薛冬,黃向東,宋根娣,楊瑞先,王慧敏,羅秋玲
洛陽(yáng)理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023
磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要物質(zhì)基礎(chǔ),但土壤中95%以上的磷是難以被植物吸收利用的難溶性磷(Pérez et al.,2007)。通過(guò)施肥進(jìn)入土壤的磷大部分與鈣、鐵、鋁等金屬陽(yáng)離子相結(jié)合形成難溶性磷酸鹽而在土壤中積累,容易造成磷礦資源浪費(fèi)以及土壤板結(jié)、環(huán)境污染等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題(李海云等,2015)。溶磷微生物能夠?qū)⑼寥乐须y溶性磷轉(zhuǎn)化為植物可吸收利用的形態(tài),提高磷肥利用率,減少環(huán)境污染,被認(rèn)為是安全、高效活化土壤難溶磷的生物措施(Sharma et a1.,2013)。溶磷微生物在土壤中存活及其溶磷能力易受植物種類和根際土壤環(huán)境等因素影響,因此,從特定植物根際環(huán)境篩選獲得與植物親和性好、易于在根際定殖的高效溶磷微生物,是當(dāng)前亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。
迄今為止,從植物根際土壤篩選得到的溶磷微生物主要包括細(xì)菌、真菌和放線菌,并且溶磷真菌的數(shù)量和種類遠(yuǎn)少于溶磷細(xì)菌,但其溶磷能力普遍高于溶磷細(xì)菌,并具有較強(qiáng)的溶磷遺傳穩(wěn)定性(趙小蓉等,2002;王光華等,2003;于群英等,2012)。目前,已研究報(bào)道的溶解難溶無(wú)機(jī)磷能力較強(qiáng)的真菌主要有曲霉屬(Aspergillus)和青霉屬(Penicillium),其中,拜萊青霉(Penicillium bilaii)能顯著提高土壤有效磷含量,促進(jìn)多種作物產(chǎn)量的提高,是國(guó)際上普遍認(rèn)可的溶磷效果非常好的溶磷真菌,應(yīng)用該菌制成的溶磷微生物肥料已在加拿大被商業(yè)化生產(chǎn)(王光華等,2003;Elias et al.,2016)。國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用巨大芽孢桿菌(Bacillus megatarium)生產(chǎn)溶磷微生物肥料(史發(fā)超等,2014)。因此,不斷挖掘高效溶磷真菌菌種資源具有重要意義和應(yīng)用前景。
牡丹(Paeonia suffruticosa)屬于毛茛科芍藥屬落葉小灌木,素有“國(guó)色天香”、“花中之王”之美譽(yù),隨著牡丹產(chǎn)業(yè)由觀賞、藥用拓展至食用、保健等多個(gè)領(lǐng)域,其種植面積逐年增加。施肥是非常重要的牡丹栽培管理措施,為使牡丹花大色艷和高產(chǎn),過(guò)量施用無(wú)機(jī)磷肥已成為普遍現(xiàn)象,這造成牡丹園土壤理化性狀及結(jié)構(gòu)惡化、微生物種群結(jié)構(gòu)失衡、病害嚴(yán)重(Xue et al.,2014;Huang et al.,2014)。然而,有關(guān)牡丹根際土壤溶磷微生物的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究從牡丹根際土壤中篩選溶磷效果較好的溶磷真菌,研究確定其對(duì)不同難溶磷的溶磷效果及其對(duì)牡丹生長(zhǎng)的影響,旨在為牡丹高效生物肥料的研制提供優(yōu)良菌種資源以及為維持牡丹產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。
無(wú)機(jī)磷培養(yǎng)基:葡萄糖10.0 g,NaCl 0.3 g,KCl 0.3 g,(NH4)2SO40.5 g,MgSO4·7H2O 0.3 g,F(xiàn)eSO4·4H2O 0.036 g,MnSO4·4H2O 0.03 g,Ca3(PO4)25.0 g,瓊脂 18.0 g,蒸餾水 1000 mL,pH 7.0~7.5。
PDA培養(yǎng)基:馬鈴薯 200 g,葡萄糖20 g,瓊脂18 g,蒸餾水1000 mL,自然pH值。
從河南省洛陽(yáng)市國(guó)家牡丹園選擇品種為洛陽(yáng)紅的牡丹健康植株,隨機(jī)挖出5株,抖落根系外圍土,再用毛刷將粘在根上的根際土壤收集到無(wú)菌塑料袋中混勻,立即保存于4 ℃冰箱中,用于牡丹根際溶磷真菌的篩選。
稱取10 g根際土壤樣品于250 mL三角瓶中,加90 mL無(wú)菌水,180 r·min-1振蕩15 min制備土壤懸液,再用 10倍稀釋法,依次制備 10-2、10-3和 10-4的土壤稀釋液,分別涂布于無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基上,然后置于28 ℃生化培養(yǎng)箱倒置培養(yǎng),待菌落長(zhǎng)出后,挑取有明顯溶磷圈且培養(yǎng)特征有明顯區(qū)別的菌落進(jìn)行分離純化,保存。將純化菌株接種于無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基,于28 ℃培養(yǎng)4 d,測(cè)量菌落的溶磷圈直徑(D)與菌落直徑(d),每個(gè)菌株重復(fù)3次。
