綠色木霉緩解干旱脅迫對玉米幼苗根系生長的影響

鄧薇，張祖銜，曹宇航，徐洪偉，周曉馥

（吉林師范大學生命科學學院／吉林省植物資源科學與綠色生產重點實驗室，吉林 四平 136000）

干旱缺水是制約中國農業穩定發展和糧食安全的主要因素［1］。玉米（Zea maysL.）屬于禾本科玉蜀黍屬［2］，為高耗水植物［3］，整個生育期需要充足的水分供應，大致為500～800 mm，這樣才能保證玉米正常發育。隨著全球氣候的變化，特別是在氣候異常波動情況下［4］，水資源匱乏，旱情的發生也逐漸加重，這已成為限制玉米產業可持續發展的重要因素［5］，嚴重干旱時甚至造成絕產絕收。

干早脅迫會導致幼苗生長受阻、植株矮小。植物根系是影響產量的重要器官［6］，是連接地上部與土壤水分、養分的橋梁，發揮著固持地上組織和汲取地下水分養分的雙重功能［7］。通過觀察植物根部形態，可以直接了解到根系發育狀況是否良好，尤其是在幼苗階段。好的根系構型不僅可以提高根系對土壤養分和水分的利用效率，而且也是構建穩定生態群落的基礎［8］。根系形態決定著作物獲得土地營養資源狀況，同時也是影響養分吸收的重要因素［6］，與作物的品質和產量息息相關。玉米作為單株生產力較強的禾谷類作物，強大的根系是其高產的重要原因之一［9］。所以，玉米根系研究是其抗旱性研究的重要內容。

木霉菌（Trichodermaspp.）屬于半知菌亞門絲孢綱絲孢目粘孢菌類［10］，自然界中廣泛存在，通常分布于植物殘體、植物根以及土壤等環境中，是一類普遍存在的真菌［11］。木霉菌主要的促生機制包括分泌類植物激素丁烯烴酸內酯以刺激作物根系伸長，而根系的伸長又有利于植物吸收土壤深處的養分與水分［12］。劉愛榮等［13］研究發現，木霉菌可以促進根系發育，提高作物產量，也能在一定程度上抵抗生物與非生物脅迫。有研究表明，木霉是落葉松根際優勢真菌之一［14］，可通過誘發植物自身的抵抗潛能來提高植物自身的抗性［15］。本團隊通過室內盆栽控水試驗，研究綠色木霉對干旱脅迫下玉米幼苗根系生長的影響，以期為利用綠色木霉緩解干旱脅迫傷害提供科學依據，為玉米的抗旱避災生產提供一種新的技術手段。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗于2020年9月在吉林省植物資源科學與綠色生產重點實驗室進行。

供試玉米品種鄭單958，由本實驗室保存。

供試綠色木霉（Trichoderma viride），本實驗室分離鑒定而得。具體過程與方法為：分離于四年生大田參根部，該人參取自臨江市四道溝鎮崗頭村，PCR產物送至長春北科生物技術有限公司進行測序，將測得序列片段NCBI網站進行BLSAT比對，確認為綠色木霉。

供試土壤為黑土，取自梨樹試驗田，用立式壓力蒸汽滅菌器于121℃、0.22 MPa條件下滅菌2 h，自然冷卻備用。

1.2 材料處理與試驗設計

1.2.1 綠色木霉發酵液制備 將綠色木霉接種于PDA培養基，并28℃活化培養3～5 d。蒸餾水沖洗分生孢子，調節孢子濃度為5.0×108個／mL。按照5%的接種量將液體種子轉接入裝有100 mL PD培養液的250 mL三角燒瓶中，28℃、180 r／min搖床振蕩培養制備發酵液。

1.2.2 盆栽試驗 取滅菌后試驗土并裝入塑料育苗盆（規格：28 cm×25 cm），每盆裝土2 kg。玉米種子45℃溫水浸泡8 h后恒溫培養箱37℃暗萌芽24 h。選取大小一致的露白玉米種子，每盆3穴、每穴2粒播種。幼苗二葉一心期定植，每盆3株。四葉一心期，將菌劑稀釋200倍后灌根接種處理，14 d后進行7 d自然干旱脅迫。試驗共設4個處理，分別為對照（CK，正常灌水）、綠色木霉處理（TK）、干旱處理（DSCK）、綠色木霉＋干旱處理（DSTK），每處理重復3次。

