不同乳酸菌菌株对小麦种子发芽及幼苗生理生化特性的影响

王小杰,陈其欣,张 华,张 淼,王 星,谈重芳∗

(1 郑州大学,河南省离子束生物工程重点实验室,郑州450052;2 郑州大学,郑州450052)

化学肥料和农药的使用对提高农作物产量具有重要作用。 化肥的普遍应用使我国粮食产量迅速增加,但其危害也较为明显,化肥残留、土地资源破坏、土壤污染等因素造成农产品品质下降,甚至危害人们的健康[1]。 随着生活水平的不断提高,人们越来越追求绿色、健康、无污染的食物,所以微生物肥料这一健康、高效、成本低的肥料应运而生。

从广义上来讲,微生物肥料是指一类具有活的微生物,并在肥料使用过程中使植物获得特定的效能,增加植物产量以及提高质量的生物制剂[1]。 微生物肥料不仅具有资源丰富、种类及功能多的特点,而且也是一种无毒、无害、无污染的可再利用的低成本肥料。 微生物肥料可在增加土壤肥力、增强作物抗性、改善土壤结构、提高作物产量的同时,减少化肥的用量,改善农作物品质[2]。

虽然国内对微生物肥料已有诸多研究,但只有少量研究将乳酸菌作为微生物肥。 乳酸菌是指一类可发酵碳水化合物并且能产生大量乳酸的细菌的总称[3],分布十分广泛,用途涉及食品、工业、饲料和生物医药等方面。 本试验以乳酸菌作为微生物肥料,研究不同种类和不同浓度的乳酸菌对小麦幼苗生理生化特性的影响,旨在为乳酸菌作为微生物肥料在促进小麦幼苗生长方面提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为‘矮抗58’;供试乳酸菌品种为保存在河南省离子束生物工程重点实验室的3 株乳酸菌,分别为副植物乳杆菌Lactobacillus paraplantarum(QZ227)、植物乳杆菌L.plantarum(N-1)和干酪乳杆菌L.casei(F19-30),均为革兰氏染色阳性、过氧化氢酶阴性的杆状乳酸菌,分别分离自小麦、土壤和裸鲤肠道。

1.2 试验方法

从-80 ℃超低温冰箱中取出供试的3 株乳酸菌,在MRS 固体培养基上划线培养传代2 次,用接种环挑取单菌落转接到液体MRS 培养基中,放入恒温培养箱30 ℃培养24 h,然后按10%的接种量在液体MRS 培养基中30 ℃继续传代培养2 次,备用。

1.2.1 种子预处理和乳酸菌接种

将小麦种子用75%(体积分数)的酒精浸泡10 s,进行表面消毒,然后用无菌水冲洗2 次,以洗去残留酒精。 将活化好的乳酸菌接种在MRS 液体培养基中30 ℃培养24 h,培养好的乳酸菌液体在4 ℃条件下以10 000g离心20 min,以从培养液里分离出乳酸菌沉淀,用无菌水清洗2 次,以除去MRS 培养液残留。将离心好的乳酸菌用无菌水重悬,使乳酸菌浓度为109cfu∕mL、108cfu∕mL、107cfu∕mL 3 个梯度。 将消毒后的小麦种子浸泡在乳酸菌菌悬液中6 h 后播种,菌悬液按菌株不同及菌液浓度不同分为9 组,每组3 个重复,每个重复50 粒小麦种子,以同样条件用无菌水浸泡小麦种子6 h 作为对照,对照为3 个重复,分别对应3 个菌液浓度。 将处理后的小麦种子放置于25 ℃温室中培养15 d,期间按需要浇水。

1.2.2 小麦幼苗指标测定

收苗前测定小麦种子的发芽率,并用SPAD-502Plus 叶绿素测定仪测定小麦幼苗叶片的叶绿素含量。小麦幼苗在温室培养15 d 后测定其叶鲜质量及苗长。

抗氧化酶[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)]活性的测定采用李合生[4]的方法。 可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝G-250 染色法[4]。

1.3 数据分析

采用SPSS 21.0 软件对小麦幼苗生物量和生理生化指标数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 乳酸菌对小麦种子发芽率和幼苗生物量的影响

如表1 所示,当菌液浓度为109cfu∕mL 时,接种不同菌株的小麦种子发芽率均显著高于对照;当菌液浓度为108cfu∕mL 时,接种不同菌株的小麦种子发芽率与对照无显著差异;当菌液浓度为107cfu∕mL时,接种菌株N-1 的小麦种子发芽率最高,比对照提高了9.6%。 相同菌株不同浓度之间比较,除菌株N-1 接种浓度为108cfu∕mL 时小麦种子发芽率显著低于其他接种浓度外,接种其他相同菌株不同浓度小麦种子发芽率均无显著差异。

