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陈 佳等 南京林业大学学

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梭梭根际根瘤菌对紫花苜蓿生长及耐盐性的影响

陈 佳，缑晶毅，赵 祺，韩庆庆，李慧萍，姚 丹，张金林*

兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，草地微生物研究中心，农业农村部草牧业创新 重点实验室，草地农业教育部工程研究中心，兰州大学草地农业科技学院。

土壤盐渍化现已成为严重影响全球生态环境，制约农业生产的重要非生物胁泊因子之一。土壤盐分过高会抑制植物生长、破坏植物细胞渗透势、降低光合作用、减弱蛋白质及脂类代谢,造成植物代谢功能紊乱,甚至导致植物绝产死广。

氮素是植物必需的大量元素之一,是蛋白质与核酸等有机物的基本组成元素,参与植物的生长发育、物质合成与代谢等一系列生物学过程。空气中的氮绝大多数以N?形式存在,不能被植物直接利用,而农业生产施用大量氮肥来提高作物产量,直接导致了严重的环境污染。早在1888年,德国科学家发现豆科植物与根瘤菌共生可以将氮气转化成植物需要的氮素营养。在根瘤菌-豆科植物共生中,豆科植物为根瘤菌提供适宜的固氮环境及生长所必需的碳水化合物;作为回 ,根瘤菌将氮气转变成含氮化合物,满足豆科植物对氮元素的需求。根瘤菌(Sinorhizobium meliloti )作为一种重要的根际促生菌(PGPR) ,能够定殖于宿主植物根系某些特殊细胞或组织内形成根瘤以促进植物生长,提高植物产量和品质,培肥土壤,并在一定程度上提高宿主植物对非生物胁迫的耐受性。

紫花首蓿(Medicago satia)为豆科首蓿属的多年生草本植物,其营养、饲用价值位于牧草之首,有“牧草之王”的美誉。但紫花首蓿耐盐性较差,盐胁迫严重影响其营养吸收、光合作用和生长发育。另外,根瘤菌-紫花荀蓿共生固氮体系对外界盐浓度非常敏感,盐胁迫严重抑制根瘤发育和共生固氮,这限制了紫花首蓿种植范围的扩大、产量的提升和品质的改盖。

多浆旱生植物梭梭(Haloxylon ammodendron)是藜科(Chenopodiaceae)梭梭属多年生灌木或小乔木,是我国西北荒漠植物群系中的优势建群种。它具有极强的耐盐碱、抗旱和耐贫瘠能力,其粗壮强大的主根系蕴含丰富的可培养细菌。目前,关于我国荒漠植物梭梭的研究主要集中于植物自身的生长发育和栽培技术,而关于挖掘荒漠植物根际根瘤菌促进豆科植物生长并提高其耐盐性的研究鲜有 道。

下面跟学 君一探究竟！

张金林，男，1975年10月出生，博士，兰州大学草地农业科技学院 草地农业生态系统国家重点实验室教授、博士生导师，主要从事植物逆境生理和分子生物学、根际促生菌-植物互作的生理和分子机制方面的教学和科研工作。

陈佳，女，1996年11月出生，兰州大学草地农业科技学院草学学术型硕士研究生。主要从事根际促生菌-豆科植物互作机制研究。

关键词：梭梭根际；根瘤菌；紫花苜蓿；促生作用；耐盐性

基金项目：国家重点研发计划(2019YFCO507703);国家自然科学基金项目(31222053)。

引文格式：陈佳,缑晶毅,赵祺,等.梭梭根际根瘤菌对紫花荀蓿生长及耐盐性的影响[J].南京林业大学学 (自然科学版), 2021,45(6):97-108.CHEN J,HOU J Y,ZHAO Q,et al.lnduced growth and salt tolerance of alalia by thizobium strains from the thinmosphere of Haloxylon ammodendron[J].Jourmal of Nanjing Forestry University (Natural Sciences Edition) ,2021,45(6):97-108.DOI：10.12302/j. issn.1000-2006.202012040.

