何建清 張格杰 趙偉進(jìn)
摘要:以珍稀植物砂生槐為材料,對(duì)該植物根瘤內(nèi)生細(xì)菌種群組成及其促生潛力進(jìn)行研究,為砂生槐在荒漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。采用YMA培養(yǎng)基通過(guò)平板涂布分離法分離內(nèi)生細(xì)菌,通過(guò)16S rDNA序列同源性分析其遺傳多樣性,采用溶磷圈和鉬銻抗比色法測(cè)定溶磷能力,Salkowski比色法測(cè)定IAA分泌量,微量凱氏定氮法測(cè)定固氮量。結(jié)果表明,從砂生槐根瘤中分離到19株代表性內(nèi)生細(xì)菌,分別屬于芽孢桿菌屬(Bacillus)、解糖假蒼白桿菌(Pseudochrobactrum)、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)、沙雷氏菌屬(Serratia)和普羅威登斯菌屬(Providencia)等5個(gè)屬,其中芽孢桿菌屬為優(yōu)勢(shì)菌屬。在19株供試細(xì)菌中,7株具有良好的溶解無(wú)機(jī)磷能力,溶磷量達(dá)到 100 mg/L 以上;6株菌株具有良好的溶解有機(jī)磷能力,溶磷量達(dá)到42 mg/L以上;5株菌株具有良好的固氮能力,固定氮量達(dá) 44 mg/L 以上;3株菌株具有良好的IAA分泌能力,IAA分泌量達(dá)45 μg/mL以上。利用種子發(fā)芽指標(biāo)測(cè)定高溶磷菌株的促生能力,其中菌株R24能明顯提高砂生槐種子的萌發(fā)率。綜上,西藏砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌遺傳多樣性豐富,且具有良好促生能力,是重要的生物資源。
關(guān)鍵詞:砂生槐;根瘤;內(nèi)生細(xì)菌;16S rDNA;促生能力
中圖分類號(hào): S182 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號(hào):1002-1302(2019)12-0297-05
在研究根瘤菌與豆科植物共生關(guān)系的過(guò)程中,人們發(fā)現(xiàn)根瘤中同時(shí)定居著許多與根瘤菌不同的內(nèi)生菌,這些非共生細(xì)菌生活在根瘤中,但不引起植物產(chǎn)生明顯的病害,為根瘤內(nèi)生細(xì)菌[1-2]。植物內(nèi)生細(xì)菌不僅將植物作為其棲息場(chǎng)所,而且對(duì)宿主植物有促生、防病、內(nèi)生聯(lián)合固氮等廣泛的生物學(xué)作用[3-6],根瘤內(nèi)生細(xì)菌也有類似的作用[7-9]。植物內(nèi)生細(xì)菌因具有多方面的生物學(xué)和生態(tài)學(xué)功能,成為潛力巨大、尚待開(kāi)發(fā)的微生物新資源,受到廣泛重視[10-11]。相對(duì)于植物其他組織部位的內(nèi)生細(xì)菌而言,關(guān)于根瘤內(nèi)生細(xì)菌的研究相對(duì)較少。
砂生槐(Sophora moorcroftiana),別稱西藏狼牙刺、刺柴、金雀花等,藏語(yǔ)名吉瓦,為豆科槐屬多年生矮灌木,是青藏高原特有種[12-13]。砂生槐灌叢主要分布在雅魯藏布江流域中段的寬谷、兩側(cè)低山及拉薩河、年楚河等主要支流的寬谷內(nèi)。作為典型的河谷灌叢,砂生槐具有良好的防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源等重要生態(tài)作用[14-15]。目前關(guān)于砂生槐的研究主要集中在種群和群落結(jié)構(gòu)、繁殖特性、固沙特性和物種多樣性等方面[16-18],迄今未見(jiàn)關(guān)于砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌及其促生性的研究報(bào)道。鑒于此,本研究以西藏砂生槐根瘤為研究材料,探討砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌資源多樣性及其促生潛力,為其在西藏荒漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 根瘤的采集
2017年5—7月分別從西藏米林縣、朗縣、加查縣、林周縣、白朗縣、拉薩市、日喀則市、貢嘎縣、扎囊縣等地采集盛花期和結(jié)莢期砂生槐根瘤樣品。將采集的結(jié)瘤砂生槐根部裝入無(wú)菌自封袋中,并置于裝有冰袋的塑料泡沫箱內(nèi),帶回實(shí)驗(yàn)室備用。
1.2 培養(yǎng)基及試劑
本研究所用的培養(yǎng)基參照文獻(xiàn)[19]配制,其中甘露醇酵母汁(YMA)培養(yǎng)基用于根瘤內(nèi)生細(xì)菌的分離與純化;營(yíng)養(yǎng)瓊脂(NA)培養(yǎng)基用于細(xì)菌的活化培養(yǎng)與保存;阿須貝(Ashby)無(wú)氮培養(yǎng)基用于固氮菌的分離及固氮能力的測(cè)定;磷酸三鈣無(wú)機(jī)磷(PKO)培養(yǎng)基和蒙金娜有機(jī)磷(PVK)培養(yǎng)基用于溶磷菌的分離及溶磷量的測(cè)定;無(wú)色氨酸King培養(yǎng)基[20]用于生長(zhǎng)素分泌量的測(cè)定。S2比色液[21]。
