楊淑君,何永攀,柯梅,李莉,史偉,吳楓,陳翔宇,侯鈺榮
(新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所,新疆 烏魯木齊 830000)
草業(yè)科學(xué)
不同土壤中紫花苜蓿根瘤菌抗逆性的區(qū)別
楊淑君,何永攀,柯梅,李莉,史偉,吳楓,陳翔宇,侯鈺榮*
(新疆畜牧科學(xué)院草業(yè)研究所,新疆 烏魯木齊 830000)
紫花苜蓿的莖葉柔嫩鮮美,可廣泛用于喂養(yǎng)牛羊、加工草粉、配置飼料或混合飼料,適合于各類畜禽,因其廣泛的應(yīng)用性被大量種植。為了可以精確收集紫花苜蓿根瘤菌抗鹽性強(qiáng)弱數(shù)據(jù),本次實(shí)驗(yàn)從新疆鹽堿土和棕漠土地區(qū)取6個(gè)紫花苜蓿根瘤菌菌株樣品,然后分別對(duì)各個(gè)樣品進(jìn)行耐鹽性、耐酸堿性及其相應(yīng)泌酸堿能力強(qiáng)弱的測(cè)定。結(jié)果表明:棕漠土土壤紫花苜蓿根瘤菌株S-c有著極強(qiáng)的耐鹽性,因?yàn)樵摼昕梢栽跐舛葹?0%的NaCL培養(yǎng)基上正常生長(zhǎng);鹽堿土壤紫花苜蓿根瘤菌株M-a和棕漠土土壤紫花苜蓿根瘤菌株S-b在所有菌株中耐酸性最強(qiáng),這兩個(gè)菌株可以在pH為4.0的酸性培養(yǎng)基上正常生長(zhǎng);而有著最強(qiáng)耐堿性的菌株是鹽堿土壤菌株M-c,該菌株可以在pH為12.0的堿性培養(yǎng)基上正常生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)得出:棕漠土土壤紫花苜蓿根菌株S-a不但可以在pH為4.0的酸性培養(yǎng)基中正常生長(zhǎng),還可以在pH為11.0的堿性培養(yǎng)基中正常生長(zhǎng)。而根瘤菌菌株的泌酸能力與其抗堿性息息相關(guān)。
紫花苜蓿;根瘤菌;耐鹽性;耐酸堿性;泌酸能力
10.16863 /j.cnki.1003-6377.2017.05.009
眾所周知,豆科植物其根部與其共生的根瘤菌具有固氮作用,該固氮作用一直是生物固氮領(lǐng)域中研究的集中點(diǎn),豆科植物與根瘤菌以其強(qiáng)大的固氮作用吸引著眾多學(xué)者競(jìng)相研究。近年來(lái),我國(guó)逐漸對(duì)生物固氮作用加大關(guān)注并且固氮作用在國(guó)際農(nóng)業(yè)地位也在逐漸上升,根瘤菌肥發(fā)展迅速,種類不斷增多,但是各類根瘤菌肥的促生效果卻有好有壞。導(dǎo)致其促生效果較差的根本原因在于:一是經(jīng)過(guò)層層篩選的根瘤菌的抗逆性較弱,無(wú)法適應(yīng)不同土壤環(huán)境,在接種到土壤中后存活率并不高;二是土壤中本來(lái)存在的土著根瘤菌已經(jīng)適應(yīng)了土壤環(huán)境,與接種的根瘤菌相比具有適應(yīng)優(yōu)勢(shì),而原本土壤中存在的根瘤菌,結(jié)瘤固氮能力相對(duì)較弱[1]。改變此類情況需要在篩選菌株的時(shí)候,綜合考慮根瘤菌寄主植物的生長(zhǎng)環(huán)境與寄主植物本身形成的寄托關(guān)系,篩選既可以在寄主植物中良好生存又可以適應(yīng)環(huán)境條件的特異菌株,或者是篩選可以適應(yīng)多種寄主植物以及復(fù)雜環(huán)境條件的廣譜菌株。
一般經(jīng)過(guò)篩選的菌株都會(huì)具有如下特點(diǎn):高效的固氮能力[2];可與寄主植物快速形成根瘤;適應(yīng)田間對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件,可以快速結(jié)具有高效固氮能力的瘤;具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力,可以與土壤中原本存在的根瘤菌競(jìng)爭(zhēng)結(jié)瘤,即使沒(méi)有及時(shí)找到寄主植物也可以較長(zhǎng)時(shí)間的存活;可以在寄主植物生存的基質(zhì)中存活;可以很好地耐受酸堿、化肥以及農(nóng)藥的侵蝕;可以穩(wěn)定的遺傳,提高固氮能力。所以,對(duì)寄主植物的根瘤菌進(jìn)行層層篩選,提高根瘤菌的固氮作用及效率,對(duì)于紫花苜蓿等牧草的生產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