1目的

土壤盐渍化是降低植物生产力、制约农业发展的主要非生物胁迫因素之一,豆科植物共生固氮菌对土壤盐渍化非常敏感,因此探讨盐胁迫下荒漠植物根际根瘤菌资源对紫花荀蓿生长及耐盐性的影响,有望为豆科植物新型复合微生物菌肥的研发和增强紫花首蓿(Medicago sativa)耐盐能力提供理论基础和优质菌种资源。

2方法

以从梭梭(Haloxylon ammodendron)根际分离得到的3株根瘤菌(WAW-10、WA30-5和WM30-21)为研究对象,探究0和300 mmol/L NaCl处理下3株梭梭根际根瘤菌对紫花首蓿生长和耐盐性的影响。

2.1 试验材料

3株菌现均保存于兰州大学草地农业科技学院草类植物逆境生理与遗传改良研究所。参考菌株首蓿中华根瘤菌(Sinorhizobium meliloti) Sm1021由中国科学院植物研究所沈世华研究员惠赠。

▼表 1 供试的3株梭梭根际根瘤菌菌株

▲梭梭图片

2.2 研究方法

精选一批紫花首蓿种子,浓硫酸浸泡10 min并不断摇晃,无菌水清洗10次以上,将消毒完全的种子装于小三角瓶中于4 ℃冰箱中春化24 h,备用。

TY 液体培养基按照胰蛋白脉5 g/L、酵母粉3g/L和无水氯化钙0.665 g/L的比例配制,用标准型pH计(PB-10,北京赛多利斯)调pH至7.4，使用立式压力蒸汽灭菌锅(LDZX-50KBS，上海申安)高温灭菌,待冷却后在超净工作台上加入菌液,每100 mL的TY 液体培养基分别添加100 μL的WAW -10、WA30-5、WM30-21和 Sm1021菌液;在转速180 r/min , 28 ℃条件下的恒温培养摇床(THZ-300,上海一恒科技)中过夜培养;使用紫外可见分光光度计(V-5800型)测定菌液浓度,调节菌液浓度使其OD600为0.10时取出备用。

3结果

接种3株梭梭根际根瘤菌均促进了正常条件和盐胁迫下紫花首蓿植株的生长,叶绿素含量、根系活力、含碳量和含氮量均显著提升,尤以菌株WM30-21的综合效果最佳;各接菌处理均可诱导紫花首蓿结瘤,尤以菌株WM30-2l的效果最佳。盐胁迫下,接种3株梭梭根际根瘤菌均提高了紫花荀蓿的过氧化氢酶活性,降低了相对质膜透性和丙二醛含量,从而维持了质膜的相对完整性;并提高了紫花首蓿叶片可溶性糖和脯氨酸含量,从而增强了渗透调节能力;还降低了紫花首蓿植株中的Na?含量、维持K?含量的相对稳定,从而提高了K?/Na?比,其中以菌株WM30-21的效果最佳。

3.1 3株梭梭根际根瘤菌对紫花苜蓿根瘤生长的影响

不论在正常条件还是盐胁迫条件下,接种3株梭梭根际根瘤菌均能诱导紫花荀蓿形成根瘤,且与参考菌株 Sm1021相比无明显差异。正常生长条件下,各处理所结根瘤均为粉红色的有效根瘤,多为棒状;当300 mmol/ L NaCl处理10 d 时,各处理仍可结瘤,尤其是菌株 WM30-21处理所结根瘤多为粉红色有效根瘤,结瘤状态良好(图1)。

▲图 1 盐胁迫下3株梭梭根际根瘤菌对紫花苜蓿结瘤的影响

3.2 3株梭梭根际根瘤菌对紫花苜蓿生长的影响

3.2.1 3株梭梭根际促生菌对紫花苜蓿生物量的影响

不论在正常生长条件还是盐胁迫下，接种3株梭梭根际根瘤菌能够促进紫花苜蓿地上部及根的生长。正常条件下,接种梭梭根际根瘤菌的幼苗比空白对照长势更好、更高(图2)。与空白对照相比，接种WAW-10、WA30-5和WM30-21菌株处理的株高分别显著提高了39.1%、25.8%和30.5% (P<0.05),接种 WM30-21菌株处理的根长增加了23.3% (P<0.05);与参考菌株 Sm1021相比,接种3株梭梭根际根瘤菌的幼苗根长分别增加了36.6%、33.0% ,46.4% (P<0.05)(图2)。

300 mmol/L NaCl处理10 d时,接种WAW-10、WA30-5、WM30-21菌株处理的紫花首蓿与空白对照相比,株高分别显著提高了40.5%、36.0%和43.2% (P<0.05),与菌株Sm1021相比分别提高了18.2%、14.4%和20.5% (P<0.05);接种WA30-5和WM30-21菌株处理的根长比空白对照分别伸长了43.3%和49.4%(P<0.05),与 Sm1021相比分别提高了25.2%和36.0% (P<0.05)(图2)。

