甲基营养型芽孢杆菌对黄瓜穴盘育苗效果的影响

马 飞 王 菁 王君正 胡晓辉*

（1 西北农林科技大学园艺学院，陕西杨凌 712100；2 农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，陕西杨凌 712100；3 陕西省设施农业工程技术研究中心，陕西杨凌 712100）

穴盘育苗是蔬菜生产的重要环节，培育壮苗是保障设施蔬菜高效生产的关键因素之一，基质组分、有机质含量和微生物丰度及含量均可直接影响成苗质量和发育（刘忠华 等，2019；杨凡 等，2020；徐诚 等，2021）。微生物菌剂是基于功能菌株的作用特点而研制的生物制剂，在改善生态环境、促进作物生长、提高农产品产量和品质中具有良好的效果和绿色、安全、无污染的特点（祝虹钰 等，2017；周建，2020）。吕倩等（2014）发现甲基营养型芽孢杆菌具有对环境的多抗逆性、代谢产物的多样性、广谱的抗菌活性及对作物和环境无毒无害等优点。目前国内外关于甲基营养型芽孢杆菌的研究集中于对黄瓜炭疽病、枯萎病和葡萄霜霉病等病害的防治作用及机理等方面（康兴娇 等，2016；魏新燕 等，2018；蒋妮 等，2020）。胡晓辉等（2020）前期研究发现甲基营养型芽孢杆菌在夏季高温期对黄瓜秧苗生长发育具有显著促进作用，但在常温条件下，其对穴盘育苗过程中幼苗发育的作用效果、最佳用量及作用原理尚不明确。

此外，目前关于促生壮苗的研究多集中于外源激素的施用（张娜娜 等，2019）和育苗基质配方的改良（史宏玉 等，2020），而关于微生物菌剂甲基营养型芽孢杆菌适宜用量、效果及促生壮苗调控机制的研究尚缺乏数据。因此，本试验通过在育苗基质中添加不同剂量甲基营养型芽孢杆菌菌剂，研究其对黄瓜穴盘苗形态发育、生物量和与元素积累量的影响，并从植物激素、根系发育和叶绿素含量等途径解析其作用机理，以期确定菌剂最佳施用量和明晰甲基营养型芽孢杆菌促进黄瓜穴盘苗生长的生理机制，从而为培育黄瓜壮苗，提高黄瓜产量、品质及降低生产成本提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试黄瓜品种为博耐526，供试菌剂为VL-10型甲基营养型芽孢杆菌（粉剂，有效活菌数为5 ×10CFU · g，山东蔚蓝生物科技有限公司生产）。育苗基质选用以菇渣和牛粪为主要成分的腐熟农业废弃物，容重0.34 g · cm、pH 值6.73、EC 值1 421 μS · cm、硝态氮含量851 mg · kg、铵态氮含量94 mg · kg、速效磷含量854 mg · kg、速效钾含量3 858 mg · kg、有机质含量46.2%。采用50 孔穴盘育苗。

1.2 试验设计

试验于2020 年6—7 月在陕西杨凌（34°28′N，108°07′E）西北农林科技大学南校区科研温室中进行。试验期间日平均空气温度为18.2～33.6 ℃，日平均相对湿度为51.2%～86.5%（由北京金洋万达科技有限公司生产的WD-PDKI 型温湿度光照记录仪测得）。

按 照0、5、10、15、20、25 kg · m剂量分别向育苗基质中配施甲基营养型芽孢杆菌（记为CK、T、T、T、T、T），共6 个处理，每个穴盘为1 个重复，3 次重复。黄瓜种子经温汤浸种、催芽露白后，分别播于拌有不同菌剂用量的基质内，并置于科研温室内育苗，苗期管理按常规设施穴盘育苗方法进行。播种后40 d（成苗时）取样测定相关指标。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 植株生长指标和叶绿素含量 各处理随机选取15 株幼苗，分别测定株高、茎粗和叶面积。用卷尺测量茎基部至生长点的高度为株高；用游标卡尺测量茎基部直径为茎粗；用游标卡尺分别测量第2 片真叶的叶长和叶宽，计算叶面积（任杰，2013）。

叶面积=叶长 × 叶宽 × 0.743

蒸馏水洗净根系后，用Epson Perfection V700 Photo 根系扫描仪分别分析单株根系总长度、根表面积、根体积、根直径及根尖数；选取幼苗第2 片真叶，采用乙醇丙酮混合浸提法（李合生，2000）测定叶绿素含量。

1.3.2 植株生物量和N、P、K 元素积累量 各处理每个重复随机取样15 株，将植株冲洗干净后，擦干并从根基部分开，分别测定幼苗地上各部和根系鲜质量，并将其于105 ℃烘箱中杀青30 min，于70 ℃烘干至质量恒定后，测定地上部分和根系的干质量，计算壮苗指数和生长函数（值）（任杰，2013）。然后测定植株全N、P、K 元素含量，计算各元素积累量（张佼 等，2019）。

