殼寡糖、芽孢桿菌、香菇多糖復合對黃瓜幼苗生長和低溫抗性的影響

張學青, 胡蒙愛,2, 王曉卓, 張雪艷

(1.寧夏大學農學院,寧夏銀川 750021; 2.寧夏盛旭昊春農業科技有限公司,寧夏銀川 750021)

我國為蔬菜種植大國,蔬菜產業在我國農業經濟發展中具有獨特的地位和優勢,種植面積逐年增加。2021年我國蔬菜播種面積約為 2 187.221萬hm2,同比增長1.8%;蔬菜產量約為76 710.8萬t,同比增長2.4%[1]。根據國家統計局最新數據顯示,中國以109.8 kg的人均蔬菜消耗量一直高居全球第一。從人均蔬菜產量來看,即便是在對外出口的情況下,我國的蔬菜不僅可以自給自足,甚至依舊有盈余。由此可見,發展綠色蔬菜對改善城鄉居民生活、穩定發展農村經濟、增加農民收人、擴大農產品出口都有極其重要的意義[2]。

香菇多糖是從優質香菇子實體中提取的有效活性成分。研究表明,香菇多糖處理植株可使植株產生抗性,且提高其過氧化物酶和多酚氧化酶活性,有助于植株抵抗逆境脅迫,對植株生長也起到促進作用[3]。香菇多糖具有抗病毒、抗腫瘤、調節免疫和刺激干擾素形成等功能[4]。香菇多糖處理使寄主植株產生誘導抗性,菌物多糖中的核酸、糖蛋白等都是誘導抗病毒物質,這些物質通過植株感受點而產生抗性[5]。研究表明,香菇多糖對煙草花葉病毒(TMV)的誘導抗性在1.00 mg/mL誘導濃度下最明顯;香菇多糖噴施煙草,誘導葉片組織過氧化物酶和多酚氧化酶活性提高,且香菇多糖對煙草種子萌發有較明顯的促生作用[6]。

解淀粉芽孢桿菌可改善作物根際微生物群落,在促進作物生長方面作用顯著[7]。解淀粉芽孢桿菌與黃瓜分泌物存在互作作用,可在黃瓜根際定殖,占據根部有利生態位點,為促進幼苗生長提供有利條件[8]。有研究表明,解淀粉芽孢桿菌可通過溶解磷酸鹽、生物固氮等提高植物根際養分的可利用性,直接促進作物生長[9]。接種固氮、溶磷菌株,可以增加土壤中速效氮、磷、鉀含量,促進作物生長[10]。王琪媛等發現,分泌ACC脫氨酶的根際細菌能促進植株生長[11]。在長勢及光合作用方面,解淀粉芽孢桿菌也表現出顯著的促進作用。這可能與解淀粉芽孢桿菌可以分泌生長素、細胞分裂素、脫落酸、赤霉素和亞精胺等生長因子有關[12]。喬俊卿等發現,使用B1619菌液能夠增強番茄葉片的蒸騰速率、光合速率,從而達到促進番茄生長的效果[13]。張德珍等發現,用稀釋的JF-1發酵液灌根,可以顯著提高黃瓜幼苗的壯苗指數,有效增加黃瓜幼苗的側根數、葉面積和葉綠素含量[14]。微生物對植物生長具有促進效果,一方面因為微生物可以通過分泌植物生長素促進植物發育;另一方面因為微生物可以刺激植物根系發育,從而達到促進作物生長的效果[15]。

前期試驗表明,500 mg/L殼寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢桿菌復配香菇多糖為黃瓜幼苗促生效果的最優處理[16]。本研究以清水灌根為對照(CK),設置香菇多糖700倍液(X700)單一處理、500 mg/L殼寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢桿菌(F1)、500 mg/L殼寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢桿菌+香菇多糖700倍液(F1-X700)處理,通過對比不同處理的基質養分特性、黃瓜幼苗長勢、光合特性、根系發育的變化,探究殼寡糖、解淀粉芽孢桿菌、香菇多糖混配施用對黃瓜幼苗生長和對黃瓜幼苗低溫抗性的影響,旨在為黃瓜幼苗越冬技術提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

