植物內(nèi)生菌提取物對玉米生長特性及產(chǎn)量的影響

郎宸用

(吉林化工學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，吉林吉林 132022)

植物內(nèi)生菌屬于微生物類群，它在健康植物組織間隙或者組織內(nèi)廣泛存在，是在宿主內(nèi)進(jìn)行正常繁殖和生長的同時又產(chǎn)生次生代謝產(chǎn)物的一種新的微生物資源[1-3]。內(nèi)生菌與植物在長期系統(tǒng)進(jìn)化過程中形成的關(guān)系極為特殊，內(nèi)生菌的營養(yǎng)和能量須要植物提供，而植物生長過程中對于非生物和生物脅迫的抵抗能力又受到內(nèi)生菌代謝物的影響而增強(qiáng)，二者互惠互利[4-5]。內(nèi)生菌對于植物的生長發(fā)育有著直接的促進(jìn)作用，因?yàn)橹参锷L所需的各種激素都是收到內(nèi)生菌的作用才能產(chǎn)生[6]。內(nèi)生菌在研發(fā)生物農(nóng)藥以及促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)這2個方面有著廣闊的前景，在植物生長過程中對于磷、氮等營養(yǎng)元素的吸收有著較大的增強(qiáng)作用，還可增強(qiáng)植物的抗逆境性能，一方面在與病原菌競爭過程中能夠有優(yōu)勢去爭取空間和營養(yǎng)，同時也產(chǎn)生拮抗物質(zhì)來抑制病原菌對植物生長的影響，進(jìn)而對于植物的生長發(fā)育促進(jìn)作用極大[7]。

玉米不管是在改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還是調(diào)節(jié)氣候等方面均意義重大，它具有眾多優(yōu)良特點(diǎn)，諸如生態(tài)適應(yīng)性廣、高產(chǎn)、營養(yǎng)豐富等[8-9]。本研究主要探討了植物內(nèi)生菌提取物對玉米生長的影響作用，研究方法主要是3年的內(nèi)生菌添加試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中不斷優(yōu)化配方，而最終效果的驗(yàn)證則通過移栽至田間來進(jìn)行。通過分析玉米生理生化特征、形態(tài)、產(chǎn)量、內(nèi)源激素含量等受植物內(nèi)生菌提取物影響情況，以期為更好地培育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)玉米提供一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以龍高L2為供試玉米品種，該品種為吉林省具有代表性的品種。供試處理材料的分離和保存主要是由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物工程中心進(jìn)行，主要是內(nèi)生菌的提取物，這種提取物取自野生植物根系，內(nèi)生菌株則主要是鏈格孢(Alternariaalternata)。對于玉米種子的選擇有著嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，即過了休眠期、色澤一致、大小均勻、籽粒飽滿，選好之后用濃度為80%的乙醇進(jìn)行30 min的消毒處理，然后用蒸餾水不斷沖洗之后保存在4 ℃以下的環(huán)境之中。試驗(yàn)之前將玉米種子放在室內(nèi)水族箱中，光照度為120 μE/(m2·s)，水的溫度為(25±0.5) ℃，此外要求pH值為7.8～8.1，鹽度值為2.9%～3.1%，在箱中適應(yīng)處理1周。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)于2015—2017年在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)基地進(jìn)行，采用隨機(jī)裂區(qū)的方法設(shè)置2個處理，分別為對照(CK)與植物內(nèi)生菌提取物處理，每個處理3次重復(fù)。植物內(nèi)生菌提取物試驗(yàn)小區(qū)面積為5.0 m×5.0 m。用Fluke 2638A全能型溫度數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)，對照組和內(nèi)生菌處理組地下與地上 10 cm 的地溫每隔1 h測定1次，必須從每個生長季中選擇晴朗無風(fēng)的 1 d 來測定，在各個試驗(yàn)小區(qū)的邊緣埋入土壤呼吸底座(材質(zhì)為PVC管)，呼吸底座高 12 cm、直徑15 cm，底座內(nèi)的雜草定期清理去除。值得注意的是，為了盡量減少影響生態(tài)環(huán)境，應(yīng)提前1個月在土壤中埋入PVC測量圈，1個月后再對土壤呼吸速率進(jìn)行觀測。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 玉米生長性狀 (1)玉米生長狀態(tài)測定。使用游標(biāo)卡尺和卷尺測量其莖粗和株高，數(shù)值精確到0.01 cm；將玉米材料烘干并測質(zhì)量，即為單株生物量。用直尺測量葉片最長、最寬處的值，葉面積=葉長×葉寬×0.75；葉面積指數(shù)=平均單株葉面積×單位土地面積內(nèi)玉米株數(shù)/單位土地面積。所取葉樣品測定葉面積后烘干稱質(zhì)量，比葉質(zhì)量=葉干質(zhì)量/葉面積。

