甜高粱根際溶磷菌溶磷能力及菌株特性研究

雷學軍，吳毅，黃馨，蔡建波，李卓，吳林世

（1．中南林業科技大學碳循環研究中心，湖南 長沙410004；2．湖南綠心農林科技有限公司，湖南 長沙410117）

磷素是作物生長發育、產量與品質形成必不可少的大量營養元素，作物吸收的磷素主要來自土壤，而土壤中95%以上的磷為植物難以直接吸收利用的無效形式，因此，磷素常成為限制作物生長與產量的主要元素之一［1－3］。全世界約有43%的耕地、我國約有74%的耕地土壤缺磷，2／3的農田嚴重缺磷［4－5］，常通過集中施肥或者增加施肥量以彌補磷素的供應，研究發現，施磷可提高玉米（Zeamays）產量12．20%～20．76%［6］，提高大豆（Glycinemax）產量1．78～2．43倍［7］，提高大豆蛋白質含量8%［8］，具有較明顯的改善作物經濟產量品質的效應。但施入土壤中的磷肥，植物當季的利用率僅為5%～25%，肥料中70%以上的水溶性磷與土壤中的鐵、鋁等金屬元素及鈣離子結合，轉化為難溶性磷酸鹽［3］，進一步削弱了肥料的效力，因此，科技工作者開始將目光聚焦于作物的根際土壤，它們存在著大量的溶磷微生物，能夠將難溶性的磷酸鹽轉化為可溶態，將不可利用的磷素直接供應到作物的根系，而且部分微生物還能分泌生長調節物質，這些生長調節物質能夠直接促進作物生長，因此，開展作物根際溶磷微生物的研究與應用具有重要的現實意義，目前，國內外對于作物根際溶磷微生物已經有零星報道［9－10］，這些報道多集中在功能微生物資源的篩選鑒定，菌肥菌劑的研制方面，菌肥菌劑對作物的促生效應也有所涉及，如Hariprased和Niranjana［11］就開展了相關研究，在甜高粱（Sorghumbicolor）方面的研究較少。

甜高粱為禾本科（Gramineae）高粱屬（Sorghum）一年生草本植物，是一種糖類生物質原料，屬高光效C4植物，是粒用高粱的一個變種，具有生長快，產量高，抗逆性強的特點。因耐旱、耐澇、耐瘠薄、耐鹽堿而有“駱駝作物”之稱，從黑龍江到海南島，從東海之濱到塔里木盆地都可以生長，特別適合于在低質土地上種植［12－14］。該研究是從甜高粱健康植株根際土壤中分離溶磷菌，研究它們的溶磷能力與菌株特性，希望從中篩選出優良菌株，以期為甜高粱生產中磷素的高效供應提供理論基礎與技術依據，為研制高效溶磷生物菌肥提供科學支撐。

1 材料與方法

1．1 采樣地概況

采樣地位于湖南長沙中南林業科技大學植物園種植基地內（28°08′N，112°59′E），海拔87～98m之間。屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫16．9℃，年降水量1400mm，年均日照時數為1726h，無霜期279d左右。年蒸發量1261～1388mm，相對濕度70%～74%。地帶性植被為常綠闊葉林。地貌類型以崗地為主，坡度20°～35°。起伏平緩，相對高差10～20m，土壤類型為典型的第四紀網紋紅壤，地帶性植被為常綠闊葉林。

1．2 土壤樣品的采集

隨機選擇5塊標準地，以5點取樣法取附著于甜高粱健康根系的根際土壤，按常規方法混合后裝入無菌封口袋，低溫保存后帶回實驗室進行溶磷菌分離。

1．3 溶磷菌的分離純化、溶磷能力及菌株特性的測定

將甜高粱根際土壤，利用蒙金娜無機培養基進行分離［9］，待菌落長出后，挑取具有溶磷菌特征的單個菌落純化并保存在LB試管斜面中（4℃）。將培養基上生長的菌株，置于28℃培養箱中培養10d，測定其溶磷圈直徑（D）與菌落直徑（d），根據D／d值初步評估其溶磷性能。溶磷菌溶磷量的定量測定、分泌IAA生長素的定性測定與分泌IAA能力的定量測定分別參考文獻［9］進行。

