陈振翔,吴青青,刘 灵*
(1.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室(广西师范大学),广西 桂林 541006;2.广西漓江流域景观资源保育与可持续利用重点实验室学院,广西 桂林 541006;3.广西师范大学生命科学学院,广西 桂林 541006)
大豆(Glycine max L.)是原产于我国的豆科植物,为主要油料作物,是优质植物蛋白质的主要来源[1]。但由于我国在种质资源收集、品种选育、转基因等领域的研究起步较晚,进展缓慢,加之城乡建设占用大量耕地,为了保护环境,实施了退耕还林政策,导致这些年来国内耕地面积呈现减少的趋势,耕地短缺问题愈来愈严重,而国产大豆生产成本高、单价低等因素导致国产大豆竞争力弱于进口大豆,大豆供需矛盾突出,不得不大量进口大豆以满足国内生产、生活的需要。因此,进一步提高大豆产量对于维护国家粮食安全、提升人民生活质量,具有非常重要的意义[2]。
为提高作物产量,过去半个多世纪以来,施用氮、磷等化肥已成为发展中国家提高作物产量的重要手段,但是化肥的过量施用会导致土壤肥力下降,成本提高[3]。丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)能与80%以上的陆生植物形成共生关系,对促进植物养分吸收和生长起积极的作用[4]。在这个菌根共生体系中,AMF 可通过大量的外延菌丝延伸到根部周围的土壤,帮助植物吸收自身难以吸收到的养分和水分,尤其是移动性差的P、Zn、Cu 等容易被土壤固定的养分元素,促进植物生长[5]。
根瘤菌(Rhizobium,Rh)能与豆科植物根系共生形成根瘤进行生物固氮,显著增加植株氮、磷等含量。绝大多数豆科植物都能与AMF 建立起共生体系[6]。所以,AMF 能够与豆科植物形成AMF-豆科植物-Rh 共生体系。潘越等[7]的研究表明,接种AMF 能显著促进双接种Rh 和AMF处理中白三叶的生长结瘤数量和植株生长。
为了更好地利用AMF 和Rh 促进豆科植物生长和提高其磷利用效率,笔者拟探究接种AMF 中的幼套近明球囊霉(Glomus etunicatum)和费氏中华根瘤菌(Sinorhizobium fredii)对大豆磷吸收和植株生长的影响,旨在为化肥减施及大豆增产提供理论依据。
大豆品种为桂春豆108 号,购于广西壮族自治区农业科学院。根瘤菌Rh 为费氏中华根瘤菌,简写为R,GDMCC编号为1.227,购于广东省微生物种质资源库。AMF 菌种幼套近明球囊霉,简写为A,购于中国北京农林科学院,编号为BGC GZ03C。
试验地位于桂林市广西师范大学雁山校区生物园内。样地共设4 个处理:①大豆单作,简写为G;②大豆单作接种AMF 中的幼套近明球囊霉,简写为G+A;③大豆接种Rh 中费氏中华根瘤菌,简写为G+R;④大豆接种AMF 和Rh,简写为G+A+R。
4 个处理的样地随机区组排列,每块小区面积为30 m2(5 m×6 m),各小区间设宽度、深度均为0.5 m 的小沟。每个处理为3 个小区,即每处理重复3 次。
每块地大豆种植6 行,株距为20 cm,行距为30 cm,播种沟深5 cm,每穴放置3 粒种子,待大豆3 叶期进行间苗。
1.3.1 接种费氏中华根瘤菌R。采用拌种法。将LB 液体培养基扩繁后的根瘤菌液离心浓缩,菌体用无菌水重悬(活菌数约12×109cfu/mL),大豆种子用500 mL 重悬菌液加土0.5 kg 拌匀,再将大豆种子与拌匀的带R 菌种的湿土混合搅拌均匀,风干30 min 后用于播种。对照不接种处理大豆相应加入等量的、经灭菌处理过的含R 重悬菌液,其余同法拌种、播种。播种后,以种子为中心,在直径为5 cm 的圆周环形再接种1 次,每穴浇灌10 mL 同等浓度的R 菌悬液,对照加等量无R 菌悬液,然后覆土。