黃瓜促生長試驗于2021年9月10日在寧夏大學實訓溫棚進行。試驗材料為1葉1心德爾LD-1黃瓜幼苗(購自寧夏天緣種業有限公司)。供試解淀粉芽孢桿菌XY-13由寧夏大學微生物實驗室提供;殼聚糖由黑龍江八一農墾大學提供;香菇多糖為有效成分含量為1%的水劑,購自北京三浦百草綠色植物制劑有限公司。以清水灌根為對照(CK),用香菇多糖700倍液(X700)、500 mg/L殼寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢桿菌(F1)、500 mg/L 殼寡糖+107CFU/mL解淀粉芽孢桿菌+香菇多糖700倍液組合(F1-X700)分別進行灌根處理。在處理開始的第1天、第10天、第20天進行3次灌根處理,灌溉量為每次15 mL/株,每個處理總計40株。重復3次,第30天測定幼苗長勢。

黃瓜耐低溫試驗于2022年1月7日開始,于寧夏大學農學院光照培養箱內進行。試驗以2葉1心德爾LD-1黃瓜幼苗為試材,幼苗期各不同處理根據黃瓜生長需求進行統一灌水,每個穴盤(72穴)灌水 1 L/次。將黃瓜幼苗放置于光照培養箱內以正常溫光環境培養,以清水灌根為對照,以500 mg/L殼寡糖+107解淀粉芽孢桿菌+香菇多糖700倍液混合液對黃瓜幼苗進行為期3 d的預處理。第4天進行低溫脅迫處理,至第10天取樣,測定長勢、抗氧化酶活性等指標。試驗中設置3個不同的溫度組合:以晝/夜溫度28 ℃/18 ℃為對照,低溫處理的晝/夜溫度分別控制為20 ℃/12 ℃、16 ℃/8 ℃,光照時間及強度統一(表1),耐低溫試驗設計詳見表2。

表1 光照處理

表2 耐低溫試驗設計

1.2 取樣和測定方法

1.2.1 幼苗長勢測定 分別在試驗第1天至第30天,隨機選擇長勢良好均一的代表性植株10株,同時測定并計算幼苗的株高相對生長率(RGR-PH)、莖粗相對生長率(RGR-SV)。葉綠素含量采用SPAD-502葉綠素儀測定。

RGR-PH=[ln(h2)-ln(h1)]/(t2-t1);

(1)

RGR-SV=[ln(d2d2h2)-ln(d1d1h1)]/(t2-t1)。

(2)

式中:h1、h2代表2次測量的株高;d1、d2代表2次測量的莖直徑;n1、n2代表2次測量的葉片數;t1、t2代表2次取樣時間[17]。

2021年9月20日取代表性植株6株。用電子天平稱量地上部、地下部的鮮質量和干質量。

1.2.2 光合特性測定 2021年9月20日,每個處理取代表性植株,測定黃瓜幼苗光合特性。于晴天 09:00—11:00,用美國LI-6800便攜式光合儀測量葉片熒光特性。

1.2.3 基質化學特性分析 2021年9月21日,隨機選取50 g基質樣品,風干后過1 mm篩,用于測定基質養分。pH值采用pH計測定;EC值采用電導率儀測定;總氮(TN)含量采用H2SO4-H2O2硝化-半微量凱氏定氮法[18]測定;有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定;速效氮含量采用堿解擴散法測定;速效磷含量采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提,鉬銻抗比色法測定;速效鉀含量采用1.0 mol/L醋酸銨浸提,火焰光度法[19]測定。

1.2.4 抗氧化酶活性測定 2022年1月17日稱取0.5 g不同處理黃瓜幼苗新鮮葉片,使用硫代巴比妥酸法測定MDA含量。使用氮藍四唑(NBT)法測定鮮樣黃瓜葉片SOD活性,采用愈創木酚法測定POD活性,采用紫外分光光度法[20]測定CAT活性。

1.3 數據分析

采用Excel 2019、SPASS 20.0軟件對試驗數據進行統計與分析。采用單因素ANOVA進行顯著性分析(α=0.05),使用Origin 2018軟件作圖。所有數據重復3次。