(2)根系質(zhì)量測定。采用壕溝挖掘法挖取玉米根系，用塑料袋分開每株的地下與地上部分，之后放到實(shí)驗(yàn)室中沖洗，沖洗工具是40目篩網(wǎng)，接著在65 ℃下烘干，再測定其干質(zhì)量。

(3)采用CCM-200葉綠素儀測定葉綠素含量。主要測定對象是不同時期玉米葉片，測定時必須進(jìn)行烘干和粉碎；蛋白質(zhì)含量和碳水化合物含量的測定分別使用考馬斯亮藍(lán)法、蒽酮法；丙二醛含量、過氧化氫酶(CAT)活性、過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定分別采用硫代巴比妥酸法、紫外分光光度法、愈創(chuàng)木酚顯色法、氮藍(lán)四唑法[10]。

1.3.2 玉米葉片相關(guān)生理指標(biāo)測定 隨機(jī)盡量多地采取玉米植株上部、下部、中部的葉片洗凈并進(jìn)行混合，在溫度為 80 ℃ 的烘箱中進(jìn)行烘干后粉碎操作，然后用1.5 mm的篩過1遍，一般準(zhǔn)備3份平行樣品。葉片中的全氮含量以及全碳含量采用元素分析儀進(jìn)行測定，全磷含量采用釩鉬黃吸光光度法進(jìn)行測定，用光焰光度計法測定葉片中的全鉀含量[11]。

1.3.3 玉米產(chǎn)量及構(gòu)成情況測定 成熟期每小區(qū)抽取10株玉米，并測量穗粒質(zhì)量、穗粒數(shù)以及百粒質(zhì)量[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物內(nèi)生菌提取物對玉米生長發(fā)育的影響

2.1.1 生長特性 結(jié)果(表1)表明，單株生物量、比葉質(zhì)量、葉面積指數(shù)、株高、莖粗等方面表現(xiàn)為內(nèi)生菌>CK，這些生長性狀隨著生長期進(jìn)行而不斷增加，2種處理方式下不同生長特性的差距也增大，并在成熟期階段二者都表現(xiàn)為顯著差異水平(P<0.05)。內(nèi)生菌

表1 植物內(nèi)生菌提取物對玉米植株生長特性的影響

注：*、**分別表示內(nèi)生菌與CK差異顯著(P<0.05)、極顯著(P<0.01)。下表同。

2.1.2 生理生化特性 由表2可知，內(nèi)生菌對于植物不同時期生理生化特性的影響均大于CK，主要表現(xiàn)在玉米葉片蛋白質(zhì)含量、碳水化合物含量、葉綠素a和葉綠素b的含量上，隨著生長期的進(jìn)行，內(nèi)生菌的影響比CK更為明顯，這表明植物玉米的生長發(fā)育受到內(nèi)生菌的顯著影響，尤其是在成熟期的影響更大。

表2 植物內(nèi)生菌提取物對玉米植株生理生化特性的影響

2.1.3 葉片酶活性和丙二醛含量 由表3可知，內(nèi)生菌對于植物不同時期中過氧化氫酶活性、過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性及丙二醛含量的影響均大于CK，且隨著生長期的進(jìn)行，各保護(hù)酶活性不斷增加，丙二醛含量不斷減少，2種處理下葉片中各種酶活性和丙二醛含量之間的差異也在增加。在成熟期各種保護(hù)酶活性達(dá)到最大，丙二醛含量達(dá)到最小，抽雄期2種處理間的差異達(dá)到最大。這表明玉米葉片中丙二醛含量、過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性、超氧化物歧化酶活性都受到了內(nèi)生菌的影響，而且影響最為明顯的階段是在抽雄期。

2.2 植物內(nèi)生菌提取物對玉米植株養(yǎng)分積累的影響

在植物的成熟期，不同部位的碳、氮、磷和鉀積累量受到植物內(nèi)生菌提取物的影響，表4的結(jié)果表明這種影響比較顯著。碳、氮、磷和鉀積累量因部位而異，穗部較高，最低的是根部。但是內(nèi)生菌提取物的碳、氮、磷和鉀積累量不管在什么部位都顯著比CK高。這證明玉米碳、氮、磷和鉀的積累量的增加受到了植物內(nèi)生菌的影響。

2.3 植物內(nèi)生菌提取物對玉米內(nèi)源激素含量的影響

在植物種子早期生長、種子萌發(fā)的抑制或促進(jìn)過程中，植物中的細(xì)胞分裂素(6-BA)、吲哚乙酸(IAA)這2種內(nèi)源激素起著重要的作用。圖1為玉米內(nèi)源激素含量受植物內(nèi)生菌提取物影響結(jié)果。結(jié)果表明，植物內(nèi)生菌顯著增加了35.17%細(xì)胞分裂素(6-BA)含量和42.36%的吲哚乙酸(IAA)含量。

