王曉琪,姚媛媛,陳寶成,張 民,2*,劉之廣*,馬金昭,王慶彬,3
(1 土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,山東泰安 271018;2 養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/金正大生態(tài)工程集團(tuán)股份有限公司,山東臨沭 276000;3 山東蓬勃生物科技有限公司,山東泰安 271018)
水稻是對溫度極為敏感的喜溫性作物[1],隨著全球極端性的低溫冷害事件頻頻發(fā)生[2],低溫冷害成為制約水稻生產(chǎn)的重要因素[3]。每年全球水稻因冷害減產(chǎn)5%~10%,嚴(yán)重時甚至可達(dá)到20%~40%[4]。當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃時,水稻的生理代謝就會受到影響[5]。短時間內(nèi)冷害會導(dǎo)致水稻生長遲緩,若低溫持續(xù)時間過長,秧苗會出現(xiàn)腐爛甚至死亡[6]。冷害不僅會對水稻造成明顯的外部損傷,還會對一系列的生理和代謝過程造成不可逆的傷害[7],如破壞細(xì)胞膜透性[8]、抑制葉綠素合成[9]、造成電解質(zhì)泄漏[10],降低葉片光合能力等[11]。水稻二葉期胚乳中的養(yǎng)分消耗殆盡,是水稻抗性最弱的時期,極易遭受冷害,最終影響水稻產(chǎn)量[12]。我國北方水稻通常在5月份進(jìn)行育秧,此時地下水溫度低、晝夜溫差大。因此,提高低溫條件下水稻幼苗的耐寒能力對促進(jìn)水稻成苗和秧苗生長有重要作用。目前水稻生產(chǎn)中應(yīng)對突發(fā)的低溫氣候,通常以噴施抗冷藥劑等外源物質(zhì)的方式來提高水稻的抗低溫能力從而防御冷害的發(fā)生[13]。但我國對于抗寒外源物質(zhì)的研究較為緩慢,因此急需一種穩(wěn)定、高效的外源物質(zhì)用于提高水稻的耐寒能力。
生物刺激素在2012年被歐洲生物刺激素工業(yè)理事會(EBIC)定義為:一種施用于植物表面或根際后能夠刺激植物增強(qiáng)養(yǎng)分吸收能力,提高養(yǎng)分利用效率,提高作物品質(zhì)以及降低非生物脅迫的外源添加物質(zhì)或微生物[14]。全球生物刺激素市場在2013至2018年間以每年12.5%的速度迅速增長,至2018年生物刺激素的銷售額已達(dá)22.41億美元[15]。隨著生物刺激素在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用不斷增多,生物刺激素的增效方式和作用機(jī)理也逐漸被認(rèn)知。孫磊等[16]通過不同濃度的低聚殼聚糖對水稻幼苗進(jìn)行處理,證明低聚殼聚糖能夠保護(hù)類囊體膜系統(tǒng),緩解低溫對光合系統(tǒng)的破壞,從而增強(qiáng)了水稻幼苗對低溫的耐受性。張水勤等[17]研究發(fā)現(xiàn)腐植酸能夠固持活化土壤和肥料中的養(yǎng)分,刺激植物根系伸長,加速對養(yǎng)分的吸收,并顯著緩解逆境脅迫。鄧如福等[18]發(fā)現(xiàn)海藻糖能夠降低低溫脅迫下水稻幼苗細(xì)胞電解質(zhì)滲漏速率,并提高了植株體內(nèi)淀粉酶活性和可溶性糖含量,在維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時能夠?qū)M(jìn)行修復(fù)。國內(nèi)外的大量研究也表明,蛋白質(zhì)水解物和特定的氨基酸,包括脯氨酸、甜菜堿等還能夠誘導(dǎo)植物防御反應(yīng),提高植物對極端溫度的耐受性[15]。因此,生物刺激素的施用不僅能夠促進(jìn)作物生長、氮素代謝以及養(yǎng)分累積,更是可持續(xù)農(nóng)業(yè)中緩解冷害的重要手段和希望[19]。沙棘(Hippophae rhamnoidesL.)