1.3 砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌的分離與純化
砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌的分離與純化參照文獻(xiàn)[22]。首先用自來(lái)水將附著于砂生槐根瘤上的泥土沖洗干凈,放入75%乙醇中浸泡3 min,取出放入0.1%氯化汞溶液中進(jìn)行表面滅菌3 min,再用無(wú)菌水洗滌5~6次,并將最后1次洗液涂布于YMA培養(yǎng)基上,置于28 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 d,若無(wú)菌落生成則表明根瘤表面消毒合格。將表面消毒合格的根瘤依次裝入盛有 0.5 mL 0.85% NaCl的離心管中,用已滅菌槍頭將其壓碎。吸取0.5 mL根瘤汁液均勻涂布于YMA培養(yǎng)基上,將培養(yǎng)皿倒置,28 ℃培養(yǎng)3~7 d。用劃線法進(jìn)行純化,并將純化后的細(xì)菌轉(zhuǎn)接于NA斜面培養(yǎng)基上,4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.4 砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌遺傳多樣性分析
用NA液體培養(yǎng)基將菌株培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,離心收集菌體,按照黃寶靈等的方法[23]提取菌株總DNA,采用16S rDNA通用引物27F:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′和 1 492R:5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′[24]進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)條件:94 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性30 s,52 ℃退火30 s,72 ℃延伸10 min,共30個(gè)循環(huán)。取PCR產(chǎn)物在 0.7%的瓊脂糖凝膠上進(jìn)行電泳。PCR產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳后回收純化測(cè)序(上海英駿生物技術(shù)有限公司),將所測(cè)得的基因序列與GenBank中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行Blast相似性比對(duì)分析,然后用DNA分析軟件ClustalX 1.8進(jìn)行多重序列比較,再用MEGA 5.0軟件通過(guò)鄰接法(neighbour-joining)建立系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。
1.5 砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌促生能力研究
1.5.1 溶磷能力測(cè)定 定性測(cè)定:采用溶磷圈法測(cè)定待測(cè)菌株的溶磷能力。定量測(cè)定:采用鉬銻抗比色法定量測(cè)定上清液中有效磷的含量和pH值[25]。
1.5.2 固氮能力 定性測(cè)定:將待測(cè)菌株菌懸液涂布在Ashby無(wú)氮固體培養(yǎng)基上,28 ℃培養(yǎng)48 h后觀察生長(zhǎng)情況。定量測(cè)定:采用微量凱氏定氮法測(cè)定菌株的固氮量。固氮量根據(jù)以下公式[26]進(jìn)行計(jì)算:
N=[(V1-V2)×14×1 000]/V。
式中:V1為樣品滴定時(shí)所用的0.005 mol/L標(biāo)準(zhǔn)硫酸溶液體積,mL;V2為空白滴定時(shí)所用的0.005 mol/L標(biāo)準(zhǔn)硫酸溶液體積,mL;14為1 mmol氮的質(zhì)量,mg;V為菌株培養(yǎng)液樣品體積,mL。
1.5.3 產(chǎn)IAA能力 采用Salkowski比色法[21]測(cè)定菌株分泌植物生長(zhǎng)激素(IAA)的性能。Salkowskis(S2)比色液配制:FeCl3 4.5 g,溶于1 L 10.8 mol/L濃硫酸中。將0.3 mL菌懸液接種于盛有30 mL已滅菌無(wú)色氨酸King培養(yǎng)基中,在 28 ℃、150 r/min 恒溫?fù)u床上振蕩培養(yǎng)7 d,12 000 r/min離心 10 min,每菌株取0.1 mL上清液滴至檢測(cè)板上,加等量S2比色液,另取比色液0.1 mL,分別加入50、30、10 mg/L標(biāo)準(zhǔn)植物生長(zhǎng)激素0.1 mL作梯度對(duì)照,室溫靜置15 min后觀察顏色變化,確定菌株是否具有分泌IAA的能力。取能夠分泌IAA菌株的上清液1 mL加入等量S2比色液中,于黑暗中靜置30 min后用紫外分光光度計(jì)在530 nm處測(cè)定吸光度,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算各菌株的IAA分泌量。