壮苗指数=（茎粗/株高）×全株干质量

值=全株干质量/育苗天数

元素积累量=元素含量×植株干质量

1.3.3 根系激素含量 各处理随机选取15 株成苗根系，用高效液相色谱法（HPLC）（马有宁和陈铭学，2011）测定根系吲哚乙酸（3-Indoleacetic acid，IAA）、茉莉酸（jasmonic acid，JA）和乙烯前体物质氨基环丙烷羧酸（1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC）含量。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2010 软件进行数据整理及图表制作，用SPSS 23.0 软件进行单因素方差分析，Duncan’s 方法进行显著性检验，数据以平均值 ±标准误表示。

2 结果与分析

2.1 不同菌剂用量对黄瓜幼苗形态指标的影响

由表1 可以看出，不同用量甲基营养型芽孢杆菌处理均显著提高了幼苗株高、茎粗和叶面积。与CK 相比，T～T处理的株高提高21.4%～75.0%，且T、T和T处理均显著高于T和T处理；茎粗提高7.0%～18.8%，且T和T处理显著高于T和T处理；叶面积提高24.8%～70.8%，T、T、T和T处理之间无显著差异，但均显著高于T1 处理。表明施用甲基营养型芽孢杆菌菌剂可显著促进黄瓜幼苗茎的生长发育，且作用效果受菌剂用量影响，以T和T处理对黄瓜幼苗株高、茎粗的促进效果最优，且施用菌剂对幼苗叶片发育具有显著促进作用。

表1 不同菌剂用量对黄瓜幼苗株高、茎粗和叶面积的影响

2.2 不同菌剂用量对黄瓜幼苗生物量、壮苗指数和G 值的影响

由表2 可知，与CK 相比，除T处理的全株鲜质量和壮苗指数外，不同菌剂用量处理均显著提高了黄瓜幼苗的鲜质量、干质量、壮苗指数和值，其中T、T、T和T处理的全株鲜、干质量均显著优于CK 和T处理，且4 个处理间无显著差异，全株鲜质量分别比CK 提高82.5%、74.7%、79.1%和85.0%，全株干质量分别提高62.7%、70.6%、58.0%和59.3%；T处理的全株鲜、干质量分别较CK 提高了7.3%和16.0%。T处理的壮苗指数和值显著高于其他处理，分别较CK 提高了24.2%和75.6%；T处理对壮苗指数和值的影响次之，较CK 提高了8.7%和68.3%。表明甲基营养型芽孢杆菌菌剂在促进幼苗形态发育的同时，可显著提高黄瓜幼苗的生物量、壮苗指数和值，对培育壮苗具有明显促进作用。

表2 不同菌剂用量对黄瓜幼苗生物量、壮苗指数和G 值的影响

2.3 不同菌剂用量对黄瓜幼苗叶绿素含量的影响

由表3 可知，幼苗叶片的叶绿素含量随菌剂用量增加呈先降低后升高的变化趋势，T处理的叶绿素a、b 和叶绿素总量显著高于其他处理，分别较CK 提高了22.2%、29.8%和23.9%；T处理次之；而T处理的叶绿素总量与CK 无显著差异；T和T处理的叶绿素含量均较CK 显著降低，但叶绿素a/b 显著升高，且二者之间无显著差异；T、T和T处理的叶绿素a/b 均显著降低。表明甲基营养型芽孢杆菌对幼苗叶片叶绿素含量的影响受剂量效应调控，在低菌剂用量（5～15 kg · m）下可能降低叶绿素含量，而高菌剂用量（20～25 kg · m）可提高叶绿素含量，进而促进幼苗光合作用。

表3 不同菌剂用量对黄瓜幼苗叶绿素含量的影响

2.4 不同菌剂用量对黄瓜幼苗根系生长的影响

由表4 可知，随菌剂用量增加，菌剂处理对幼苗根系发育的促进作用呈增强趋势。T处理的根表面积、根直径和根体积显著高于其他处理，较CK分别增加164.7%、22.9%和201.8%；T处理根长、根尖数最高，但与T处理差异不显著；T处理的根长显著高于T处理，二者根表面积、根体积和根尖数之间均无显著差异，但均显著高于CK，较CK 分别增加106.1%～108.2%、107.2%～131.0%和15.1%～28.6%。表明除T根直径以外，在较高剂量（15～25 kg · m）的菌剂处理下，黄瓜幼苗根长、根表面积、根直径、根体积、根尖数均显著提高，从而保证了根系对水分、养分的吸收，有利于植株的生长发育，从而起到培育壮苗的作用。