表3 植物內(nèi)生菌提取物對玉米植株葉片酶活性和丙二醛含量的影響

表4 植物內(nèi)生菌提取物對玉米植株養(yǎng)分積累的影響

2.4 植物內(nèi)生菌提取物對玉米產(chǎn)量特性的影響

圖2表明，植物內(nèi)生菌提取物與CK相比增加了7.12%的穗粒質(zhì)量、13.27%的穗粒數(shù)、6.59%的百粒質(zhì)量，植物內(nèi)生菌提取物與CK之間的穗粒數(shù)與百粒質(zhì)量差異極顯著(P<0.01)，穗粒質(zhì)量差異顯著(P<0.05)。實(shí)際生產(chǎn)中，玉米產(chǎn)量的2個重要構(gòu)成因子就是穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量，直接對玉米產(chǎn)量的提高有著正面的影響，結(jié)果表明，內(nèi)生菌能夠增加玉米的穗粒數(shù)，從而達(dá)到增產(chǎn)的效果。

3 討論與結(jié)論

試驗(yàn)組的玉米比CK有著較大的差異，比葉質(zhì)量、葉面積指數(shù)都大，分蘗數(shù)多，植株增長快，這些差異表明內(nèi)生菌能夠提高玉米新陳代謝的能力，促進(jìn)玉米增長和增產(chǎn)[13-14]。對于植物的生長而言，光合作用至關(guān)重要，在此過程中生成的有機(jī)物質(zhì)決定了玉米籽粒狀況及最終的產(chǎn)量， 內(nèi)生菌處理下的玉米植株葉面積指數(shù)較大，更加有利于光能的捕捉；在玉米植株新陳代謝不斷加快的適應(yīng)機(jī)制中，最為重要的就是較小的根冠比和發(fā)達(dá)的根系[15]，在本次試驗(yàn)中，受到內(nèi)生菌處理的玉米生長更好。

玉米生長和發(fā)育各個生理與生化過程中伴隨著能量和物質(zhì)的代謝，均受到內(nèi)生菌的影響[16-17]。用內(nèi)生菌處理過的玉米植株在生長期階段中的蛋白質(zhì)含量、碳水化合物含量、葉綠素含量都比CK的高。玉米葉片的光合生產(chǎn)能力間接受到葉綠素含量影響，而葉綠素含量受內(nèi)生菌的直接影響[18]。由此可見，葉綠素含量與內(nèi)生菌對玉米葉片光合生產(chǎn)能力的變化影響趨勢相同。內(nèi)生菌對玉米生長的促進(jìn)作用隨其生長階段不同而有所差異，作用最大的時期為抽雄期。丙二醛(MDA)是一種反映膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和膜脂過氧化程度的物質(zhì)，產(chǎn)生于膜脂過氧化過程中，如果其含量較高則表明組織中有氧化脅迫現(xiàn)象產(chǎn)生[19-20]。本試驗(yàn)中，內(nèi)生菌對MDA含量的降低起到較大的作用，對玉米植株起到了保護(hù)作用，使玉米葉片各項(xiàng)生理功能和代謝功能增強(qiáng)。

在某種程度上，玉米植株對于養(yǎng)分的積累作用主要得益于內(nèi)生菌，主要原理是內(nèi)生菌對土壤有機(jī)質(zhì)的分解起到了很大的激發(fā)和促進(jìn)作用，對植株養(yǎng)分含量起到了較大的提高作用，這增加了玉米的各項(xiàng)特征指標(biāo)，如穗數(shù)、穗粗、穗長、百粒質(zhì)量以及穗粒數(shù)，自然而然產(chǎn)量也得到了極大的提高。土壤中的營養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足玉米生長所需，必須依靠外界輸入各種營養(yǎng)物質(zhì)，因此，在玉米生長過程中影響外界營養(yǎng)輸入方面的因素須要考慮到養(yǎng)分的固定和淋洗作用[21-22]。

綜上所述，不管是玉米的產(chǎn)量指標(biāo)，還是生長特性等相關(guān)指標(biāo)都明顯受到了施用植物內(nèi)生菌提取物的影響。玉米內(nèi)源激素含量及激素之間的平衡會受到植物內(nèi)生菌提取物的調(diào)控，改變其生理生化特征，并引起其形態(tài)的相關(guān)變化，由此可知玉米生長發(fā)育受到了植物內(nèi)生菌提取物的顯著調(diào)控[23]。在實(shí)際中，對于如何來使用植物內(nèi)生菌比較復(fù)雜，玉米體內(nèi)激素之間的平衡以及不同激素的含量勢必會受到外用植物內(nèi)生菌提取物的明顯影響，進(jìn)而改變玉米的生理生化特征及形態(tài)等[22-23]。所以在植物內(nèi)生菌提取物的正確、科學(xué)使用上，必須明確其對植物內(nèi)源激素的詳細(xì)影響情況，對內(nèi)生菌提取物對不同時期生物生育作用的效用進(jìn)行了解和掌握，科學(xué)把控其濃度及作用時間。