是我國用于水土保持和荒漠治理的重要經(jīng)濟(jì)樹種,其根系發(fā)達(dá)、抗逆性強(qiáng),能夠提高土壤氮儲量,增加土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量[20-21]。試驗(yàn)通過野生沙棘內(nèi)生菌發(fā)酵提取了一種新型生物刺激素PVE(Paecilomycesvariotiiextracts),繼而通過發(fā)芽試驗(yàn)和液培試驗(yàn)研究了低溫脅迫下PVE對水稻種子萌發(fā)、幼苗生長、光合作用和抗氧化損傷能力的影響,為探尋該生物刺激素的最適施用濃度及應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)于2018年7月在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)國家工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。
供試生物刺激素的制備方法為[22]:將沖洗干凈后的野生沙棘根系切成小段,經(jīng)75%的酒精和10%的巴氏消毒液浸洗后,用無菌水沖洗干凈。在超凈臺上將根切割成0.5 cm長的小段后接種于孟加拉紅平板培養(yǎng)基,28℃下培養(yǎng)5天。此時切割過的根系邊緣會長出菌絲,菌絲經(jīng)反復(fù)分離純化后即得沙棘內(nèi)生菌菌株(宛氏擬青霉Paecilomyces variotii)。
將宛氏擬青霉菌株(保藏號CGMCCNO.10114)接種到平板PDA培養(yǎng)基上于25℃下培養(yǎng)6天。隨后轉(zhuǎn)接于裝有50 mL種子培養(yǎng)液的250 mL三角燒瓶內(nèi)并在28℃、120 rpm的全自動搖床上培養(yǎng)3天,再以10%量接種入裝有150 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的500 mL三角瓶中,繼續(xù)在相同條件下培養(yǎng)5天后終止發(fā)酵,放置于4℃冰箱中保存。將培養(yǎng)得到的菌絲體洗凈后在60℃下烘干稱重,經(jīng)高速粉碎機(jī)粉碎,乙醇浸提3次,磁力攪拌器混勻后超聲波震蕩1 h,真空抽濾所得濾液即為宛氏擬青霉菌株的提取物PVE。其成分包含分子量140~2507 Da的小分子寡糖、氨基酸、嘧啶核苷、糖蛋白和多肽等物質(zhì)。
萌發(fā)試驗(yàn)中供試方板的規(guī)格為10 cm×10 cm;液培裝置由硬質(zhì)PVC管改良組裝制成,高12.5 cm,直徑9.5 cm,底部完全封閉,頂部設(shè)計為直徑10.5 cm的蓋子,并在蓋子上鉆出4個直徑1.5 cm的圓孔。水稻種子通過海綿固定于圓孔中。
供試水稻品種為“圣稻13”,生育期為156天,屬于中晚熟常規(guī)粳稻。
發(fā)芽試驗(yàn):試驗(yàn)共設(shè)6個處理,3次重復(fù)。選取大小均一的水稻種子,于5%的NaClO溶液中浸泡10 min消毒后用無菌水洗凈。消毒后的水稻種子分別在含PVE 0、0.05、0.10、0.20、0.50和1.00 μg/L的水溶液中浸種24 h。浸種結(jié)束后用無菌水沖洗、擦干,將種子整齊排放于底部鋪有兩層濾紙的方板中,每個方板點(diǎn)種50粒,每天定時補(bǔ)水保持方板重量恒定。所有方板均在15℃的恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng),種子發(fā)芽后每天統(tǒng)計發(fā)芽率直至全部發(fā)芽。