將純化菌株接種于PDA培養(yǎng)基中培養(yǎng),使其大量產(chǎn)孢,然后洗入無(wú)菌水中,振蕩分散孢子,制備成1×108cfu·mL-1的孢子懸浮液,按照1%的接種量接入到無(wú)機(jī)磷液體培養(yǎng)基,同時(shí)以加入等量的無(wú)菌水作為對(duì)照,每個(gè)處理 3次重復(fù)。于28 ℃、180 r·min-1下振蕩培養(yǎng) 7 d,將培養(yǎng)液于4 ℃、10000 r·min-1下離心 10 min,采用鉬銻抗比色法測(cè)定上清液中有效磷含量(中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司,2010)。
根據(jù)菌株在無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基上的D/d值和液體培養(yǎng)基中的溶磷量,篩選出溶磷效果較好的菌株,對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究。
將菌株接種于 PDA培養(yǎng)基平板,參照《真菌鑒定手冊(cè)》觀察其培養(yǎng)特征,顯微鏡下觀察菌絲有無(wú)隔膜、孢子的形狀、顏色及其著生方式等菌體形態(tài)特征(魏景超,1979)。
采用真菌基因組DNA抽提試劑盒提取菌株的基因組 DNA,以通用真菌引物 NS1( 5′-GTAGTCATATGCTTGTCTC-3′) 和 NS6(5′-GCATCACAGACCTGTTATTGCCTC-3′)擴(kuò)增菌株的18S rDNA序列,測(cè)序由上海生工生物工程股份有限公司完成,將所測(cè)得序列通過(guò)NCBI的Blast程序與GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中核酸序列進(jìn)行比對(duì),將該菌株序列以及相似性較高序列使用ClustalX 2.1軟件進(jìn)行完全比對(duì)分析,然后采用MEGA 6.06軟件的Neighbor-Joining法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。
將菌株接種到PDA培養(yǎng)基上傳代培養(yǎng)30次,將每代培養(yǎng)物接種于無(wú)機(jī)磷液體培養(yǎng)基中,于28 ℃、180 r·min-1下振蕩培養(yǎng)7 d,測(cè)定其有效磷含量,分析菌株溶磷量隨傳代次數(shù)的變化。
以無(wú)機(jī)磷液體培養(yǎng)基為基礎(chǔ),將難溶磷源分別設(shè)置為等量的磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉,培養(yǎng)基的其他成分不變,按照 1%的接種量將菌株的孢子懸液接入到含不同難溶磷源的培養(yǎng)基中,同時(shí)設(shè)不接菌對(duì)照,每個(gè)處理3次重復(fù),28 ℃、180 r·min-1下振蕩培養(yǎng)7 d,分別于第24、48、72、96、120、144、168小時(shí)測(cè)定培養(yǎng)液中有效磷含量和pH值。
供試土壤取自河南省洛陽(yáng)市國(guó)家牡丹園褐土,有機(jī)碳 13.2 g·kg-1,全氮 1.26 g·kg-1,有效磷 12.8 mg·kg-1,pH 值 7.40。采用口徑為 16 cm,深為 15 cm的塑料盆缽進(jìn)行試驗(yàn),每盆裝土1 kg。試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照處理(不接菌,分別施用磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅、磷礦粉)、接種菌株處理(接菌,分別施用磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅、磷礦粉),每種處理6個(gè)重復(fù)。將無(wú)菌水制備的菌株孢子懸液(1×108cfu·mL-1)以 10 mL·kg-1的用量均勻施加到土壤中,每種難溶磷源以 1 g·kg-1的用量與其充分混勻。采用沙藏層積和低溫處理洛陽(yáng)紅牡丹種子,選取生根長(zhǎng)度一致的種子種植于盆中,每盆1株,80 d后,測(cè)量牡丹株高、葉面積、根長(zhǎng)、地上部干重、地下部干重,同時(shí)測(cè)定土壤有效磷含量(鮑士旦,2000)。