1．4 統計分析

采用 Microsoft Excel 2003與 SPSS 17．0進行統計分析。

2 結果與分析

2．1 甜高粱根際溶磷菌的分離與篩選

從甜高粱健康根系的根際土壤共分離出無機磷菌株12株，根據溶磷圈直徑（D）與菌落直徑（d）的比值（D／d）這種表征溶磷菌溶磷能力的指標進行初步篩選，將D／d值小于1．50淘汰，共獲得5株高效菌株，5株菌株菌落周圍出現了明顯的透明圈，D／d值趨于穩定，范圍在1．53～4．25之間，初步確定 WD20、WD51菌株溶磷效果比較好，D／d值均大于2．00（表1）。研究中的D／d值與趙小蓉等［10］測得假單胞菌屬的D／d值相仿。

2．2 甜高粱根際溶磷菌溶磷力測定

5個菌株均具有溶磷能力，各菌株溶磷量存在顯著差異，其溶解磷酸鈣增量在107．26～233．95μg／mL之間，相比而言，WD51菌株的溶磷量較強，最高達到233．95μg／mL；WD37菌株溶磷能力較弱，差異達顯著水平（P＜0．05）。定性定量測定結果表明，液體振蕩培養條件下，同一菌株，并不是D／d值越大，溶磷量就越高。固體培養基上 WD20D／d值最高（4．25），溶磷量為186．65μg／mL，WD51D／d值為2．05，溶磷能力最高（表2）。這與李玉娥等［15］在苜蓿（Medicagosativa）根際溶磷菌研究中所得的結果一致。

2．3 甜高粱根際溶磷菌分泌生長素的能力

對分離篩選出的5株溶磷能力較強的溶磷菌，進行IAA分泌能力的測定，結果顯示，不同菌株分泌的IAA濃度差異比較大，定性檢測各供試菌株分泌IAA結果顯示，菌株 WD29顯色反應不太明顯，菌株 WD20顯色反應為深粉紅色，菌株 WD51、WD14、WD37為粉紅色。定量測定發現，IAA分泌量在15．23～27．79 μg／mL之間（表2），各個菌株間分泌IAA量差異均達到極顯著水平（P＜0．01），分泌IAA量最大的菌株WD20與最小的菌株WD29，差值可達12．56μg／mL，而且各菌株分泌IAA的定性與定量測定結果總趨勢相一致。

表1 甜高粱根際溶磷菌的特征分析Table 1 Strain characters of different phosphate－solubilizing bacteria on S． bicolor

表2 甜高粱根際溶磷菌溶磷量與IAA分泌量分析Table 2 Capacity of phosphate dissolving and IAA secretion of different strains on S． bicolor

2．4 不同溶磷菌對甜高粱生長的影響

2．4．1 不同溶磷菌對甜高粱株高的影響 從圖1可知，甜高粱植株的生長量因接種不同溶磷菌而發生了改變，無論第1茬還是第2茬，接種溶磷菌加快了甜高粱的生長，WD51、WD20與WD51＋WD20接種植株株高顯著高于對照（P＜0．05），接種第1茬的株高生長優于第2茬。第1茬各處理（WD51、WD20與 WD51＋WD20）株高較對照分別增加27．67%，17．77% 和32．85%；第2茬增加幅度在24．59%～39．85%之間。2種菌株組合的接種處理與單一最好菌株（WD51）對甜高粱株高增加效果接近，要想評估是否具備協同增效的作用，還需進一步的驗證。其余接種植株株高與對照差異不顯著。