我國(guó)于20世紀(jì)50年代開始研究根瘤菌,起步相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家較晚,而且主要是以國(guó)外根瘤菌試劑的應(yīng)用為主要研究?jī)?nèi)容,直至20世紀(jì)80年代初才開始進(jìn)行大規(guī)模的植物根瘤菌篩選實(shí)驗(yàn)與其相關(guān)應(yīng)用的研究。我國(guó)地域遼闊,使得根瘤菌菌株不僅具有多樣性,還具有抗逆性差異較大的特點(diǎn),所以篩選出優(yōu)良的紫花苜蓿根瘤菌,利用其進(jìn)行菌株試劑的開發(fā),具有非常重要的意義。新疆與國(guó)內(nèi)其他地區(qū)的土地條件差異較大,篩選出適合新疆地區(qū)土地鹽堿性嚴(yán)重、氣溫差異較大的菌株,實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)抗逆性、早結(jié)瘤、高結(jié)瘤率,建立一個(gè)既高效又適應(yīng)的苜蓿-根瘤菌共生固氮體系,開發(fā)生產(chǎn)出一系列苜蓿根瘤菌菌株試劑以及菌株肥料產(chǎn)品并進(jìn)行推廣,對(duì)于我國(guó)畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、進(jìn)行生態(tài)化改革具有十分重大的意義[3]。
本次實(shí)驗(yàn)利用基因與環(huán)境相互作用的數(shù)據(jù)處理方法,對(duì)在不同土壤條件中生長(zhǎng)的紫花苜蓿根系作相應(yīng)處理,準(zhǔn)備6株根瘤菌菌株,對(duì)其分別進(jìn)行耐鹽、耐酸、耐堿以及其泌酸能力的實(shí)驗(yàn),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以達(dá)到篩選出具有優(yōu)良抗逆性的根瘤菌菌株,為新疆等類似的高緯度鹽堿地地區(qū)建植紫花苜蓿草地提供優(yōu)良的根瘤菌菌株資源[4]的目的。
1.1 菌株采樣地及菌株
根瘤菌菌株的采樣地位于新疆適合苜蓿大面積種植的瑪納斯縣(鹽堿地)和石河子郊區(qū)(棕漠土土壤),瑪納斯位于新疆昌吉州,土壤的pH為7.6~8.5,而石河子郊區(qū)土壤為棕漠土,土壤pH在7.0左右,紫色苜蓿在兩個(gè)地區(qū)均可以良好生長(zhǎng),采樣區(qū)域分布合理。實(shí)驗(yàn)所用根瘤菌菌株具體情況如表1所示。
表1 根瘤菌菌株編號(hào)及采樣地
1.2 實(shí)驗(yàn)所用培養(yǎng)基
實(shí)驗(yàn)過(guò)程所采用的的基礎(chǔ)培養(yǎng)基選用YMA型培養(yǎng)基,培養(yǎng)基配方為:甘露醇10.0 g/L,NaCL 0.1 g/L,MgSO4·7,H2O 0.2 g/L,小蘇打粉1.0 g/L,K2HPO40.6 g/L溶解于1 000 mL蒸餾水中,調(diào)節(jié)pH值維持在6.9~7.1。
1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
1.3.1 根瘤菌菌株耐鹽性測(cè)定方法
分別配制NaCL濃度為C1=0.8%,C2=1.2%,C3=2.4%,C4=3.0%,C5=8.5%,C6=9.0%,C7=10.0%的YMA培養(yǎng)液,并分別進(jìn)行除菌操作,然后將采集的根瘤菌菌株分別接種至不同鹽濃度的YMA基礎(chǔ)培養(yǎng)基中,置于搖床中培養(yǎng),搖床溫度設(shè)置為25℃,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為150 r/min,在74~86 h后利用分光光度計(jì)檢測(cè)各個(gè)培養(yǎng)基中OD600的值,該值可以檢測(cè)試驗(yàn)中所用的根瘤菌菌株在不同的鹽濃度培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)情況,以空白培養(yǎng)基作為對(duì)照,每個(gè)培養(yǎng)基試驗(yàn)均設(shè)置三個(gè)重復(fù)試驗(yàn),以保證數(shù)據(jù)的可靠性[5]。
1.3.2 根瘤菌菌株耐酸堿性測(cè)定
利用稀鹽酸與稀NaOH調(diào)節(jié)YMA培養(yǎng)液pH值,將培養(yǎng)基的pH分別調(diào)節(jié)為3.0,4.0,5.0,6.0,8.0,9.0, 10.0,11.0以及12.0,將采集的根瘤菌分別接種到不同pH梯度的培養(yǎng)基中,置于搖床中培養(yǎng),搖床溫度設(shè)置為25℃,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為150 r/min,在74~86 h后利用分光光度計(jì)檢測(cè)各個(gè)培養(yǎng)基中OD600的值,該值可以用于檢測(cè)試驗(yàn)所用根瘤菌菌株在不同酸堿性的培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)情況,以空白培養(yǎng)基作為對(duì)照,每個(gè)培養(yǎng)基試驗(yàn)均設(shè)置三個(gè)重復(fù)試驗(yàn),以保證數(shù)據(jù)的可靠性。