液培試驗(yàn):選取大小均一的水稻種子,用5%NaClO溶液消毒洗凈后,均勻撒播于裝有細(xì)沙的長方形塑料盒中,定時補(bǔ)水培養(yǎng)至兩葉一心期。此時將水稻幼苗轉(zhuǎn)移至裝有1/20國際水稻研究所標(biāo)準(zhǔn)營養(yǎng)液(IRRI)的液培裝置中,營養(yǎng)液包括PVE處理濃度分別為0、0.05、0.10、0.20、0.50和1.00 μg/L,于15℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每兩天更換一次營養(yǎng)液,并隨著水稻幼苗的生長逐步提高營養(yǎng)液濃度(各處理PVE濃度不變),每個處理重復(fù)3次。10天后進(jìn)行樣品采集與相關(guān)指標(biāo)的測定。
生物量,將葉片與根系用蒸餾水洗凈后,置于烘箱中105℃殺青1 h,然后在75℃下烘干至恒重。根系形態(tài),采用LA-S植物根系分析系統(tǒng)(杭州萬深)掃描并拍攝;葉片光合速率(Pn),用LI-6400XT便攜式光合儀(LI-COR,美國)測定,樣品測定的時間為9:00—11:00;植株葉片SPAD值,用SPAD-502葉綠素儀(Minolta,日本)測定;葉綠素含量,用95%乙醇浸提,紫外分光光度計測定665、649和 470 nm處的光吸收值[23]。超氧化物歧化酶(SOD)活性,用氮藍(lán)四唑(NBT)光化學(xué)還原法測定[24];過氧化物酶(POD)活性,采用愈創(chuàng)木酚法測定[24];過氧化氫酶(CAT)活性,采用過氧化氫紫外吸收法測定[24];丙二醛(MDA)含量,用硫代巴比妥酸(TBA)法測定[24];
發(fā)芽率(%)=發(fā)芽數(shù)/50×100,其中芽長超過種身長度的1/2記為有效發(fā)芽。
根冠比(%)=地下部分干重/地上部分干重×100。
水稻根系掃描數(shù)據(jù)采用萬深LA-S根系分析系統(tǒng)分析,其余數(shù)據(jù)通過Excel 2016和SAS 8.2軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計分析,采用ANOVA方差分析及Duncan’s Multiple Range Test方法比較不同處理間在P<0.05水平的差異顯著性。
低溫會抑制水稻種子的萌發(fā),各處理水稻種子直至第5天才開始發(fā)芽(圖1)。施用PVE的處理在第5天和第6天種子發(fā)芽率較CK分別提高66.7%~106.7%和28.2%~47.8%。至第7天,只有0.05與0.10 μg/L處理種子發(fā)芽率高于CK,其余濃度處理與CK無明顯差異。第8天所有處理種子發(fā)芽基本結(jié)束,各處理水稻平均發(fā)芽率均在88%以上,且所有處理間種子發(fā)芽率無明顯差異。提前發(fā)芽是打破種子休眠、縮短水稻生育期的重要手段,綜合來看,PVE對低溫脅迫下種子發(fā)芽率沒有影響,但能夠促進(jìn)種子提前發(fā)芽。
圖2表明,PVE在0.05~0.50 μg/L濃度范圍內(nèi)可顯著提高水稻地上部分生物量7.9%~20.4%,增加水稻根系重量12.5%~28.1%,提高水稻幼苗的根冠比4.2%~6.6%,以0.10 μg/L促生作用最大。當(dāng)PVE的施用濃度達(dá)1.00 μg/L時,水稻地上部分生物量、根重和根冠比均與CK無顯著差異。
圖1 不同PVE濃度處理水稻種子發(fā)芽率Fig.1 Germination rate of rice under different PVE concentrations
圖2 不同PVE濃度處理水稻地上部分生物量、根重及根冠比Fig.2 Aboveground biomass, root weight and root shoot ratio of rice under different PVE concentrations