2．4．2 不同溶磷菌對甜高粱莖粗的影響 從圖2可知，溶磷菌對甜高粱莖粗影響明顯，第1茬中各處理（WD51、WD20與 WD51＋WD20）較對照分別增粗123．28%，57．31% 和164．78%；第2茬較對照分別增粗134．93%，99．16% 和199．16%。2茬的增粗效果都很明顯，但增粗效果具有差異，接種菌株WD20甜高粱莖粗的影響不及另外2個處理，相對于第1茬，第2茬的增粗狀況均呈下降趨勢，但WD51＋WD20的降幅最小，說明2種菌株復合作用，可以達到協同增效。WD29、WD37和WD14處理對甜高粱莖粗的影響與對照的差異不顯著，三處理之間也沒有明顯差異。

圖1 不同溶磷菌對甜高粱株高的影響Fig．1 Effect of different phosphorus－solubilizing bacteria on S． bicolor height

圖2 不同溶磷菌對甜高粱莖粗的影響Fig．2 Effect of different phosphorus－solubilizing bacteria on S． bicolor stem diameter

2．4．3 不同溶磷菌對甜高粱干重的影響 從圖3可知，接種菌株對甜高粱干重影響較大，相比對照，各處理在2茬中干重都高于對照。第1茬 WD51、WD20與 WD51＋ WD20處理較對照分別增加27．67%，17．77%和32．85%；第2茬則分別增加44．37%，31．56%和55．32%。可見，溶磷菌對甜高粱干重影響明顯。2種菌株復合作用，也可以達到協同增效。WD29、WD37和WD14處理的甜高粱干重也顯著高于對照，但三者之間差異不顯著。

圖3 不同溶磷菌對甜高粱干重的影響Fig．3 Effect of different phosphorus－solubilizing bacteria on S． bicolor dry weight

3 討論與結論

甜高粱是我國農業生態系統重要組成部分，對于維持農業生態系統結構與功能穩定具有重要意義。本試驗證實了根際促生菌可以影響甜高粱的生長與生物質的累積，揭示了根際促生菌在甜高粱栽培生態中的潛在作用。研究結果為應用根際促生菌促進作物科學管理提供了理論依據。

本研究結果表明，甜高粱接種根際促生菌可明顯提高植株對各種磷源的吸磷量，進而促進作物的生長，這與很多研究結果相一致。不同菌株能夠改善作物的養分累積量，且對于甜高粱的生長與干物質的累積具有一定的增長效應，總趨勢基本一致。試驗通過溶磷圈法，篩選出溶磷菌12株，測定其D／d值篩選出5株溶磷效果顯著的菌株，采用鉬銻抗比色法測定溶磷能力及分泌生長素（IAA）特性。篩選的菌株分解磷酸鈣的能力存在顯著差異，溶磷量在107．26～233．95μg／mL之間，各菌株均具有分泌IAA能力，IAA分泌量在15．23～27．79μg／mL之間，接種溶磷菌后甜高粱株高、莖粗、干重都比對照提升明顯。

甜高粱具有生長快、產量高、抗逆性強的特點，已成為重要的糖類生物質原料，其生長發育、產量與品質形成的過程中，磷素的供應是決定產量的關鍵因素，通過集中施用磷肥（化學肥料）可以彌補土壤磷素含量不高這一局限，但化學肥料的不當施用容易使土壤中殘留大量的磷素，不僅浪費資源，而且對地下、地上水體構成威脅，污染了環境。基于作物根際微生物的菌肥是一種環境友好型肥料，是未來精確農業可持續發展的重要方向之一［16－19］。該研究是從甜高粱根際表土中分離篩選出的溶磷菌，菌株WD51與WD20兩種不僅具有較強的溶磷能力，還具有分泌IAA的特性，可作為研制微生物肥料的優良菌株，以期為甜高粱生產中磷素的高效供應提供理論依據和技術支撐，為研制高效溶磷生物菌肥提供科學依據。

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