1.4.3 根瘤菌菌株泌酸堿性測(cè)定
向1 000 mL液體YMA培養(yǎng)基中加人5 mL0.5%溴麝香草酚蘭溶液,利用滅菌操作后的NaOH溶液將培養(yǎng)基液體pH調(diào)節(jié)至7.0,此時(shí)培養(yǎng)基顏色為草綠色。取相同濃度的根瘤菌菌株懸浮液1 mL,將其接種到滅菌操作后的溴麝香草酚蘭培養(yǎng)基接種在液體培養(yǎng)基中,進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),置于25℃搖床中培養(yǎng),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為150 r/min,3~6 d后進(jìn)行變色觀察,酸性液體呈現(xiàn)黃色,堿性液體呈現(xiàn)藍(lán)色,后用pH計(jì)測(cè)試菌液的pH值[6]。
1.5 數(shù)據(jù)處理
GGE雙標(biāo)圖的數(shù)學(xué)模型可以在對(duì)根瘤菌菌株進(jìn)行基因評(píng)價(jià)的同時(shí)顧及到根瘤菌菌株的總體效應(yīng)和根瘤菌菌株與環(huán)境香菇作用效應(yīng)的試驗(yàn)方法。該模型可以將苜蓿品種區(qū)域的有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,然后經(jīng)過(guò)對(duì)主成分PC1和PC2的數(shù)值進(jìn)行單一分解,將主成分在PC1和PC2上的特征向量繪制為GGE雙標(biāo)圖。而GGE雙標(biāo)圖所采用的環(huán)境平均坐標(biāo)法可以使其更全面、更生動(dòng)的顯示出數(shù)據(jù)表中的信息,從而得到詳細(xì)結(jié)果。即GGE雙標(biāo)圖可以利用環(huán)境坐標(biāo)確定所需理想菌株的位置,雖然并不一定會(huì)真實(shí)存在理想菌株,但是可以根據(jù)根瘤菌菌株接近理想菌株位置的情況直觀的對(duì)實(shí)驗(yàn)菌株進(jìn)行篩選,即越是靠近同心圓中心,該菌株就越是接近理想菌株,反之亦然。而在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,與評(píng)價(jià)根瘤菌菌株相關(guān)的只有菌株生長(zhǎng)效應(yīng)及菌株與環(huán)境作用效應(yīng)。
1.6 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要采用Excel 2003統(tǒng)計(jì)軟件統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)以及利用基因一—基因環(huán)境互作分析軟件(GGEbiplot 5.2)處理相關(guān)數(shù)據(jù)。GGE雙標(biāo)圖的數(shù)學(xué)模型可以在對(duì)根瘤菌菌株進(jìn)行基因評(píng)價(jià)的同時(shí)還可以顧及到根瘤菌菌株的總體效應(yīng)以及根瘤菌菌株與環(huán)境相互作用效應(yīng)的試驗(yàn)方法。該模型可以將苜蓿品種區(qū)域的有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,然后經(jīng)過(guò)對(duì)主成分PC1和PC2的數(shù)值進(jìn)行單一分解,將主成分在PC1和PC2上的特征向量繪制為GGE雙標(biāo)圖。而GGE雙標(biāo)圖所采用的環(huán)境平均坐標(biāo)法可以使其更全面、更生動(dòng)的顯示出數(shù)據(jù)表中的信息,從而得到詳細(xì)結(jié)果。即GGE雙標(biāo)圖可以利用環(huán)境坐標(biāo)確定所需理想菌株的位置,雖然理想菌株并不一定會(huì)真實(shí)存在,但是可以根據(jù)根瘤菌菌株距離理想菌株位置直觀的對(duì)實(shí)驗(yàn)菌株進(jìn)行篩選,即越是靠近同心圓中心,該菌株就越是接近理想菌株,反之亦然。而在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,與評(píng)價(jià)根瘤菌菌株相關(guān)的只有菌株生長(zhǎng)效應(yīng)及菌株與環(huán)境作用效應(yīng)。
2.1 紫花苜蓿根瘤菌株耐鹽性
在不同NaCL濃度的YMA培養(yǎng)基中紫花苜蓿根瘤菌菌株的生長(zhǎng)情況差異較大,其中Hmx-c菌株可以在10.0%NaCL濃度的YMA培養(yǎng)基上生長(zhǎng)良好,表明其具有良好的耐鹽性,而Lmx-a、Lmx-c兩種類型的紫花苜蓿根瘤菌菌株在2.4%NaCL濃度的YMA培養(yǎng)基上不生長(zhǎng)或是生長(zhǎng)量極少,表明其不抗鹽或抗鹽性極差,但是大多數(shù)的紫花苜蓿根瘤菌菌株適宜在0.8%至3.0%NaCl濃度下生長(zhǎng)。
