶 Oxidase++明膠水解 Gelatin hydrolysis--淀粉水解 Starch hydrolysis --檸檬酸鹽利用 Citrate using++吲哚試驗(yàn) Indole production++甲基紅試驗(yàn) Methyl red--硝酸鹽還原 Nitrate reduced to nitrite--丙二酸鹽利用 Malonate using++V-P測定 V-P determination--革蘭氏染色 Gram stainG-G-需氧性實(shí)驗(yàn) Aerobism需氧需氧菌體形態(tài) Bacterial form桿狀桿狀
“-”表示反應(yīng)陰性;“+”表示反應(yīng)陽性
“-” show negative reaction;“+” show positive reaction
圖6 JGSB02和JGSB06菌株的系統(tǒng)進(jìn)化樹Fig.6 Phylogenetic tree based on the 16S rDNA sequence of JGSB02 and JGSB06
2.6.3 優(yōu)良菌株的Biolog 鑒定 JGSB02和JGSB06菌株在Biolog鑒定板上培養(yǎng)18~24 h時(shí)的讀數(shù)相似值(SIM)均大于0.5,符合Biolog系統(tǒng)關(guān)于理想結(jié)果的要求,確定菌株為Burkholderiacepacia。此結(jié)果與形態(tài)、生理生化特征和分子鑒定結(jié)果一致。
毛竹林主要分布于長江流域以南缺P的丘陵紅壤區(qū),江西為毛竹主產(chǎn)區(qū),林地地力衰弱、養(yǎng)分供應(yīng)不足是毛竹資源培育中面臨的主要問題之一,土壤養(yǎng)分缺乏導(dǎo)致竹材、竹筍產(chǎn)量逐年呈下降趨勢,嚴(yán)重威脅著毛竹林的持續(xù)經(jīng)營利用。最新研究表明磷素已成為限制毛竹生產(chǎn)力的首要因子,鉀素也嚴(yán)重缺乏[22],而土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和生化過程的主要參與者與調(diào)節(jié)者,在驅(qū)動(dòng)土壤中的物質(zhì)循環(huán)和營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)功能等方面起著十分重要的作用。植物根際促生菌(PGPR)能促進(jìn)植物對磷、鉀元素的吸收與利用,可產(chǎn)生代謝產(chǎn)物有利于植物的生長發(fā)育,促進(jìn)植物生長[23]。Beheraa等[24]在印度紅樹林土壤中篩選出PGPR菌株Serratiasp.能較好的提高植物對磷素的吸收和利用。尚學(xué)麗等[25]利用解鉀細(xì)菌研究其對土壤礦物的解鉀效應(yīng),發(fā)現(xiàn)解鉀細(xì)菌對鉀長石和伊利石有顯著的解鉀效應(yīng),并能影響諸如Si、Fe等元素的遷移。本試驗(yàn)從毛竹根際篩選具有溶磷解鉀能力的菌株,發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)根際土壤解磷細(xì)菌分布及解磷能力存在差異,這可能與土壤類型及土壤有機(jī)質(zhì)等理化性質(zhì)有關(guān)。研究表明,溶磷解鉀細(xì)菌在生長代謝過程中可產(chǎn)生有機(jī)酸和植物激素類物質(zhì),如赤霉素、IAA的等激素[26-27],進(jìn)而促進(jìn)植物的生長發(fā)育。本試驗(yàn)證實(shí)了2株溶磷解鉀效果較好的細(xì)菌JGSB02和JGSB06均能具有產(chǎn)生IAA能力。目前在毛竹PGPR菌株的應(yīng)用方面僅有韓爍等[10]從毛竹根際土壤和根系中篩選了具有解磷功能的細(xì)菌,并發(fā)現(xiàn)Bacillussp.和Burkholderiasp.是分布在毛竹根際土壤中的解磷細(xì)菌優(yōu)勢屬。本文篩選的2株優(yōu)良的毛竹根際促生細(xì)菌具有較好的溶磷、解鉀及產(chǎn)IAA能力,豐富了PGPR微生物的種質(zhì)資源,并具有應(yīng)用于毛竹微生物肥料開發(fā)研制的潛力。
通過生理生化和分子鑒定表明這2株細(xì)菌隸屬于洋蔥伯克霍爾德氏菌群(Burkholderiacepaciacomplex,簡稱BCC),BCC是一組表型相近但基因型相異的復(fù)合物,而不是具體的一個(gè)種,目前發(fā)現(xiàn)由17個(gè)基因型構(gòu)成[28]。本研究中這2株菌株和Burkholderiacepacia親緣關(guān)系最近,后期還需要采用recA特異性PCR技術(shù)及recA基因序列系統(tǒng)發(fā)育分析對其進(jìn)行基因型鑒定,進(jìn)而做出更準(zhǔn)確的鑒定。BCC菌株在林業(yè)方面應(yīng)用報(bào)道相對于農(nóng)業(yè)方面還是比較少[28],已有研究報(bào)道Burkholderiasp.菌株具有解磷、固氮、產(chǎn)ACCA脫氨酶活性及拮抗土傳病害等功能,能顯著促進(jìn)作物的生長[29]。任嘉紅等[30]從楊樹體內(nèi)分離到Burkholderiapyrrocinia菌株,對楊樹有著顯著促生作用,而且對楊樹潰瘍病有著較好的生防作用,田間防治效果可40.5%。Ghosh等[31]發(fā)現(xiàn)菌株Burkholderiasp.具有較好的溶磷能力,溶磷量達(dá)至517.12 mg/L,能定殖在石松屬植物根系并顯著促進(jìn)其生長。本文將JGSB02和JGSB06菌株對毛竹實(shí)生苗進(jìn)行接種試驗(yàn),結(jié)果表明,這兩株細(xì)菌能顯著的促進(jìn)毛竹生長。同時(shí),對毛竹枯梢病病原菌具有較好的拮抗效果,具有作為生防菌株的較大潛力。另外相比于其他生防菌株,BCC菌株大量的分布于禾本科植物根圍根際土壤中[32],具有較好的應(yīng)用前景。因此,本研究的篩選的2株溶磷解鉀細(xì)菌可作為促進(jìn)毛竹生長和生防的潛在PGPR菌株。
目前普遍認(rèn)為BCC的生防機(jī)制與其產(chǎn)生的代謝物有關(guān),比如硝吡咯菌素、洋蔥菌素吩嗪、木假絲菌素、賽派素等具有抗菌作用的物質(zhì),國際上也認(rèn)同利用BCC產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物進(jìn)行植物病害生物防治[28]。關(guān)于本文中2株促生菌對病原菌拮抗作用機(jī)制尚需更深入的研究,弄清生防和促生機(jī)理,使其在毛竹病害防治和促生長過程中發(fā)揮最大潛力。