如表1 所示,与对照相比,接种3 种不同浓度的N-1 菌株可使小麦幼苗叶鲜质量分别增加15.36%、9.98%和14.20%,其中109cfu∕mL 和107cfu∕mL 处理差异显著;而接种其他2 种菌株无显著差异,表明接种菌株N-1 能显著增加小麦幼苗叶鲜质量。 相同菌株不同浓度之间比较,除菌株QZ227 在108cfu∕mL时小麦幼苗叶鲜质量显著降低外,其他菌株处理的小麦幼苗叶鲜质量均无显著差异。

如表1 所示,与对照相比,不同菌株在接种浓度为109cfu∕mL 时均能显著增加小麦幼苗苗长,接种浓度为108cfu∕mL 时菌株N-1 和F19-30 能显著增加苗长,接种浓度为107cfu∕mL 时只有菌株N-1 能显著增加苗长,表明接种不同浓度的菌株N-1 均能显著增加小麦幼苗苗长;相同菌株不同浓度之间比较,小麦幼苗苗长均无显著差异。

表1 乳酸菌对小麦种子发芽率和幼苗生物量的影响Table 1 Effects of lactic acid bacteria on germination rate and seedling biomass of wheat

图1 乳酸菌对小麦幼苗叶绿素SPAD 值的影响Fig.1 Effects of lactic acid bacteria on SPAD value of chlorophyll in wheat seedlings

2.2 乳酸菌对小麦幼苗生理生化指标的影响

2.2.1 乳酸菌对小麦幼苗叶绿素SPAD 值的影响

由图1 可以看出,与对照相比,不同菌株在接种3 种不同浓度时均能显著提高小麦幼苗叶绿素SPAD 值。 菌株N-1、QZ227 和F19-30 浓度为109cfu∕mL 时,叶绿素SPAD 值分别提高7.9%、5.1%、7.8%;浓度为108cfu∕mL时,分别提高7.9%、4.7%、6.4%;浓度为107cfu∕mL时,分别提高5.8%、10.5%、5.3%。 相同菌株不同浓度之间相比较,除菌株F19-30 在浓度为107cfu∕mL 时叶绿素SPAD 值显著降低外,其他菌株处理的小麦幼苗SPAD 值均无显著差异。

2.2.2 乳酸菌对小麦幼苗抗氧化酶活性的影响

2.2.2.1 POD 活性

如图2 所示,与对照相比,不同菌株接种浓度为107cfu∕mL时均能显著提高小麦幼苗的POD 活性,POD 活性分别提高了43.5%、32.0%和42.8%;浓度为108cfu∕mL时其POD 活性无显著差异;浓度为109cfu∕mL 时只有菌株N-1 能显著提高其POD 活性。 相同菌株不同浓度之间比较,菌株F19-30 浓度为107cfu∕mL 时小麦幼苗POD 活性显著高于其他浓度;接种3 种不同浓度的菌株N-1 和QZ227 小麦幼苗POD 活性无显著差异。

2.2.2.2 SOD 活性

如图3 所示,与对照相比,当菌株浓度为109cfu∕mL 时,接种菌株F19-30 的小麦幼苗SOD 活性显著降低,其他菌株无显著差异;接种其他浓度时不同菌株之间SOD 活性均无显著差异。 相同菌株不同浓度之间相比较,小麦幼苗SOD 活性无显著差异。

图2 乳酸菌对小麦幼苗POD 活性的影响Fig.2 Effects of lactic acid bacteria on POD activity of wheat seedlings

图3 乳酸菌对小麦幼苗SOD 活性的影响Fig.3 Effects of lactic acid bacteria on SOD activity of wheat seedlings

2.2.2.3 CAT 活性

由图4 可以看出,菌株N-1 在接种浓度为109cfu∕mL 时小麦幼苗CAT 活性最高且显著高于对照,其他不同菌株相同浓度处理与对照无显著差异。 接种菌株N-1 的小麦幼苗CAT 活性在3 个不同浓度之间差异显著,其中在浓度为109cfu∕mL 时小麦幼苗CAT 活性最高,浓度为107cfu∕mL 时其CAT 活性最低。接种菌株QZ227 和F19-30 不同浓度之间差异不显著。

2.2.3 乳酸菌对小麦幼苗可溶性蛋白含量的影响

由图5 可以看出,与对照相比,接种菌株N-1 在浓度为109cfu∕mL 和108cfu∕mL 时小麦幼苗可溶性蛋白含量均显著增加,且在浓度为109cfu∕mL 时可溶性蛋白含量最高,当接种浓度为107cfu∕mL 时无显著变化;接种菌株QZ227 浓度为109cfu∕mL 时,小麦幼苗可溶性蛋白含量显著增加;接种3 种不同浓度的菌株F19-30 时,小麦幼苗可溶性蛋白含量差异不显著。 相同菌株不同浓度之间比较,小麦幼苗可溶性蛋白含量均无显著差异。