2 結果與分析

2.1 不同處理對基質養分特性的影響

由表3可知,香菇多糖700倍液處理(X700)的基質EC值、有機質、速效氮、速效磷、全氮含量均顯著高于CK處理。相較于CK處理,F1處理的基質養分含量顯著增加,且F1處理對基質EC值和速效鉀含量增加效果優于X700處理。F1、X700、F1-X700處理的各基質養分指標基本顯著高于CK處理,其中F1-X700處理的有機質、速效氮、速效鉀、速效磷含量均為最高,比CK處理顯著高32.2%、294.1%、67.9%、38.0%。

表3 不同處理對基質養分的影響

2.2 不同處理對黃瓜幼苗長勢的影響

由表4可知,F1、F1-X700處理的莖粗相對生長率、葉綠素含量均顯著高于CK處理。X700、F1、F1-X700處理之間的株高相對生長率無顯著差異,但都顯著高于CK處理。F1-X700處理的莖粗相對生長率、葉綠素含量、壯苗指數均為最高,分別比CK處理顯著高61.4%、67.5%、20.8%。

表4 不同處理對黃瓜幼苗長勢的影響

2.3 不同處理對黃瓜幼苗根系發育的影響

由表5可知,F1、X700、F1-X700處理的根系生長指標均顯著高于CK處理。X700處理的總根長、根表面積、根體積均顯著高于CK處理。F1-X700處理的總根長、根表面積、根直徑、根體積最高,比CK處理顯著高47.7%、140.2%、32.5%、171.3%。

表5 不同處理對黃瓜幼苗根系發育的影響

2.4 不同處理對黃瓜幼苗光合作用的影響

由表6可知,F1、X700、F1-X700處理凈光合速率均顯著高于CK處理。X700處理的蒸騰速率、凈光合速率顯著高于CK處理。F1-X700處理的蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導度均為最高,比CK處理顯著高60.0%、68.6%、28.6%。

表6 不同處理對黃瓜幼苗光合作用的影響

2.5 低溫脅迫下復配處理對黃瓜幼苗生物量的影響

由圖1可知,隨溫度的降低,黃瓜幼苗地上部、地下部干鮮質量呈現減小的趨勢。相同溫度環境下,各CK處理與T處理間的地上部、地下部干鮮質量無顯著差異,但T2處理的地下部干質量顯著比CK2處理高27.2%。總體來說,溫度變化對地下部鮮質量的影響最大。

2.6 低溫脅迫下復配處理對黃瓜幼苗抗氧化酶活性的影響

由圖2、圖3可知,在不同溫度環境中,所有T處理的SOD、POD、CAT活性在各個時期大于或等于CK處理,而MDA含量則與之相反。常溫與低溫處理下,各時期T處理與CK處理的酶活性、MDA含量變化趨勢相近,T處理酶活性指標高于CK處理,丙二醛含量低于CK處理。亞低溫處理下,T2處理的POD與SOD活性均在2 h時下降,隨后大幅增加,于6 h達到峰值,CK處理的POD、SOD活性在低溫脅迫處理下,先下降再小幅上升,后又降低。在處理后6 h,T2處理的POD、SOD活性顯著高于CK處理38.3%、77.2%。T2處理與CK2處理的CAT活性均在2 h下降,隨后增加,但T2處理增長較快,且其峰值高于CK2處理;T2處理的MDA含量在 2 h 達到峰值,隨后先下降后小幅上漲,但CK2處理于4 h才達到峰值,隨后下降。T2處理的MDA累積量顯著低于CK2處理。

3 討論

農藥化肥對農業生產的危害日益凸顯,為了達到農業綠色可持續發展,研究發現一些生物源物質可有效促進植株生長,且能提高植物的抗逆性。生物刺激素、芽孢桿菌、植物免疫誘抗劑均是當下有利于植物生長且對環境友好的創新研究方向[21]。3類生物源物質對作物均有一定的抗逆促生作用。本試驗探究生物刺激素、芽孢桿菌、植物免疫誘抗劑配施對基質養分提升、作物生長及黃瓜幼苗低溫抗性的影響,對培育黃瓜壯苗及黃瓜幼苗安全越冬具有重要意義。