1.3 測定指標及方法

7 d干旱脅迫結束后，測定玉米幼苗根系形態學指標：將洗凈根系放入20 cm×40 cm根盤中，置于掃描儀上，根盤中添加高度為5～10 mm水，使水面恰好全部沒過根系，再用儀器遮光板全部覆蓋住根盤，進行根系全景掃描。待到掃描完成，通過WinRHIZO圖像查看軟件，調節閾值使效果最佳，獲得如下指標值：總投影面積、總根長、總根表面積、總根體積、根尖數、分支數、交叉數、鏈接數、根鏈接平均長度、根鏈接平均直徑、分形維數等。

各處理于播種后第30 d分別進行全株取樣，重復3次，每個重復取樣1株。將沖洗干凈的根、冠分開，稱量其鮮重后，放入恒溫箱中105℃殺青15 min，80℃烘至恒重并分別稱重，計算根冠比。

根據WinRHIZO測定的根長和根表面積，以及烘干稱重測得的根系生物量計算比根長（SRL）、比根表面積（SRA）。計算公式如下：

1.4 數據統計與分析

試驗數據采用Microsoft Excel系統進行處理，利用SPSS 22.0軟件最小顯著差異法（LSD）檢驗進行多重比較（P＜0.05）分析，應用Sigma-Plot 12.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 綠色木霉對干旱脅迫下玉米根系形態學指標的影響

接種綠色木霉對玉米幼苗的總投影面積、總根表面積和總根體積均具顯著影響，干旱脅迫對玉米幼苗的總根長、總投影面積、總根表面積和總根體積均具顯著影響，但兩者的交互作用對總根長、總投影面積、總根表面積和總根體積影響不顯著（表1）。

表1 玉米幼苗根系形態學指標的雙因素方差分析

由表2可見，與CK相比，正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗總投影面積和總根表面積分別增加18.41%、41.73%；干旱脅迫下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗與DSCK相比，總投影面積增加不顯著，總根表面積增加57.62%（P＜0.05）。TK處理玉米幼苗總根長與CK相比，差異雖不顯著，但增加10.12%；DSTK處理玉米幼苗總根長與DSCK差異顯著，增幅為52.32%。總根體積反映植株根系健壯程度，發達而健壯的根系是作物高產的基礎［16］。TK處理玉米幼苗總根體積與CK相比差異顯著，增100.07%；DSTK處理玉米幼苗總根體積較DSCK顯著增加56.17%。以上結果表明，施加綠色木霉可以有效健壯玉米幼苗根系。

表2 綠色木霉對干旱脅迫下玉米根系形態學指標的影響

2.2 綠色木霉對干旱脅迫下玉米根系構型的影響

由表3可見，接種綠色木霉對玉米幼苗根的分支數、根鏈接平均直徑和根鏈接平均長度均具顯著影響，干旱脅迫對玉米幼苗根的交叉數、根尖數、鏈接數和根鏈接平均直徑、根鏈接平均長度均具顯著影響，兩者的交互作用對根鏈接平均直徑和根鏈接平均長度影響顯著。

表3 玉米幼苗根系構型的雙因素方差分析

由表4可見，正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗根系分支數較對照（CK）增加86.39%，差異顯著，交叉數和根尖數分別增加5.93%、5.16%；干旱脅迫條件下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗根系分支數與DSCK差異顯著，交叉數和根尖數差異不顯著，但為上升趨勢，增幅為13.66%、57.83%。

表4 綠色木霉對干旱條件下玉米根系構型的影響

根鏈接平均直徑和根鏈接平均長度反映根系對土壤的穿透能力及其資源利用范圍［17，18］。TK處理玉米幼苗根鏈接平均長度顯著高與CK，而根鏈接平均直徑略低于CK，但差異不顯著；DSTK處理玉米幼苗根鏈接平均直徑和根鏈接平均長度與DSCK差異顯著。TK處理玉米幼苗根的鏈接數與CK差異顯著，上升25.46%；DSTK處理玉米幼苗根的鏈接數與DSCK差異顯著。表明，施加綠色木霉可以增強根系對土壤的穿透能力及其資源的利用范圍。

2.3 綠色木霉對干旱脅迫下玉米根系幾何特征的影響

由表5可見，接種綠色木霉對玉米幼苗的比根長、比根表面積和分形維數均具顯著影響，但干旱脅迫對玉米幼苗的比根長、比根表面積和分形維數的影響不顯著，兩者的交互作用對比根長影響顯著。