表4 不同菌剂用量对黄瓜幼苗根系生长的影响

2.5 不同菌剂用量对黄瓜幼苗根系激素含量的影响

如表5 所示，基质配施甲基营养型芽孢杆菌后，幼苗根系IAA 含量显著增加，JA 含量呈先升后降的变化趋势，ACC 含量均有不同程度的降低。与CK 相比，T～T处理的IAA 含量分别提高了22.7%、13.4%、39.7%、19.1% 和82.0%；T、T和T处理的JA 含量分别提高了7.1%、46.1%和170.4%，而T处理的JA 含量与CK 无显著差异，T处理则显著降低。各处理的ACC 含量分别较CK 降低了6.5%、16.8%、16.6%、7.4%和3.9%，且T、T、T处理显著降低。表明黄瓜幼苗根系不同激素对菌剂用量的响应趋势和程度不同，其中T处理的IAA 最高，T处理的JA 最高，T处理的ACC 最低，T处理次之。表明甲基营养型芽孢杆菌可能通过调控根系激素含量进而起到调控黄瓜根系生长发育的作用。

表5 不同菌剂用量对黄瓜幼苗根系激素含量的影响

2.6 不同菌剂用量对黄瓜幼苗元素积累量的影响

如表6 所示，T、T和T处理的根系N、P、K 元素积累量均显著高于CK，增幅分别为98.4%～112.5%、66.5%～78.2%和61.9%～86.9%，各处理间无显著差异；T处理的根系N 和K 元素积累量分别较CK 提高了59.6%和33.0%；T处理仅显著提高了根系K 元素积累量。T、T、T和T处理均显著提高了地上部和全株N 元素积累量，且以T处理增幅最大，分别为98.1%和94.5%。T、T和T处理显著提高了地上部和全株P 元素含量，较CK 提高了82.5%～95.8%和89.3%～80.4%，各处理之间无显著差异。T～T处理的地上部和全株K 元素积累量均显著高于CK，增幅分别为34.5%～60.0%和38.9%～60.2%，且T处理积累量最高。表明添加甲基营养型芽孢杆菌后，显著提高了植株对N、P、K 元素的吸收和积累。

表6 不同菌剂用量对黄瓜幼苗元素积累量的影响

2.7 黄瓜生长指标与植株元素积累量及根系激素含量间相关性分析

由表7 可知，根系IAA 含量与植株茎粗、根表面积、根直径和根体积呈极显著正相关，与株高、全株生物量和根长呈显著正相关；根系JA 含量与植株形态和根系生长指标间均无显著相关性；根系ACC 含量与植株株高、茎粗、叶面积、全株生物量和壮苗指数间均呈显著负相关，与值呈极显著负相关，与根系生长指标无显著相关性。地上部N、P 和K 元素积累量与株高、茎粗、叶面积、全株生物量、壮苗指数、值、根长、根表面积、根体积和根尖数间均呈极显著正相关。根系N、P 和K 元素积累量与株高、茎粗、叶面积、全株生物量、值、根表面积和根体积呈极显著正相关，与根直径呈显著正相关，而根系N 元素积累量还与壮苗指数和根尖数间呈显著正相关，根系P 元素积累量与根长呈显著正相关，根系K 元素积累量还与壮苗指数和根长间呈显著正相关，根系P 元素积累量与壮苗指数无显著相关性。

表7 黄瓜生长指标和元素积累量及根系激素含量的相关性分析

3 讨论与结论

3.1 讨论

根际有益微生物不仅通过影响根际介质结构与肥力，间接影响作物生产过程，还可通过定殖于作物根系表面或内部，直接影响植物的生长发育过程，实现提质增产的最终目的（Trivedi et al.，2021）。但不同微生物菌剂的功能、作用方式及其最适作用浓度区间存在差异，王君正等（2021）研究发现2.5 × 10CFU · mL甲基营养型芽孢杆菌或植物乳杆菌菌剂灌根处理可通过提高基质酶活性，加速根际速效养分供给，提高根际有效态氮等速效养分含量，加速植株对元素的吸收、转运、同化和积累，提高养分利用率，进而提高黄瓜产量和品质；Kuramae 等（2020）研究表明在高粱盆栽中接种IAC/BECa135 和152 菌株，增加了植物养分吸收和生长素信号传导能力，进而增加了高粱的根和茎生物量；土壤中添加枯草芽孢杆菌可增加根际微生物数量，促进甜瓜株高、茎粗、叶面积增加，进而达到增产效果（黄亚丽 等，2020）；利用从黄瓜健康根系土壤中分离菌株研发的微生物菌剂处理黄瓜植株后，其株高、茎粗和叶绿素含量等指标均较对照显著提高（吕鹏超 等，2020）。壮苗指数和值是黄瓜穴盘育苗的关键指标，本试验中，与CK 相比，T～T处理显著提高了黄瓜幼苗的壮苗指数和值，增幅为3.2%～24.2%和56.1%～75.6%；促进作用优于低菌剂用量（T），且最大值均出现在T处理，表明施用甲基营养型芽孢杆菌可显著促进黄瓜幼苗形态发育、加速成苗并提高幼苗质量，在生产中具有良好的应用前景，其作用效果受剂量效应调控。