如圖1雙標(biāo)圖所示:主成分PC1約占80.7%,而PC2約占16.3%,主要成分中集中了根瘤菌菌株基因、基因與環(huán)境絕大多數(shù)的變異信息約97%,據(jù)此分析推斷具有較大的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要信息就包含在圖1中的6個(gè)根瘤菌菌株點(diǎn)以及7個(gè)不同鹽度的培養(yǎng)環(huán)境點(diǎn)中。在分析GGE雙標(biāo)圖時(shí),AEA表示的是根瘤菌菌株的一般耐鹽性,所以線段在AEA的投影箭頭指向應(yīng)該為正向,也就是說(shuō),當(dāng)根瘤菌菌株在AEA軸上投影點(diǎn)越往右則表示其耐鹽性就越強(qiáng);而AEC的縱坐標(biāo)軸表示菌株的穩(wěn)定性,在該縱軸的右邊,根瘤菌菌株的耐鹽性表示值大于平均耐鹽性表示值,在其左邊根瘤菌菌株的耐鹽性表示值則小于平均耐鹽性表示值,綜上所述,根瘤菌菌株樣品的耐鹽性順序?yàn)镠mx-c>Hmx-b>Lmx-b>Hmx-a>Lmx-c>Lmx-a。從圖1我們可以看出,根瘤菌菌株Hmx-a具有良好的穩(wěn)定性。而綜合比較的話,耐鹽性和穩(wěn)定性都相對(duì)較好的根瘤菌菌株為Hmx-c。
由于越是接近理想菌株的根瘤菌菌株越是優(yōu)良,越是靠近同心圓的中心,根瘤菌菌株就越接近我們所要篩選的菌株,由圖1建立同心圓如圖2,Hmx-c最接近最小同心圓,表明該菌株使耐鹽、穩(wěn)定的根瘤菌菌株;而Lmx-a和Lmx-c菌株距離最小同心圓較遠(yuǎn),表明其耐鹽性、穩(wěn)定性都比較差。
圖1 雙標(biāo)圖顯示菌株耐鹽性及穩(wěn)定性
圖2 同心圓與理想菌株
2.2 紫花苜蓿根瘤菌株的耐酸堿性
在酸性YMA培養(yǎng)基中,各個(gè)根瘤菌菌株都可以在pH為5.0的培養(yǎng)基中生長(zhǎng),而其中的根瘤菌菌株Lmx-a和Hmx-a在pH為4.0的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)正常,這兩種菌株具有很強(qiáng)的耐酸能力,由酸性雙標(biāo)圖(未列出)可得,實(shí)驗(yàn)所用根瘤菌菌株的耐酸性順序?yàn)長(zhǎng)mx-a>Hmx-b>Hmx-a>Lmx-b>Lmx-c>Hmx-c,同時(shí)Lmx-a也具有很好的穩(wěn)定性。而在當(dāng)YMA培養(yǎng)基為堿性環(huán)境下時(shí),所有根瘤菌菌株都可以在pH為10.0的堿性培養(yǎng)基中正常生長(zhǎng),而根瘤菌菌株Hmx-c和Hmx-a還可以在pH為11.0堿性更強(qiáng)的培養(yǎng)基上正常生長(zhǎng),其耐堿性順序?yàn)镠mx-c>Hmx-a>Lmx-c>Lmx-b>Lmx-a>Hmx-b。綜上所述,Hmx-a不但可以在pH為4.0的酸性培養(yǎng)基上正常生長(zhǎng),而且可以在pH為11.0的堿性培養(yǎng)基上正常生長(zhǎng),并且其穩(wěn)定性也相對(duì)較高。
2.3 紫花苜蓿根瘤菌泌酸能力
所有接種根瘤菌的培養(yǎng)基顏色均變黃,各個(gè)培養(yǎng)基最終的黃色隨pH降低而逐漸加深,這說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所選的六種根瘤菌株均有泌酸能力。因各個(gè)根瘤菌菌株的泌酸能力有明顯的差異,其中Lmx-a菌株的泌酸能力最強(qiáng),其培養(yǎng)液的pH值為3.53,Lmx-b菌株的泌酸能力較強(qiáng),其培養(yǎng)液的pH值為4.11,其余根瘤菌菌株的培養(yǎng)液pH介于4.14至5.18之間。綜上所述,根瘤菌菌株Lmx-a在實(shí)驗(yàn)采用的所有菌株中泌酸能力是最強(qiáng)的,而且在所有實(shí)驗(yàn)菌株中該菌株的耐堿性也是最強(qiáng)的。
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有4種實(shí)驗(yàn)菌株可以在10.0%NaCL濃度下得YMA培養(yǎng)基中正常生長(zhǎng),此類情況與康金花等人報(bào)道的R346新疆苜蓿菌株可在鹽度較高的地區(qū)順利生長(zhǎng)情況一致,但是卻與其他地區(qū)不同種屬的植物根瘤菌有很大差異,具體原因需要做進(jìn)一步的對(duì)比實(shí)驗(yàn)才能知道[7]。本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)根瘤菌菌株Hmx-a在pH為4.0和11.0的YMA培養(yǎng)基中都可以正常生長(zhǎng),可以初步判斷,該種類根瘤菌在長(zhǎng)期環(huán)境的影響下使其具備了強(qiáng)大的抗逆性,而該種類根瘤菌的抗逆性機(jī)理需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。同時(shí)耐堿性強(qiáng)的根瘤菌菌株同樣具備較強(qiáng)的泌酸能力,暗示紫花苜蓿根瘤菌的抗堿性可能與其泌酸能力存在相關(guān)關(guān)系。