1.3.2 接种幼套近明球囊霉A。大豆幼苗长到3 叶期时,在距大豆种植行7.5 cm 两侧各挖一条接种沟,均匀撒入含A 孢子、沙子和根段的A 扩繁菌剂500 g,与接种沟内表土混匀后再覆盖。对照不接种处理大豆相应加入等量的、经灭菌处理过的混合A 菌剂。
1.3.3 双接种R 和A。双接种时先同法“1.3.1”接种R,再同“1.3.2”法接种A,最后覆土。
基肥施用复合肥(N∶P∶K=17∶17∶17),用量是常规施肥量(6 g/株)的0.5 倍,即大豆施3 g/株上述复合肥。3 叶期开始每周按常规施肥量的2/3 追肥1 次,即施用4 g/株复合肥[8]。5 叶期后每周施肥2 次,7 叶期后隔天施肥水,施肥量不变。使用喷灌水肥一体化浇水、施肥,其他按常规田间管理。
大豆根系采样:每处理的每重复随机选择5 株大豆植株挖出,切勿伤及根部,取含根尖的幼嫩细根装入含FAA 固定液的离心管后,大豆根样染色参照Brundrett 等[9]的热染法,AMF 侵染率的测定按照刘润近[10]的方法。
植株磷含量参照张会民等[11]方法测定。大豆根瘤数采用直接计数法数出来。大豆植株烘干后,用电子天平和直尺分别进行干重的称量和株高的测量。
所有数据通过SPSS 28.0 软件进行单因素显著性检验,用LSD 法进行多重比较分析以及相关性分析。
由表1 可知,与G 处理相比,接种外源A 处理的大豆根系的菌根侵染强度、根系泡囊强度和根系丛枝丰度均显著提高,且三者均呈G<G+R<G+A<G+A+R 的变化趋势,说明接种R 能显著增加外源A 的侵染率(P<0.05);与G 处理相比,3 个接种处理的根瘤干重、根瘤个数均显著增加,但是G+A 和G+R 处理间差异不显著(P>0.05),G+A+R 处理的根瘤干重和数量均最高,且分别与G+A 和G+R 处理间差异显著,说明接种A 也能显著增加外源R的生长发育。可见,接种A 和R 均能彼此促进对方的生长和发育。
表1 不同处理对大豆侵染率和根瘤个数的影响
由表2 可知,与G 处理相比,G+A+R 处理的大豆株高增加,整株干重显著增加,根冠比下降,大豆产量增加。其中G+A+R 处理的大豆株高、整株干重和产量最高,根冠比最低,说明接种A 和R 能促进大豆生物量增加。
表2 不同处理对大豆生长的影响
由表3 可知,大豆整株干重与总磷吸收效率、根瘤个数、根瘤干重呈显著正相关。大豆产量与总磷吸收效率、根瘤个数呈显著正相关,与根瘤干重和根系菌根侵染强度呈极显著正相关。大豆总磷吸收效率与根系菌根侵染强度、根系泡囊强度、根瘤个数显著正相关,与根瘤干重呈极显著正相关。
表3 大豆生长和磷吸收效率及其影响因子的相关分析
该试验中,接种A 能显著促进大豆根系菌根侵染,接种R 能显著促进大豆根瘤的生长,而同时接种A 和R 能相互促进彼此的生长形成良好的共生。杨雅婷[13]的研究发现,接种AMF 和Rh 的三叶草较单接种Rh 的三叶草根系的结瘤量显著增加,较单接种AMF 的三叶草根系菌根侵染率提高1.31%~3.8%,与该试验的研究结果相似。
磷素参与了大豆植株生长发育和多种代谢过程,是植物生长必需营养元素之一[14]。磷吸收效率表示植株对介质中磷的吸收能力。从该试验结果可见,接种A 和R 处理能显著促进大豆磷吸收效率,且双接种A 和R 处理均为最高。可见,双接种R 和A 时,能促进A 的侵染,进一步提高大豆的磷吸收效率。此外,G+A、G+R 和G+A+R 处理相较于G 处理,大豆的株高、干物质积累量和产量均增加,根冠比下降。已有研究表明,AMF 侵染后豆科植物获取锌的能力显著提高[15];接种AMF 和Rh对山黧豆[15]、紫花苜蓿[16]等豆科植物生长的促进作用超过单一接种。该研究中,双接种A 和R 处理的大豆株高、整株干重和产量均为最高,根冠比最低。根冠比的下降表明大豆的地上部分发育比地下部分(根系)更占优势,说明双接种A 和R 对大豆的整株生长均有促进作用,但对大豆地上生长的促进作用更强。
同时接种幼套近明球囊霉和费氏中华根瘤菌能相互促进彼此(根瘤和菌根)的发育,与大豆形成三者共生系统,增强了大豆的磷吸收,促进大豆植株生长,最终促进大豆增产。