運(yùn)用Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,圖表中數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。運(yùn)用軟件 SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析(One-way ANOVA),在0.05顯著性水平下進(jìn)行LSD差異顯著性檢驗(yàn)和多重比較分析。
經(jīng)過(guò)初篩,能在無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基上形成明顯溶磷圈的真菌菌株共 3株(表 1),將菌株編號(hào)為PPSF1-3,其中,菌株P(guān)PSF1的溶磷圈D/d>2.0(圖1)。通過(guò)無(wú)機(jī)磷液體培養(yǎng)基復(fù)篩,菌株P(guān)PSF1的溶磷量顯著高于菌株P(guān)PSF2和PPSF3。無(wú)論采用無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基還是無(wú)機(jī)磷液體培養(yǎng)基,菌株P(guān)PSF1均表現(xiàn)出較好溶磷效果,因此,將其作為進(jìn)一步研究的供試菌株。
表1 牡丹根際溶磷真菌的溶磷能力Table 1 Phosphate solubilization capacity of strains isolated from Paeonia suffruticosa rhizosphere
圖1 菌株P(guān)PSF1在無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基上形成的溶磷圈Fig. 1 Soluble phosphorus halo generated by strain PPSF1 in inorganic phosphate solid medium
圖2 菌株P(guān)PSF1在PDA 培養(yǎng)基上的菌落(a)、菌絲(b)、分生孢子頭(c)及分生孢子(d)形態(tài)Fig. 2 Morphologies of the colony (a), mycelium (b), conidial head (c), and conidiophore (d) of strain PPSF1 on PDA medium
菌株P(guān)PSF1在PDA固體培養(yǎng)基上的形態(tài)特征見(jiàn)圖2。該菌生長(zhǎng)迅速,菌落不透明,正面呈黑色,邊緣有白色絨狀菌絲,反面有放射性凹溝。菌絲多細(xì)胞有隔膜,分生孢子梗頂端膨大形成球形頂囊,表面以放射狀生出小梗,分生孢子為球形,呈褐黑色。根據(jù)以上特征,初步確定該菌株為曲霉屬(Aspergillus)的黑曲霉(Aspergillus niger)。
菌株 PPSF1的 18S rDNA序列經(jīng)測(cè)定長(zhǎng)度為1300 bp,提交于GenBank數(shù)據(jù)庫(kù),序列登錄號(hào)為MG890328。在NCBI上通過(guò)Blast同源性比對(duì)分析,以同源性較高的序列構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖3),菌株P(guān)PSF1與黑曲霉(Aspergillus niger)的同源性達(dá)到100%,處于發(fā)育樹(shù)的同一分支,親緣關(guān)系最為接近。結(jié)合菌株的形態(tài)特征,進(jìn)一步確定菌株P(guān)PSF1為黑曲霉(Aspergillus niger)。
圖3 基于18S rDNA序列同源性構(gòu)建菌株P(guān)PSF1的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig. 3 Phylogenetic tree of strain PPSF1 constructed based on the homology of 18S rDNA sequences
將菌株P(guān)PSF1傳代培養(yǎng)30次,隨傳代次數(shù)的增加,其溶磷量未發(fā)生顯著變化(圖4),基本穩(wěn)定在(711.2±22.8) mg·L-1范圍內(nèi),表明菌株 PPSF1的溶磷能力具有較好的遺傳穩(wěn)定性,此特性有助于該菌株的后續(xù)深入研究及開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
圖4 菌株P(guān)PSF1的溶磷遺傳穩(wěn)定性Fig. 4 Genetic stability of phosphate solubilizing strain PPSF1