图4 乳酸菌对小麦幼苗CAT 活性的影响Fig.4 Effects of lactic acid bacteria on CAT activity of wheat seedlings

图5 乳酸菌对小麦幼苗可溶性蛋白含量的影响Fig.5 Effects of lactic acid bacteria on soluble protein content of wheat seedlings

3 结论与讨论

本研究发现,与其他乳酸菌菌株相比,植物乳杆菌N-1 能更好地促进小麦幼苗的生长,这与Kang等[5]和Limanska 等[6]研究结果一致。 在小麦幼苗生物量方面,各菌株在接种浓度为109cfu∕mL 时,小麦种子发芽率显著高于对照;且接种菌株N-1 浓度为107cfu∕mL 时发芽率最高,与对照相比提高了9.6%。不同菌株接种浓度为107cfu∕mL 和菌株N-1 接种浓度为109cfu∕mL 时,小麦幼苗叶鲜质量均显著高于对照,且接种菌株N-1 浓度为109cfu∕mL 和107cfu∕mL 时叶鲜质量最高,分别比对照增加了15.36%和14.20%。 与对照相比,接种3 种不同浓度菌株N-1 均显著增加了小麦幼苗苗长,分别增加了7.1%、8.5%和7.4%。 就小麦幼苗生物量而言,接种菌株N-1 对小麦幼苗促进效果最好。

叶绿素是绿色植物进行光合作用的物质基础,是叶片的主要光合色素,叶绿素含量的高低是反应植物叶片光合能力及植株健康状态的主要指标[7]。 SPAD-502Plus 叶绿素测定仪可在田间无损状况下快速测定植物叶片单位面积当前叶绿素的相对含量[8],即SPAD 值。 本研究发现,与对照相比,各菌株接种3种不同浓度菌悬液均能显著提高小麦幼苗叶绿素SPAD 值,表明接种乳酸菌有利于小麦幼苗叶绿素含量的增加。

植物体内具有抗氧化系统,如抗氧化酶可有效清除植物组织中的活性氧,对细胞有保护作用[9]。 超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)是抗氧化酶系统中控制植物体内活性氧积累最主要的酶[9]。 POD 是植物体内酶促防御系统的一种保护酶,能有效催化过氧化氢分解成水,从而有效阻止过氧化氢在植物体内累积,排除其对植物细胞膜结构的潜在伤害[10]。 SOD 是生物体内超氧阴离子自由基的清除剂,能有效防止它们对生物体产生损害,参与植物体对胁迫所做出的各种生理生化反应,是植物体内一种很重要的抗氧化酶类[11]。 CAT 与过氧化氢具有较高的亲和力,主要清除线粒体电子传递、脂肪酸氧化过程中产生的过氧化氢,其含量变化是植物体内过氧化氢变化的标志性反应[10]。 CAT、SOD 和POD 组成植物体内活性氧清除剂系统,有效清除植物体内的自由基和过氧化物[12]。 在小麦幼苗抗氧化酶活性方面,接种各菌株浓度为107cfu∕mL 和接种菌株N-1 浓度为109cfu∕mL 时均能提高小麦幼苗POD 活性,其中接种菌株N-1、QZ227 和F19-30 浓度为107cfu∕mL 时POD 活性分别比对照提高了43.5%、32.0%和42.8%;菌株F19-30 接种浓度为107cfu∕mL 时小麦幼苗的SOD 活性最强,显著高于对照;菌株N-1 在接种浓度为109cfu∕mL 时小麦幼苗CAT 活性最强,显著高于对照。

植物体内的可溶性蛋白大多是参与各种代谢的酶类,约有50%的可溶性蛋白是光合作用的关键酶,其含量是了解植物体内总体代谢水平和光合能力高低的一个重要指标[13]。 从本研究可知,菌株N-1 在接种浓度为109cfu∕mL 时小麦幼苗可溶性蛋白含量最高,且显著高于对照,浓度为107cfu∕mL 时也能显著提高小麦幼苗的可溶性蛋白含量。

综上,与对照相比,接种植物乳杆菌N-1 浓度为109cfu∕mL 时除不能提高小麦幼苗SOD 活性外,对小麦幼苗其他生物量及生理生化指标均有显著的促进作用,表明植物乳杆菌N-1 具有作为微生物肥料的潜能;而接种菌株QZ227 和F19-30 对小麦幼苗生长促进作用较小。 相同菌株不同浓度之间对小麦幼苗生长的促进作用差异不显著,表明乳酸菌浓度可能不是促进小麦幼苗生长的关键因素。 本试验后续将对小麦幼苗后期的长势以及乳酸菌的作用机制进行进一步研究,以期为今后提高大田小麦产量提供试验基础和理论依据。