對0~0.20 μg/L范圍內(nèi)PVE濃度(x)與水稻幼苗地上部分和根系總重(y)進(jìn)行相關(guān)性分析(圖3),得到關(guān)系為y=-5.5358x2+1.2568x+0.324(R2=0.9855)的函數(shù)方程。從中可以看出在PVE濃度(x)=0.1173 μg/L時,水稻幼苗總重(y)可取得最大值,高于這個濃度,PVE的促生效果開始下降,過高的濃度可能還會抑制水稻幼苗的生長。
PVE在低濃度條件下能夠緩解低溫脅迫,改善水稻根系生長狀況(表1)。與對照相比,0.05 μg/L處理水稻根系總長度、投影面積、面積、根表面積、根體積和根系平均直徑分別顯著提高38.0%、46.5%、47.1%、34.5%、31.0%和31.5%;0.10 μg/L處理根系各項(xiàng)指標(biāo)分別顯著提高48.0%、48.5%、41.8%、36.6%、36.2%和35.2%。0.05和0.10 μg/L的PVE促進(jìn)了根系生長與伸長,而發(fā)達(dá)的根系能夠提高水稻幼苗對水分和養(yǎng)分的吸收能力,進(jìn)而緩解低溫對水稻幼苗的脅迫。超過0.20 μg/L,PVE的有益作用下降,并顯著低于0.05與0.10 μg/L處理。
圖3 水稻幼苗總重隨PVE濃度的變化Fig.3 The variation of total weight of rice seedlings with increased PVE concentrations
表1 不同PVE濃度處理水稻根系形態(tài)Table 1 Root morphology of rice under different PVE concentrations
圖4 不同PVE濃度處理水稻葉片SPAD值及葉綠素含量Fig.4 SPAD value and chlorophyll content of rice leaves under different PVE concentrations
葉綠素是植物光合作用中起核心作用的色素,其含量是反映葉片光合能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。SPAD值與葉綠素含量有良好的相關(guān)性,通過測定不同處理水稻葉片SPAD值(圖4),發(fā)現(xiàn)0.05、0.10和0.20 μg/L處理葉片SPAD值較CK分別顯著提升38.2%、40.9%和28.7%,其中0.10 μg/L處理SPAD值最高。但隨著PVE施用濃度的進(jìn)一步提高,葉片SPAD值逐漸降低,0.20、0.50和1.00 μg/L處理葉片SPAD值較0.10 μg/L處理分別降低了8.7%、22.0%和23.3%,且0.50與1.00 μg/L處理葉片SPAD值與CK已無顯著差異。水稻葉片中的葉綠素含量與SPAD值呈現(xiàn)的規(guī)律相一致,0.05、0.10和0.20 μg/L處理葉綠素含量較CK提高了15.6%、19.3%和8.6%,0.50和1.00 μg/L處理葉片葉綠素含量較0.10 μg/L處理分別顯著降低10.8%和14.2%,并與CK葉綠素含量差異不顯著。因此,葉綠素合成對PVE施用濃度存在明顯響應(yīng),0.10 μg/L PVE是促進(jìn)葉綠素合成的最佳濃度。
光合作用是水稻捕捉太陽能并進(jìn)行養(yǎng)分累積的基礎(chǔ),葉片的光合能力直接決定了植物生產(chǎn)力的高低,是植物光合作用的重要反映。PVE在0.05~0.50 μg/L濃度范圍內(nèi)水稻葉片光合速率較CK顯著提高5.1%~34.4%(表2),且0.05和0.10 μg/L處理葉片光合速率顯著高于0.20、0.50和1.00 μg/L處理。光合速率的提高需要消耗更多的CO2,胞間CO2濃度會隨光合效率的提高而降低,PVE在0.05~0.50 μg/L濃度范圍內(nèi)胞間CO2濃度較CK顯著降低9.3%~18.3%。研究同時發(fā)現(xiàn)PVE能夠促進(jìn)葉片氣體交換,與CK相比,所有施用PVE的處理葉片氣孔導(dǎo)度顯著增加7.9%~16.2%。蒸騰作用是植物進(jìn)行水分與養(yǎng)分吸收運(yùn)移的主要動力,0.05、0.10、0.20和0.50 μg/L處理較CK分別提高了葉片蒸騰速率63.5%、63.5%、41.0%和34.0%,從而提高了水稻對水分/養(yǎng)分吸收和運(yùn)移的能力。綜合水稻葉片光合參數(shù),PVE在0.10 μg/L濃度下具有最佳施用效果,但隨著濃度的進(jìn)一步提高施用效果逐漸下降,至1.00 μg/L時葉片光合速率和蒸騰速率與CK已無顯著差異。
