不同乳酸菌菌株對小麥種子發芽及幼苗生理生化特性的影響

王小杰,陳其欣,張 華,張 淼,王 星,談重芳?

(1 鄭州大學,河南省離子束生物工程重點實驗室,鄭州450052;2 鄭州大學,鄭州450052)

化學肥料和農藥的使用對提高農作物產量具有重要作用。 化肥的普遍應用使我國糧食產量迅速增加,但其危害也較為明顯,化肥殘留、土地資源破壞、土壤污染等因素造成農產品品質下降,甚至危害人們的健康[1]。 隨著生活水平的不斷提高,人們越來越追求綠色、健康、無污染的食物,所以微生物肥料這一健康、高效、成本低的肥料應運而生。

從廣義上來講,微生物肥料是指一類具有活的微生物,并在肥料使用過程中使植物獲得特定的效能,增加植物產量以及提高質量的生物制劑[1]。 微生物肥料不僅具有資源豐富、種類及功能多的特點,而且也是一種無毒、無害、無污染的可再利用的低成本肥料。 微生物肥料可在增加土壤肥力、增強作物抗性、改善土壤結構、提高作物產量的同時,減少化肥的用量,改善農作物品質[2]。

雖然國內對微生物肥料已有諸多研究,但只有少量研究將乳酸菌作為微生物肥。 乳酸菌是指一類可發酵碳水化合物并且能產生大量乳酸的細菌的總稱[3],分布十分廣泛,用途涉及食品、工業、飼料和生物醫藥等方面。 本試驗以乳酸菌作為微生物肥料,研究不同種類和不同濃度的乳酸菌對小麥幼苗生理生化特性的影響,旨在為乳酸菌作為微生物肥料在促進小麥幼苗生長方面提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為‘矮抗58’;供試乳酸菌品種為保存在河南省離子束生物工程重點實驗室的3 株乳酸菌,分別為副植物乳桿菌Lactobacillus paraplantarum(QZ227)、植物乳桿菌L.plantarum(N-1)和干酪乳桿菌L.casei(F19-30),均為革蘭氏染色陽性、過氧化氫酶陰性的桿狀乳酸菌,分別分離自小麥、土壤和裸鯉腸道。

1.2 試驗方法

從-80 ℃超低溫冰箱中取出供試的3 株乳酸菌,在MRS 固體培養基上劃線培養傳代2 次,用接種環挑取單菌落轉接到液體MRS 培養基中,放入恒溫培養箱30 ℃培養24 h,然后按10%的接種量在液體MRS 培養基中30 ℃繼續傳代培養2 次,備用。

1.2.1 種子預處理和乳酸菌接種

將小麥種子用75%(體積分數)的酒精浸泡10 s,進行表面消毒,然后用無菌水沖洗2 次,以洗去殘留酒精。 將活化好的乳酸菌接種在MRS 液體培養基中30 ℃培養24 h,培養好的乳酸菌液體在4 ℃條件下以10 000g離心20 min,以從培養液里分離出乳酸菌沉淀,用無菌水清洗2 次,以除去MRS 培養液殘留。將離心好的乳酸菌用無菌水重懸,使乳酸菌濃度為109cfu∕mL、108cfu∕mL、107cfu∕mL 3 個梯度。 將消毒后的小麥種子浸泡在乳酸菌菌懸液中6 h 后播種,菌懸液按菌株不同及菌液濃度不同分為9 組,每組3 個重復,每個重復50 粒小麥種子,以同樣條件用無菌水浸泡小麥種子6 h 作為對照,對照為3 個重復,分別對應3 個菌液濃度。 將處理后的小麥種子放置于25 ℃溫室中培養15 d,期間按需要澆水。

1.2.2 小麥幼苗指標測定

收苗前測定小麥種子的發芽率,并用SPAD-502Plus 葉綠素測定儀測定小麥幼苗葉片的葉綠素含量。小麥幼苗在溫室培養15 d 后測定其葉鮮質量及苗長。

抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)]活性的測定采用李合生[4]的方法。 可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍G-250 染色法[4]。

1.3 數據分析

采用SPSS 21.0 軟件對小麥幼苗生物量和生理生化指標數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 乳酸菌對小麥種子發芽率和幼苗生物量的影響

如表1 所示,當菌液濃度為109cfu∕mL 時,接種不同菌株的小麥種子發芽率均顯著高于對照;當菌液濃度為108cfu∕mL 時,接種不同菌株的小麥種子發芽率與對照無顯著差異;當菌液濃度為107cfu∕mL時,接種菌株N-1 的小麥種子發芽率最高,比對照提高了9.6%。 相同菌株不同濃度之間比較,除菌株N-1 接種濃度為108cfu∕mL 時小麥種子發芽率顯著低于其他接種濃度外,接種其他相同菌株不同濃度小麥種子發芽率均無顯著差異。