微生物菌剂可通过改善根系构型，促进植物对于水分和养分的吸收（陈伟立 等，2016），也可通过固氮、溶磷、解钾等途径来提高土壤矿质元素的可利用性，进而实现对植物的促生效果（Babalola，2010；吕雅悠 等，2016）。Krishnamoorthy 等（2018）发现多种甲基营养型芽孢杆菌对花生根系的生长均有不同程度的促进作用，ZJM-P5 型芽孢杆菌与磷肥互作显著提升了红小豆幼苗的主根长、根表面积和根体积，并且显著提高了幼苗P 元素含量（杨倩等，2020）。根施巨大芽孢杆菌、多粘性芽孢杆菌及枯草芽孢杆菌均能显著增加黄瓜植株生物量（季倩茹 等，2020）。本试验结果与上述研究一致，施用甲基营养型芽孢杆菌可以通过改善黄瓜幼苗的根系构型，促进根长、根表面积、根直径、根体积和根尖数增加，且除T处理外，菌剂处理均显著促进了植株N、P、K 元素积累量和黄瓜幼苗生物量的增加，由相关性分析可知菌剂一方面通过改善根系构型，另一方面通过促进元素的吸收与积累，进而促进幼苗对矿质元素的同化利用，促进植株的生长与生物量积累。

根系形态变化根本上是植物基因型、外界环境和内源激素代谢共同作用的结果（单立山 等，2017）。王亚楠等（2020）和付严松等（2020）研究表明微生物菌株可分泌植物生长调节物质或通过分泌多种信号物质以促进植株自身分泌生长激素来促其生长发育；Rijavec 和Lapanje（2016）研究证实PGPR 还能产生植物激素、挥发性化合物等物质促进植物生长，产生的挥发性化合物促进根毛发育并提高根际中磷酸盐的利用率；Magidin 等（2003）证实了IAA 能够促进植物细胞分裂、根的生长以及根表面积增加；刘莉（2018）研究表明JA 负调控拟南芥、向日葵主根的生长；ACC 的产生诱导了乙烯的产生，从而抑制了根系的生长，并且JA和ACC 都可以调节IAA 在植物体内的积累与分布。研究发现甲基芽孢杆菌具有合成植物生长素的能力，并且ACC 可以被含ACC 脱氧酶的PGPR分解，从而减少乙烯含量，促进根的伸长（Glick et al.，1998；Mikrobiologiia et al.，2017）。本试 验结果表明，施用菌剂后各处理均显著增加了黄瓜幼苗根系IAA 含量；JA 含量表现为除T和T处理外均显著增加，且T处理显著降低，这可能是过高的IAA 水平抑制了JA 的合成；另外与根系形态指标的变化趋势一致，IAA 和JA 含量的最大值分别出现在T和T处理中，而各处理的ACC 含量与CK 处理相比均有降低趋势，这说明菌剂分泌或影响有关ACC 合成的相关物质，根际添加甲基营养型芽孢杆菌可通过改变根系内源激素水平调控根系生长发育。王归鹏等（2021）研究表明微生物菌剂能提高叶绿素含量，促进光合效率进而促进植株物质积累。本试验中，不同处理的有效活菌浓度对植株元素吸收的作用效果不同，在低菌剂用量下对植株元素吸收的作用效果低于高菌剂处理，因此，T～T处理的黄瓜幼苗叶绿素含量表现为先降低再升高的变化趋势，低菌剂处理的地上部分的光合参数弱于高菌剂处理，但具体机制有待进一步研究。上述结果表明甲基营养型芽孢杆菌一方面通过促进根系内源激素分泌，进而促进根系生长发育，增加水分及养分吸收与元素积累量；另一方面，通过增加叶绿素含量提高植物光合作用，促进光合产物及生物量积累，最终实现形态指标、壮苗指数和值协同提高，达到促生壮苗作用。

3.2 结论

①育苗基质中添加适量的甲基营养型芽孢杆菌（5 × 10CFU · g），在黄瓜穴盘育苗过程具有显著的促生壮苗功能。

② 施用适量菌剂后，可显著提高黄瓜幼苗根系内源IAA、JA 和叶片叶绿素含量，促进根系的生长，提高幼苗整株生物量及N、P、K 元素积累量，进而达到促进幼苗生长发育，培育壮苗的目的。

③综合不同菌剂用量的作用效果和生产成本，在黄瓜穴盘育苗生产实践过程中，推荐向基质内按15 kg · m用量添加甲基营养型芽孢杆菌菌剂。