1.5.4 溶磷菌對(duì)砂生槐種子萌發(fā)的影響 將溶磷能力較高的菌株接種于PVK液體培養(yǎng)基中,28 ℃ 200 r/min振蕩培養(yǎng)3 d,備用。種子在處理前先用75%乙醇溶液浸泡3 min,再用0.1% HgCl浸泡5 min,然后用無(wú)菌水沖洗5~6次。用各菌株液體浸沒(méi)砂生槐種子(標(biāo)準(zhǔn)為剛好浸沒(méi)),處理4 h后倒掉處理液,陰干。將各處理的60粒種子(每皿20粒,3次重復(fù))均勻放入鋪有3層無(wú)菌濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中,于 25 ℃ 條件下暗培養(yǎng)7 d。發(fā)芽期間每天定時(shí)噴灑無(wú)菌水2次并檢查種子發(fā)芽情況,以胚根伸出種殼長(zhǎng)度達(dá)1/2種長(zhǎng)為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),按下列公式計(jì)算發(fā)芽率:
發(fā)芽率=7 d種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%。
2 結(jié)果與分析
2.1 內(nèi)生細(xì)菌的分離純化
通過(guò)劃線分離、革蘭氏染色鏡檢、菌落形態(tài)觀察等方法,從經(jīng)表面滅菌處理的砂生槐根瘤樣品中分離純化獲得45株砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌,通過(guò)形態(tài)特征和培養(yǎng)特征去重復(fù)后獲得19株代表菌株。
2.2 砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌的遺傳多樣性分析
對(duì)19株代表性菌株的16S rDNA基因片段進(jìn)行序列測(cè)定,利用NCBI中的Blast對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行同源性比對(duì)搜索,運(yùn)用MEGA 5.0構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。從系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(圖1)可以看出,砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌屬于5個(gè)不同的屬,分別為芽孢桿菌屬(Bacillus)8株、解糖假蒼白桿菌(Pseudochrobactrum)4株、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)3株、沙雷氏菌屬(Serratia)2株和普羅威登斯菌屬(Providencia)2株,其中,芽孢桿菌屬為優(yōu)勢(shì)菌種,占所分離菌株的42.1%,與前人報(bào)道結(jié)果[27-28]相一致。
2.3 砂生槐內(nèi)生細(xì)菌體外促生指標(biāo)測(cè)定結(jié)果
2.3.1 溶磷能力測(cè)定 本試驗(yàn)測(cè)定了19株在無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷固體培養(yǎng)基上培養(yǎng)7 d的砂生槐根瘤內(nèi)生細(xì)菌的溶磷圈直徑(D)和菌落生長(zhǎng)直徑(d),并計(jì)算了相應(yīng)的D/d值。在PKO培養(yǎng)基上,供試的19株菌株中有7株菌株能夠產(chǎn)生溶磷圈,占供試菌株的36.8%,由表1可知,7株菌株的D/d值大小差異顯著,D/d值分布在1.3~3.3之間,其中菌株R1的D/d值最大,為3.3。在蒙金娜有機(jī)磷培養(yǎng)基上,6株菌株能夠產(chǎn)生溶磷圈,占供試菌株的31.6%,菌株的D/d值為 1.2~2.6(表2),其中菌株R2的D/d值最大,為2.6。為進(jìn)一步確定各菌株溶磷能力的強(qiáng)弱,本研究利用鉬銻抗比色法定量檢測(cè)菌株溶磷能力。數(shù)據(jù)分析結(jié)果(表1、表2)顯示,在以磷酸鈣作為磷源的液體培養(yǎng)條件下,培養(yǎng)7 d后7個(gè)菌株的溶磷量為100.06~128.71 mg/L,其中菌株R1的溶磷能力最強(qiáng),達(dá)128.71 mg/L,其次是菌株R21,溶磷量為 122.80 mg/L,兩者溶磷量均與菌株R8溶磷量(最小溶磷量)之間差異顯著(P<0.05)。在以卵磷脂為唯一有機(jī)磷源的液體培養(yǎng)條件下,6株菌株的溶磷量范圍為42.60~92.70 mg/L,其中R24具有良好的溶解有機(jī)磷能力,溶磷量達(dá) 92.70 mg/L,其次是菌株R2,溶磷量為56.72 mg/L,兩者溶磷量均與菌株R7溶磷量(最小溶磷量)之間差異顯著(P<0.05)。通過(guò)上述分析得出,R7、R8和R10能同時(shí)降解無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷。