SOD和CAT是最有效的催化清除活性氧反應(yīng)的酶。施用PVE的各處理葉片SOD活性較CK顯著增加22.2%~46.9%,但根系中只有0.10 μg/L處理SOD活性顯著高于CK28.0%(表3)。0.10 μg/L處理葉片和根系CAT活性還較CK顯著提高9.5%和12.5%,但不同PVE施用濃度對葉片POD活性,根系SOD、CAT和POD活性影響不顯著?;钚匝鯐铀俣嗑鄄伙柡椭舅峤到猱a(chǎn)生MDA,對植物造成二次傷害。與CK相比,0.05 μg/L處理顯著降低葉片和根系中MDA含量16.6%和24.6%,0.10 μg/L處理顯著降低葉片和根系中MDA含量22.0%和29.8%。綜合來看,低濃度的PVE能夠提高抗逆酶活性,降低MDA含量,從而減少細(xì)胞損傷,提高水稻耐低溫能力。
表2 不同PVE濃度處理水稻葉片的光合特性Table 2 Photosynthetic characteristics of rice leaves under different PVE concentrations
表3 不同PVE濃度處理水稻葉片及根系抗逆酶活性及丙二醛含量Table 3 Stress-resistance enzyme activity and MDA content in rice leaves and roots under different PVE concentrations
水稻遭受冷害時會發(fā)生光能轉(zhuǎn)化效率降低[25]、葉綠素合成受到抑制[9]、丙二醛等代謝產(chǎn)物含量升高等生理變化[5],并伴隨著種子發(fā)芽率降低[26]、幼苗生長緩慢等現(xiàn)象。因此增強(qiáng)作物對養(yǎng)分的吸收能力、保證作物體內(nèi)生理生化及代謝反應(yīng)的正常運(yùn)行是生物刺激素調(diào)控脅迫耐受性的關(guān)鍵[27]。研究者發(fā)現(xiàn)生物刺激素能夠調(diào)控植物代謝中的光合作用進(jìn)程[28],并通過增加根系與土壤/營養(yǎng)液的接觸與吸收面積促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收[17,29]。類似試驗(yàn)結(jié)果也出現(xiàn)于本試驗(yàn)中,相較于CK,PVE在0.05~0.50 μg/L濃度范圍內(nèi)使水稻葉片的光合速率和蒸騰速率分別顯著提升5.1%~34.4%和34.0%~63.5%,同時水稻根系更加發(fā)達(dá),根系總長度、根表面積、根體積和根平均直徑等指標(biāo)也均顯著提高,從而通過增加養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)膭恿σ约案蹬c養(yǎng)分的接觸面積兩個途徑提高了水稻幼苗對水分和養(yǎng)分的吸收能力。低溫脅迫會導(dǎo)致水稻細(xì)胞內(nèi)氧代謝失衡,由此產(chǎn)生的活性氧簇會引發(fā)膜脂過氧化并造成膜系統(tǒng)損傷[30-31],并進(jìn)一步加速多聚不飽和脂肪酸降解產(chǎn)生MDA,從而對植物造成二次傷害[32]。朱云林等[12]和黃鳳蓮等[13]證實(shí)生物刺激素具有增強(qiáng)水稻幼苗體內(nèi)抗氧化酶活性的能力。