如表1 所示,與對照相比,接種3 種不同濃度的N-1 菌株可使小麥幼苗葉鮮質量分別增加15.36%、9.98%和14.20%,其中109cfu∕mL 和107cfu∕mL 處理差異顯著;而接種其他2 種菌株無顯著差異,表明接種菌株N-1 能顯著增加小麥幼苗葉鮮質量。 相同菌株不同濃度之間比較,除菌株QZ227 在108cfu∕mL時小麥幼苗葉鮮質量顯著降低外,其他菌株處理的小麥幼苗葉鮮質量均無顯著差異。

如表1 所示,與對照相比,不同菌株在接種濃度為109cfu∕mL 時均能顯著增加小麥幼苗苗長,接種濃度為108cfu∕mL 時菌株N-1 和F19-30 能顯著增加苗長,接種濃度為107cfu∕mL 時只有菌株N-1 能顯著增加苗長,表明接種不同濃度的菌株N-1 均能顯著增加小麥幼苗苗長;相同菌株不同濃度之間比較,小麥幼苗苗長均無顯著差異。

表1 乳酸菌對小麥種子發芽率和幼苗生物量的影響Table 1 Effects of lactic acid bacteria on germination rate and seedling biomass of wheat

圖1 乳酸菌對小麥幼苗葉綠素SPAD 值的影響Fig.1 Effects of lactic acid bacteria on SPAD value of chlorophyll in wheat seedlings

2.2 乳酸菌對小麥幼苗生理生化指標的影響

2.2.1 乳酸菌對小麥幼苗葉綠素SPAD 值的影響

由圖1 可以看出,與對照相比,不同菌株在接種3 種不同濃度時均能顯著提高小麥幼苗葉綠素SPAD 值。 菌株N-1、QZ227 和F19-30 濃度為109cfu∕mL 時,葉綠素SPAD 值分別提高7.9%、5.1%、7.8%;濃度為108cfu∕mL時,分別提高7.9%、4.7%、6.4%;濃度為107cfu∕mL時,分別提高5.8%、10.5%、5.3%。 相同菌株不同濃度之間相比較,除菌株F19-30 在濃度為107cfu∕mL 時葉綠素SPAD 值顯著降低外,其他菌株處理的小麥幼苗SPAD 值均無顯著差異。

2.2.2 乳酸菌對小麥幼苗抗氧化酶活性的影響

2.2.2.1 POD 活性

如圖2 所示,與對照相比,不同菌株接種濃度為107cfu∕mL時均能顯著提高小麥幼苗的POD 活性,POD 活性分別提高了43.5%、32.0%和42.8%;濃度為108cfu∕mL時其POD 活性無顯著差異;濃度為109cfu∕mL 時只有菌株N-1 能顯著提高其POD 活性。 相同菌株不同濃度之間比較,菌株F19-30 濃度為107cfu∕mL 時小麥幼苗POD 活性顯著高于其他濃度;接種3 種不同濃度的菌株N-1 和QZ227 小麥幼苗POD 活性無顯著差異。

2.2.2.2 SOD 活性

如圖3 所示,與對照相比,當菌株濃度為109cfu∕mL 時,接種菌株F19-30 的小麥幼苗SOD 活性顯著降低,其他菌株無顯著差異;接種其他濃度時不同菌株之間SOD 活性均無顯著差異。 相同菌株不同濃度之間相比較,小麥幼苗SOD 活性無顯著差異。

圖2 乳酸菌對小麥幼苗POD 活性的影響Fig.2 Effects of lactic acid bacteria on POD activity of wheat seedlings

圖3 乳酸菌對小麥幼苗SOD 活性的影響Fig.3 Effects of lactic acid bacteria on SOD activity of wheat seedlings

2.2.2.3 CAT 活性

由圖4 可以看出,菌株N-1 在接種濃度為109cfu∕mL 時小麥幼苗CAT 活性最高且顯著高于對照,其他不同菌株相同濃度處理與對照無顯著差異。 接種菌株N-1 的小麥幼苗CAT 活性在3 個不同濃度之間差異顯著,其中在濃度為109cfu∕mL 時小麥幼苗CAT 活性最高,濃度為107cfu∕mL 時其CAT 活性最低。接種菌株QZ227 和F19-30 不同濃度之間差異不顯著。

2.2.3 乳酸菌對小麥幼苗可溶性蛋白含量的影響

由圖5 可以看出,與對照相比,接種菌株N-1 在濃度為109cfu∕mL 和108cfu∕mL 時小麥幼苗可溶性蛋白含量均顯著增加,且在濃度為109cfu∕mL 時可溶性蛋白含量最高,當接種濃度為107cfu∕mL 時無顯著變化;接種菌株QZ227 濃度為109cfu∕mL 時,小麥幼苗可溶性蛋白含量顯著增加;接種3 種不同濃度的菌株F19-30 時,小麥幼苗可溶性蛋白含量差異不顯著。 相同菌株不同濃度之間比較,小麥幼苗可溶性蛋白含量均無顯著差異。