從表1、表2可以看出,在溶磷培養(yǎng)過(guò)程中,各菌株培養(yǎng)液的pH值均呈下降趨勢(shì),由最初的7.00下降到4.7~5.3之間,下降了1.7~2.3個(gè)單位。
2.3.2 固氮能力測(cè)定 利用微量凱氏定氮法測(cè)定固氮菌株的固定氮量,部分菌株表現(xiàn)較強(qiáng)的固氮能力,培養(yǎng)7 d固定氮量達(dá)到44 mg/L以上,菌株間的固氮能力存在顯著差異(表3)。
2.3.3 IAA分泌特性 定性檢測(cè)結(jié)果(表4)顯示,有7株菌株呈現(xiàn)出色澤不同的紅色顯色反應(yīng)。從定量測(cè)定的結(jié)果看,菌株R17分泌IAA的能力最大,分泌量達(dá)49.22 μg/mL,與其余菌株的IAA分泌量之間具有顯著差異(P<0.05);其次為菌株R20,IAA分泌量為48.40 μg/mL,與其余菌株的IAA分泌量之間均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。IAA分泌能力的定性和定量分析結(jié)果基本一致,即在定性測(cè)驗(yàn)中顯色效果明顯的菌株,對(duì)應(yīng)的IAA分泌量也比較高。
2.3.4 種子發(fā)芽結(jié)果 從圖2可以看出,除菌株R2、R10處理的發(fā)芽率小于對(duì)照外,菌株R7、R8、R16、R24均具有一定的促生效應(yīng),和對(duì)照相比,對(duì)應(yīng)種子發(fā)芽率分別提高了20%、40%、40%和80%。
3 結(jié)論與討論
本研究通過(guò)YMA培養(yǎng)基從砂生槐根瘤內(nèi)分離到代表性內(nèi)生細(xì)菌19株,16S rDNA序列分析結(jié)果顯示,分離自砂生槐根瘤的內(nèi)生細(xì)菌分別屬于芽孢桿菌屬(Bacillus)、解糖假蒼白桿菌(Pseudochrobactrum)、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)、沙雷氏菌屬(Serratia)和普羅威登斯菌屬(Providencia),其中Bacillus屬為優(yōu)勢(shì)菌群,這與代金霞等關(guān)于根瘤內(nèi)生細(xì)菌的研究結(jié)果[11,28]一致。在19株內(nèi)生細(xì)菌中存在一些具有高效促進(jìn)植物生長(zhǎng)的特異菌株,這些菌株及菌株組合可用于西藏荒漠化地區(qū)的土壤改良和生態(tài)恢復(fù)等。
對(duì)比定量與定性測(cè)定數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),溶磷圈法的準(zhǔn)確度遠(yuǎn)不及搖瓶復(fù)篩法,試驗(yàn)中,在解無(wú)機(jī)磷細(xì)菌篩選過(guò)程中,很多在使用溶磷圈法測(cè)定時(shí)沒(méi)有溶磷能力的菌株,在復(fù)篩的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)其解磷能力較強(qiáng)。在解有機(jī)磷細(xì)菌篩選過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在卵磷脂平板上生長(zhǎng)很好的菌株,放到搖瓶復(fù)篩時(shí),其解磷能力很差,甚至沒(méi)有解磷能力,這與朱培淼等的報(bào)道[29-30]一致,因此,建議在菌株篩選過(guò)程中,通過(guò)D/d值篩選出的溶磷菌株必須通過(guò)液體培養(yǎng)法來(lái)進(jìn)一步判斷其真實(shí)溶磷能力。
許多研究結(jié)果表明,影響根瘤菌與其宿主共生固氮的因素較為復(fù)雜,除遺傳因素起主導(dǎo)作用外,生態(tài)環(huán)境也有可能成為生物生存的重要調(diào)節(jié)因素[2,31-32]。陳文新等認(rèn)為,根瘤菌與豆科植物之間的共生結(jié)瘤關(guān)系比較復(fù)雜,受多種因素影響,根瘤菌與豆科植物的共生關(guān)系涉及細(xì)菌、植物及環(huán)境3方面的相互作用[33]。在調(diào)查采樣中發(fā)現(xiàn),并非所有地區(qū)的砂生槐都能夠結(jié)瘤,只在米林縣、朗縣和山南地區(qū)水分條件較好、由地表徑流沖刷形成的沖積溝底和兩旁灘地上的砂生槐根系中發(fā)現(xiàn)根瘤,而其他地區(qū)的砂生槐根系中沒(méi)有或極少著生有根瘤。這可能與青藏高原降水量少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、氣候干燥、溫度較低等因素有關(guān)系,也可能與采樣時(shí)間對(duì)砂生槐不適宜有關(guān),因此對(duì)影響砂生槐能否結(jié)瘤的因素還需進(jìn)一步研究。
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