枯草芽孢桿菌對基質的改善作用與其本身具有的溶磷、固氮能力及ACC脫氨酶活性有關?？莶菅挎邨U菌與殼寡糖復配后,顯著提升基質的有機質含量和速效氮養分。殼寡糖作為一種安全綠色的外源促生物質在農業領域已廣泛應用,多用于促進種子萌發、促進植物生長、改善果實品質等方面[22]。本試驗施用500 mg/L殼寡糖和芽孢桿菌復合,黃瓜幼苗壯苗指數、葉綠素含量、莖粗相對生長率、地下部鮮質量、根系發育、凈光合速率均顯著提升。郭衛華等發現,黃瓜幼苗添加殼寡糖可顯著增加株高、葉面積、凈光合速率,殼寡糖處理調控黃瓜葉片的氣孔導度、胞間的CO2濃度,提升光合作用速率,促進植株生長[23]。這可能與殼寡糖誘導的葉綠體直徑增加及葉綠體中基因表達的調節有關[24]。香菇多糖是一種具有潛在激活植物防御響應活性的線性β-1,3-葡聚糖。本試驗中,香菇多糖700倍液處理相對CK處理也可顯著提高黃瓜幼苗根長、根表面積、根體積指標。500 mg/L殼寡糖+107CFU/mL 解淀粉芽孢桿菌+香菇多糖700倍液復配液處理的促進作用更為顯著。

不適宜的環境條件對植物生長發育產生負面影響,低溫脅迫是限制設施蔬菜生產的主要因素。前人研究發現,低溫脅迫會明顯抑制作物的生長,尤其限制株高、莖粗及生物量的積累,同時影響作物的葉綠素含量及光合作用[25]。本研究中的低溫脅迫試驗的結果與之一致。研究表明,殼寡糖處理均能提高低溫脅迫下黃瓜幼苗的根系活力[26]。根際細菌能夠誘導提高植物抗逆相關酶活性,提高作物的抗逆能力[27]。殼寡糖、解淀粉芽孢桿菌、香菇多糖混配處理對黃瓜幼苗的促生抗逆效果顯著優于CK處理,這可能與解淀粉芽孢桿菌和殼寡糖之間的相互作用有關。一方面是因為,解淀粉芽孢桿菌能分泌殼聚糖酶,形成生物活性更高的殼寡糖,增強殼寡糖的生物活性[28-29];另一方面是因為,基質添加殼聚糖對根際細菌具有定向調控作用,可明顯改善根際基質的細菌群落結構,促進優勢細菌群的保留與增殖,有助于解淀粉芽孢桿菌XY-13定殖于黃瓜幼苗根系,促進基質養分活化與作物根系發育[30]。

低溫脅迫下,復配處理的POD、SOD活性顯著比CK處理高38.3%、77.2%,丙二醛含量顯著低于CK處理?？寡趸富钚蕴岣吲c丙二醛含量減少與復配處理中添加殼寡糖有關。陳芊如等研究發現,施用外源殼寡糖能夠顯著降低煙草幼苗葉片中活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)含量,增強煙草葉片中抗氧化酶活性,同時還能夠顯著提高煙草幼苗葉片中滲透調節物質的含量[31]。復配處理可增強植株清除活性氧自由基的能力,防止膜系統的氧化損傷和過氧化損傷,誘導黃瓜幼苗的抗寒性,幫助黃瓜幼苗度過低溫逆境。

4 結論

單一香菇多糖處理可提高基質養分并促進黃瓜幼苗生長,但F1處理對黃瓜幼苗的促進作用優于單一香菇多糖處理。香菇多糖700倍液與F1復配,以及F1處理均可顯著提高基質養分、黃瓜幼苗長勢、蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導度、根系生長指標。綜合來說,F1-X700處理對提高基質養分、促進黃瓜幼苗生長和光合特性增加效果最顯著。香菇多糖、殼寡糖和芽孢桿菌復合在低溫條件下可提升黃瓜幼苗的低溫抗性,且在亞低溫環境下的黃瓜幼苗抗寒作用效果優于低溫處理。