圖4 乳酸菌對小麥幼苗CAT 活性的影響Fig.4 Effects of lactic acid bacteria on CAT activity of wheat seedlings

圖5 乳酸菌對小麥幼苗可溶性蛋白含量的影響Fig.5 Effects of lactic acid bacteria on soluble protein content of wheat seedlings

3 結論與討論

本研究發現,與其他乳酸菌菌株相比,植物乳桿菌N-1 能更好地促進小麥幼苗的生長,這與Kang等[5]和Limanska 等[6]研究結果一致。 在小麥幼苗生物量方面,各菌株在接種濃度為109cfu∕mL 時,小麥種子發芽率顯著高于對照;且接種菌株N-1 濃度為107cfu∕mL 時發芽率最高,與對照相比提高了9.6%。不同菌株接種濃度為107cfu∕mL 和菌株N-1 接種濃度為109cfu∕mL 時,小麥幼苗葉鮮質量均顯著高于對照,且接種菌株N-1 濃度為109cfu∕mL 和107cfu∕mL 時葉鮮質量最高,分別比對照增加了15.36%和14.20%。 與對照相比,接種3 種不同濃度菌株N-1 均顯著增加了小麥幼苗苗長,分別增加了7.1%、8.5%和7.4%。 就小麥幼苗生物量而言,接種菌株N-1 對小麥幼苗促進效果最好。

葉綠素是綠色植物進行光合作用的物質基礎,是葉片的主要光合色素,葉綠素含量的高低是反應植物葉片光合能力及植株健康狀態的主要指標[7]。 SPAD-502Plus 葉綠素測定儀可在田間無損狀況下快速測定植物葉片單位面積當前葉綠素的相對含量[8],即SPAD 值。 本研究發現,與對照相比,各菌株接種3種不同濃度菌懸液均能顯著提高小麥幼苗葉綠素SPAD 值,表明接種乳酸菌有利于小麥幼苗葉綠素含量的增加。

植物體內具有抗氧化系統,如抗氧化酶可有效清除植物組織中的活性氧,對細胞有保護作用[9]。 超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)是抗氧化酶系統中控制植物體內活性氧積累最主要的酶[9]。 POD 是植物體內酶促防御系統的一種保護酶,能有效催化過氧化氫分解成水,從而有效阻止過氧化氫在植物體內累積,排除其對植物細胞膜結構的潛在傷害[10]。 SOD 是生物體內超氧陰離子自由基的清除劑,能有效防止它們對生物體產生損害,參與植物體對脅迫所做出的各種生理生化反應,是植物體內一種很重要的抗氧化酶類[11]。 CAT 與過氧化氫具有較高的親和力,主要清除線粒體電子傳遞、脂肪酸氧化過程中產生的過氧化氫,其含量變化是植物體內過氧化氫變化的標志性反應[10]。 CAT、SOD 和POD 組成植物體內活性氧清除劑系統,有效清除植物體內的自由基和過氧化物[12]。 在小麥幼苗抗氧化酶活性方面,接種各菌株濃度為107cfu∕mL 和接種菌株N-1 濃度為109cfu∕mL 時均能提高小麥幼苗POD 活性,其中接種菌株N-1、QZ227 和F19-30 濃度為107cfu∕mL 時POD 活性分別比對照提高了43.5%、32.0%和42.8%;菌株F19-30 接種濃度為107cfu∕mL 時小麥幼苗的SOD 活性最強,顯著高于對照;菌株N-1 在接種濃度為109cfu∕mL 時小麥幼苗CAT 活性最強,顯著高于對照。

植物體內的可溶性蛋白大多是參與各種代謝的酶類,約有50%的可溶性蛋白是光合作用的關鍵酶,其含量是了解植物體內總體代謝水平和光合能力高低的一個重要指標[13]。 從本研究可知,菌株N-1 在接種濃度為109cfu∕mL 時小麥幼苗可溶性蛋白含量最高,且顯著高于對照,濃度為107cfu∕mL 時也能顯著提高小麥幼苗的可溶性蛋白含量。

綜上,與對照相比,接種植物乳桿菌N-1 濃度為109cfu∕mL 時除不能提高小麥幼苗SOD 活性外,對小麥幼苗其他生物量及生理生化指標均有顯著的促進作用,表明植物乳桿菌N-1 具有作為微生物肥料的潛能;而接種菌株QZ227 和F19-30 對小麥幼苗生長促進作用較小。 相同菌株不同濃度之間對小麥幼苗生長的促進作用差異不顯著,表明乳酸菌濃度可能不是促進小麥幼苗生長的關鍵因素。 本試驗后續將對小麥幼苗后期的長勢以及乳酸菌的作用機制進行進一步研究,以期為今后提高大田小麥產量提供試驗基礎和理論依據。