由圖5可知,菌株P(guān)PSF1在以磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉為磷源的液體培養(yǎng)基中的溶磷量均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)先逐漸升高而后基本趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。以磷酸鈣和磷酸鋅為磷源時(shí),溶磷量在培養(yǎng)的第 96小時(shí)達(dá)到最高;以磷酸鋁和磷酸鐵為磷源時(shí),溶磷量在培養(yǎng)的第120小時(shí)達(dá)到最高;以磷礦粉為磷源時(shí),溶磷量在培養(yǎng)的第144小時(shí)達(dá)到最高。菌株P(guān)SPSF1在不同無(wú)機(jī)難溶磷源下的最大溶磷量表現(xiàn)為磷酸鈣(720.6 mg·L-1)>磷酸鋅(633.3 mg·L-1)>磷酸鋁(495.7 mg·L-1)>磷酸鐵(386.4 mg·L-1)>磷礦粉(173.9 mg·L-1),表明菌株P(guān)PSF1對(duì)磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉均有較強(qiáng)的溶解能力,并且對(duì)不同難溶磷源的溶磷特性有較大差異。
圖5 菌株P(guān)PSF1在不同磷源條件下的溶磷量(a)及pH(b)Fig. 5 Phosphate solubilization capacity (a) and pH (b) of PPSF1 under different phosphorus sources
菌株培養(yǎng)液的pH在5種無(wú)機(jī)難溶磷源下均呈現(xiàn)先下降后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。以磷酸鈣和磷酸鋅為磷源時(shí),在培養(yǎng)的第 96小時(shí)下降到最低;以磷酸鋁和磷酸鐵為磷源時(shí),在培養(yǎng)的第120小時(shí)下降到最低;以磷礦粉為磷源時(shí),在培養(yǎng)的第144小時(shí)下降到最低。相關(guān)性分析顯示,在磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉培養(yǎng)液中,菌株溶磷量與pH的相關(guān)系數(shù)分別為-0.953、-0.957、-0.947、-0.962、-0.959,均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。
圖6 菌株P(guān)PSF1對(duì)土壤有效磷含量的影響Fig. 6 Effect of strain PPSF1 on soil available phosphate contentn=3
由圖6可知,無(wú)論在施用哪種難溶磷源條件下,接種菌株 PPSF1的土壤有效磷含量均顯著高于未接菌對(duì)照。接種菌株P(guān)PSF1在施用磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉的土壤中有效磷含量分別比相應(yīng)的未接菌對(duì)照提高386.5%、265.3%、175.7%、327.6%和95.7%,菌株P(guān)PSF1對(duì)土壤中不同難溶磷源的溶解能力大小為磷酸鈣>磷酸鋅>磷酸鋁>磷酸鐵>磷礦粉,在以磷酸鈣為磷源條件下其溶磷效果最好。
在施用磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉條件下,接種菌株P(guān)PSF1對(duì)牡丹生長(zhǎng)指標(biāo)的影響見(jiàn)表2。與未接菌對(duì)照相比,接種菌株P(guān)PSF1使牡丹株高、葉面積、根長(zhǎng)、地上部干重和地下部干重均顯著增加,分別提高了19.8%~40.7%、13.6%~22.7%、29.7%~46.2%、34.5%~58.5%和 41.2%~64.4%。菌株P(guān)PSF1在不同難溶磷源條件下對(duì)牡丹生長(zhǎng)的促進(jìn)效果表現(xiàn)為磷酸鈣>磷酸鋅>磷酸鋁>磷酸鐵>磷礦粉,在以磷酸鈣為磷源條件下對(duì)牡丹生長(zhǎng)的促進(jìn)效果最好,使牡丹的株高、葉面積、根長(zhǎng)、地上部干重和地下部干重分別增加40.7%、22.7%、46.2%、58.5%和64.4%。
牡丹根際溶磷真菌相對(duì)較少,僅分離到3株能在無(wú)機(jī)磷固體培養(yǎng)基上形成明顯溶磷圈的真菌菌株,溶磷效果較好的菌株 PPSF1被鑒定為黑曲霉(Aspergillus niger),目前已有從小麥(Triticum aestivum)、大豆(Glycine max)、花生(Arachis hypogaea)、白菜(Brassica pekinensis)、西紅柿(Lycopersicon esculentum)、類蘆(Neyraudia reynaudiana)等植物根際土壤分離到具有溶磷能力的黑曲霉的研究(馮宏等,2010;劉文干等,2012;Lietal.,2015;Tallapragada,2015;Xiao et al.,2015;楊順等,2018)。然而,已報(bào)道的黑曲霉的溶磷能力有較大差異,其對(duì)磷酸鈣的溶磷量大都在300~500 mg·L-1。本研究從牡丹根際分離到的菌株P(guān)PSF1對(duì)磷酸鈣的最高溶磷量為720.6 mg·L-1??赡苡捎诤谇狗蛛x地覆蓋植物不同,不同植物根系分泌物及根部脫落物長(zhǎng)期為其提供的生長(zhǎng)環(huán)境及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的差異,導(dǎo)致同種溶磷菌因來(lái)自不同環(huán)境而出現(xiàn)定殖能力及溶磷能力的差異(Dassen et al.,2017;丁晶等,2017;黃藝等,2018)。