▲图 2 盐胁迫下3株梭梭根际根瘤菌对紫花苜蓿株高和根长的影响

注:图中不同小写字母表示各处理间差异显著（P<0.05）。下同。

接种3株梭梭根际根瘤菌的紫花首蓿幼苗生物量均优于空白对照和Sm1021。正常条件下,接种3株梭梭根际根瘤菌的地上部鲜质量与空白对照相比分别显著增加了44.7% 、52.0%和55.4%(P< 0.05),地上部干质量分别显著增加了79.1% ,60.3%和103% (P<0.05) ,根鲜质量分别提高了2.31倍、1.50倍和1.08倍(P<0.05),根干质量分别提高了2.06 倍、1.39倍和1.91倍(P<0.05)(图3);与参考菌株Sm1021相比,接种3株梭梭根际根瘤菌处理的根鲜质量分别显著提高了155% 、92.7%和60.0%(P<0.05),菌株WAW-10和WM30-21处理的根干质量分别增加了28.7%和22.5% (P<0.05)(图3)。

▲图 3 盐胁迫下3株梭梭根际根瘤菌对紫花苜蓿生物量的影响

300 mmol/L NaCl 处理下,与空白对照相比,3株梭梭根际根瘤菌处理的地上部鲜质量分别显著提高了1.41倍、1.90倍和1.30倍(P<0.05) ,地上部干质量分别增加了61.4% 、90.6%和97.2%(P<0.05),根鲜质量分别提高了1.13倍、1.17倍和1.08倍(P<0.05),根干质量增加了3.11倍、3.23倍和3.29倍(P<0.05)(图3);与参考菌株 Sm1021相比,地上部鲜质量分别显著提高了36.88% ,64.9%、30.76% (P<0.05),地上部干质量分别增加了24.13% 、46.57% 、51.65% (P<0. 05),根鲜质量分别提高了44.71% 、47.48% 、41.63%(P<0.05),根干质量增加了59.79% 、64.29% ,66.57%(P< 0.05)(图3)。

3.2.2 3株梭梭根际促生菌对紫花苜蓿叶绿素含量与根系活力的影响

接种3株梭梭根际根瘤菌均能提高紫花荀蓿幼苗叶绿素含量。正常生长条件下,接种菌株WAW-10、WA30-5、WM30-21处理的叶绿素含量与空白对照相比分别显著增加了36.3%、12.2%和48.4% (P<0.05);在300 mmol/L NaCI处理下,接种3株梭梭根际根瘤菌的叶绿素含量与空白对照相比分别显著提高了74.0% ,39.6%和46.7% (P<0.05)(图4)。

接种3株梭梭根际根瘤菌显著提高了紫花荀蓿根系活力。在正常条件下,接种菌株WAW-10、WA30-5和WM30-21处理的根系活力较空白对照分别显著提高了36.0% 、38.5% 、86.4% (P<0.05); 300 mmol/L NaCl处理下,根系活力较对照分别增加了4.12倍、5.99倍、6.61倍(P<0.05) ,WA30-5和WM30-21处理比参考菌株Sm1021分别提高了75.8%和91.4% ( P<0.05)(图4)。

▲图 4 盐胁迫下3株梭梭根际根瘤菌对紫花苜蓿叶绿素含量与根系活力的影响

3.2.3 3株梭梭根际促生菌对紫花苜蓿碳氮含量的影响

在300 mmol/ L NaCl处理下,各接菌处理均显著提高了紫花首蓿植株中的碳含量(图5)。与空白对照相比,接种3株梭梭根际根瘤菌WAW-10、WA30-5和WM30-21分别显著提高地上部碳含量23.7% 、21.4% 、19.3% ,且显著提高根部碳含量30.2%、28.8%和31.7%,与接种首蓿中华根瘤菌Sm1021无显著差异(P> 0.05)。在正常条件下，接种Sm1021、 WAW-10和WM30-21分别显著提高紫花首蓿地上部氮含量35.3% 、29.8%和35.6%(P> 0.05);接种WA30-5和WM30-21分别显著提高根部氮含量21.1%和26.0% (P<0.05)。在300 mmol/L NaCl处理下,接种3株梭梭根际根瘤菌WAW-10、WA30-5和WM30-21分别显著提高地上部氮含量30.9% 、25.5%和32.5%,与接种Sm1021无显著差异(P> 0.05);接种Sm1021和WM30-21分别显著提高紫花荀蓿根部氮含量18.3%和13.1%,两接种处理间无显著差异(P>0.05)(图5)。

▲图 5 盐胁迫下3株梭梭根际根瘤菌对紫花苜蓿碳氮含量的影响

3.3 盐胁迫下3株梭梭根际根瘤菌对紫花苜蓿质膜完整性的影响

接种梭梭根际根瘤菌