表5 玉米幼苗根系幾何特征的雙因素方差分析

根系幾何特征是根系結構與功能之間關系的反映［19］。由表6可見，正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗的比根長和比根表面積與CK差異顯著，分別增加150.44%、88.40%；干旱脅迫下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗的比根長和比根表面積與DSCK差異顯著，分別增加57.65%、78.94%。

表6 綠色木霉對干旱條件下玉米根系幾何特征的影響

正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗根的分形維數與CK差異顯著，增幅為34.69%；干旱脅迫下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗根的分形維數與DSCK差異顯著，增加42.75%（圖1）。

圖1 干旱脅迫下玉米根系掃描圖

2.4 綠色木霉對干旱脅迫下玉米幼苗生物量的影響

由表7可見，接種綠色木霉、干旱脅迫及兩者的交互作用對玉米幼苗地上部鮮重、地下部鮮重和根冠比均具顯著影響。

表7 玉米幼苗生物量與根冠比的雙因素方差分析

由表8可以看出，正常水分條件下施加綠色木霉處理（TK）玉米幼苗地上部鮮重和地下部鮮重與CK差異顯著，分別增加200.5%和162.4%；干旱脅迫下施加綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗地上部鮮重和地下部鮮重與DSCK差異顯著，分別增加207.2%和147.5%。與CK相比，TK處理玉米幼苗根冠比增加11.13%；DSTK處理玉米幼苗根冠比與DSCK相比，增加25.28%。這表明在不同水分處理下，接種綠色木霉可促使玉米幼苗地下部、地上部鮮重和根冠比增幅更大，抵御干旱的能力更強。

表8 綠色木霉對干旱脅迫下玉米幼苗生物量的影響

3 討論與結論

根系是影響植物產量的重要器官，同時也是影響養分吸收的重要因素，進而影響植物地上部光合作用與生長發育，與作物的品質和產量息息相關［20］。植物的根系構型是根系在土壤中生長、分布與覓食特點的表征，反映了根系的平面結構與立體空間特征及根系獲取土壤資源的方式與能力［21，22］，良好的根系構型有利于植物在逆境脅迫中提高根系形態穩定性和資源利用效率［9］。根系幾何特征與根系對土壤資源的吸收能力和利用潛力密切相關［23，24］，是根系結構與功能之間關系的反映。玉米作為單株生產力較強的禾谷類作物，其強大的根系是成為高產作物的重要原因之一。改變根系特征促進作物生長是直接且有效的方法，目前許多栽培手段都是通過直接影響根系實現作物的高產。本研究結果顯示，正常水分條件下接種綠色木霉處理（TK），與CK相比，玉米幼苗的總根表面積、總投影面積、總根長分別增加41.73%、18.41%、10.12%，總根體積增加100.07%（P＜0.05）；根系構型中分支數、鏈接數、根鏈接平均長度與CK差異顯著（P＜0.05），交叉數、根尖數與CK差異不顯著，分別增加5.93%、5.16%；比根長、比根表面積、分形維數、地上部鮮重、地下部鮮重與CK差異顯著（P＜0.05）。與DSCK相比，干旱脅迫下接種綠色木霉處理（DSTK）玉米幼苗的總根長、總根體積、總投影面積和總根表面積均顯著提高（P＜0.05）；根系構型中分支數、鏈接數、根鏈接平均長度、根鏈接平均直徑與DSCK差異顯著（P＜0.05）；比根長、比根表面積、分形維數、地上部鮮重、地下部鮮重與DSCK差異顯著（P＜0.05），根冠比與DSCK差異不顯著，增幅為25.28%。這與丁紅等［20］的試驗結果一致。張樹武等［25］也指出，綠色木霉發酵液處理黑麥草和白三葉草幼苗后的根長、幼苗鮮重相對增長率分別達到37.09%、57.73%和16.95%、40.57%，與本研究結果一致。

綜上看出，綠色木霉可通過擴大幼苗根系的吸收范圍和能力，增加幼苗對礦質元素的吸收，減少水分散失，使幼苗更好地利用和保持土壤水分。綠色木霉通過自身或利用周圍微生物及植物等分泌多種酶類以及次生代謝產物來分解有機質，活化土壤中的營養物質，改善土壤結構，降低干旱脅迫對玉米幼苗的傷害［26］。因此，綠色木霉在農業和環境修復領域具有廣闊的應用前景。