總體來(lái)看棕漠土土壤(石河子市郊區(qū)地區(qū))紫花苜蓿根瘤菌的耐鹽能力最強(qiáng)。而瑪納斯縣的紫花苜蓿根瘤菌不但有很好的耐酸堿能力而且具備良好的泌酸能力。根瘤菌菌株Hmx-a可以在pH為4.0的YMA培養(yǎng)基中正常生長(zhǎng),還可以在pH為11.0的YMA培養(yǎng)基中正常生長(zhǎng),綜合相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn):根瘤菌菌株Lmx-a具有良好的抗逆性能力。
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Difference in Stress Resistance of Alfalfa Rhizobia in Different Soils
YANG Shun-jun,HE Yong-pan,KE Mei,LI Li,SHI Wei,WU Fan,CHEN Xiang-yu,HE Yu-rong*
(Grassland Institute,Xinjiang Academy of Animal Science,Urumqi 830000,China)
In order to accurately collect salt stress resistance data of Alfalfa rhizobium,6 alfalfa Rhizobium strains were collected from saline alkali soil and brown desert land in Xinjiang,and detect the salt tolerance, acid and alkaline resistance and their corresponding secretion acids and alkaline.The result show that,the Rhizobium S-c strains from Brown desert soil have a strong salt tolerance because the strain can grow normally at a concentration of 10%NaCL;the Rhizobium M-a strains collected from saline alkali soil and Rhizobium S-b strains exhibited the highest acid tolerance among all strains,and this two strains could grow normally in the acidic medium of pH 4.0;The strain with the strongest alkali resistance is M-c strain from the saline soil,which can grow normally on an alkaline medium of pH 12.0 In addition,S-a strain from Brown desert soil can not only grow in the acidic medium of pH 4.0,but also grow in alkaline medium of pH 11.0, and the acid producing ability of Rhizobium strains is closely related to their alkaline resistance.
S812.29
A
1003-6377(2017)05-0047-05
自治區(qū)公益性基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(KY201714)
楊淑君(1983-),女,碩士研究生,主要從事草地微生物方面的研究。E-mail:yanger0910@126.com
侯鈺榮(1982-),女,副研究員,主要從事草地生態(tài)研究工作。E-mail:houyurong0994@126.com
2017-08-09,
2017-08-15
Key worlds:Alfalfa;rhizobia;salt stress resistance;acids and alkaline stress resistance;acid secretion ability