液體培養(yǎng)試驗(yàn)及盆栽試驗(yàn)均表明,溶磷真菌PPSF1對(duì)磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉等不同無(wú)機(jī)難溶磷源均具有較強(qiáng)溶解能力,表明該菌應(yīng)用范圍很廣,在含有多種難溶態(tài)磷源的土壤中均能發(fā)揮溶磷作用。本研究發(fā)現(xiàn),溶磷真菌PPSF1對(duì)不同難溶態(tài)磷源的溶解特性有較大差異,可能由于不同難溶態(tài)磷源的結(jié)構(gòu)和成分差異較大,導(dǎo)致溶磷微生物對(duì)其溶解能力顯著不同。
劉文干等(2012)從花生根際篩選到的溶磷菌黑曲霉(Aspergillus niger)B1-A,在不同接種量下,對(duì)磷酸鐵和磷酸鋁的溶磷量與培養(yǎng)液pH呈極顯著負(fù)相關(guān)。喬志偉等(2013)從石灰性土壤分離到的黑曲霉(Aspergillus niger)Z60,在磷酸鐵培養(yǎng)液中的有效磷含量與培養(yǎng)液pH呈顯著負(fù)相關(guān),而在磷酸鋁培養(yǎng)液中的有效磷含量與 pH相關(guān)性不顯著。馮宏等(2010)從類蘆根際土壤分離到的黑曲霉(Aspergillus niger)FP1,在磷酸鈣、磷酸鋁和磷酸鐵培養(yǎng)液中的溶磷量與培養(yǎng)液的pH值均無(wú)顯著相關(guān)性。本研究發(fā)現(xiàn),菌株P(guān)PSF1在磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉培養(yǎng)液中,菌株溶磷量與pH均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。這些結(jié)果表明,溶磷菌的溶磷量與培養(yǎng)液pH的關(guān)系比較復(fù)雜,即使是同種溶磷菌,也可能受菌株不同株型、不同種類難溶性磷酸鹽和不同種類碳氮源的影響。
表2 菌株P(guān)PSF1對(duì)牡丹生長(zhǎng)的影響Table 2 Effect of strain PPSF1 on the growth of Paeonia suffruticosa
有關(guān)溶磷真菌對(duì)植物促生效應(yīng)的研究已有報(bào)道。Singh et al.(2011)的研究發(fā)現(xiàn),施加溶磷真菌草酸青霉(Penicillium oxalicum)使小麥和玉米植株的地上部生物量和地下生物量相對(duì)于對(duì)照均有顯著增加。Xiao et al.(2009)研究表明,土壤中施加溶磷真菌Penicillium expansumHB-1能顯著增加小麥植株的莖與根的干重。史發(fā)超等(2014)報(bào)道溶磷真菌斜臥青霉(Penicillium decumbens)P83對(duì)玉米生長(zhǎng)具有顯著作用,使玉米植株鮮重提高9.5%~89.2%、干重增加35%~231%。本研究顯示,施加Aspergillus nigerPPSF1使牡丹的株高、葉面積、根長(zhǎng)、地上部干重和地下部干重均顯著高于未接菌對(duì)照。眾所周知,植物體內(nèi)多種生理生化過(guò)程都需要磷的參與,磷促進(jìn)細(xì)胞分裂,促使植物生長(zhǎng)發(fā)育。牡丹生長(zhǎng)指標(biāo)的改善很可能由于該溶磷真菌能將土壤中的難溶態(tài)磷溶解為能被牡丹吸收利用的有效態(tài)磷所致(Reyes et al.,2002)。此外,溶磷真菌通過(guò)向根際分泌植物生長(zhǎng)素也可促使牡丹生長(zhǎng)(代金霞等,2017)。
(1)從牡丹根際土壤分離到一株具有較強(qiáng)溶磷能力的真菌菌株 PPSF1,結(jié)合形態(tài)學(xué)特征和 18S rDNA序列分析將其鑒定為黑曲霉(Aspergillus niger)。
(2)菌株P(guān)PSF1對(duì)磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉均具有較強(qiáng)溶解能力,其對(duì)不同磷源的溶磷量表現(xiàn)為磷酸鈣>磷酸鋅>磷酸鋁>磷酸鐵>磷礦粉,在 5種難溶磷源培養(yǎng)液中的溶磷量均與pH呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。
(3)菌株P(guān)PSF1在含有磷酸鈣、磷酸鋁、磷酸鐵、磷酸鋅和磷礦粉的土壤中溶磷效果顯著,使牡丹的株高、葉面積、根長(zhǎng)、地上部干重和地下部干重均顯著增加,有望成為高效生物磷肥的優(yōu)良菌種資源。