本試驗(yàn)條件下,施用PVE后水稻幼苗體內(nèi)SOD和POD活性顯著上升,保障了酶系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制的正常運(yùn)行,PVE進(jìn)一步降低了葉片和根系中MDA含量16.6%~22.0%和24.6%~29.8%。因此,PVE通過增加根系養(yǎng)分吸收面積、提高葉片光合能力和減少細(xì)胞氧化損傷途徑共同作用提高了對水稻幼苗對低溫脅迫的耐受性。但與其他研究者的研究結(jié)果不同,供試PVE在0.05~0.10 μg/L的濃度下就能起到緩解低溫脅迫的作用。而在其他研究報道中,生物刺激素因其來源和組分不同,其促進(jìn)或抑制生長的濃度存在較大差異,但大致施用范圍在50~1000 mg/L。PVE的最適抗逆濃度僅為常規(guī)生物刺激素的1/500000,甚至更低,因此可以認(rèn)為PVE是一種高效的生物刺激素。
供試宛氏擬青霉來源于野生沙棘根系,并在一定的施用量下顯著提高了水稻幼苗葉片和根系的重量,這可能是由于菌株提取物中的活性成分誘導(dǎo)植物產(chǎn)生了如生長素等多種內(nèi)源激素,從而促進(jìn)了水稻根系的生長和組織的分化,并在低溫脅迫下通過影響內(nèi)源激素水平的形式達(dá)到了穩(wěn)定蛋白質(zhì)并保護(hù)膜系統(tǒng)的作用[33]。但本試驗(yàn)條件下隨著PVE施用濃度的提高,PVE緩解低溫脅迫的能力反而逐漸減弱。且使用函數(shù)模型對0~0.20 μg/L范圍內(nèi)PVE濃度與水稻幼苗總重間的相互關(guān)系進(jìn)行模擬時發(fā)現(xiàn),隨著PVE濃度的增加,水稻幼苗總重呈先增加后降低的趨勢,低濃度的PVE增加了水稻幼苗干物質(zhì)累積,但隨著施用濃度的增加水稻幼苗的生長反而受到抑制。Selvi等[34]的研究也得出類似結(jié)果,過量的生物刺激素往往伴隨著強(qiáng)烈的抑制作用。因此PVE在高濃度條件下可能干擾了水稻其他生理途徑并抑制了水稻的生長,從而掩蓋了其對水稻抵御低溫脅迫的正面作用。
二葉期的水稻對低溫環(huán)境極為敏感,也是抗性最弱的時期,持續(xù)低溫會導(dǎo)致葉片黃化失綠,產(chǎn)生死苗、爛秧等癥狀[12],而隨著水稻的生長,根系對水分及養(yǎng)分的吸收能力會逐漸增強(qiáng),對低溫的耐受性也會逐漸提高,PVE在水稻幼苗上施用后有較好的抗逆作用,推測該生物刺激素在水稻的整個生育時期內(nèi)都有較好的施用效果。但在生物刺激素實(shí)際推廣和應(yīng)用的過程中,Ertani等[35]發(fā)現(xiàn)生物刺激素對施用劑量和施用方式要求嚴(yán)格,且由于其中的多種生物活性成分共同作用而難以闡明作用機(jī)理,因此難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的商業(yè)化。PVE同樣會因施用劑量低、施用閾值窄而極易出現(xiàn)施用不均、施用量過大等問題。為此,后續(xù)研究工作中需增加低濃度PVE處理的數(shù)量,便于更好地通過函數(shù)分析水稻的各項(xiàng)指標(biāo)與PVE施用量的關(guān)系;探尋PVE抑制水稻生長的閾值及更科學(xué)的稀釋方法,以便更合理地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn);增設(shè)恢復(fù)試驗(yàn)、正常溫度對照,延長試驗(yàn)時間從水稻種植至收獲,系統(tǒng)研究水稻在整個生命周期中的生理生化反應(yīng)和養(yǎng)分吸收能力對PVE的響應(yīng)。此外,針對不同作物,PVE的施用量和作用機(jī)制也需進(jìn)一步探討。
15℃低溫脅迫條件下,PVE能夠打破水稻種子休眠。PVE處理濃度為0.10 μg/L時,可顯著增加水稻幼苗根系重量,提升葉片光合速率,提高葉片和根系抗氧化酶活性,并顯著降低葉片和根系MDA含量,最終提高水稻地上部分生物量。