水稻青立病对植株与土壤重金属含量及细菌多样性的影响

周宁宁, 张荣萍, 马 鹏, 阿什日轨, 冯婷煜, 周 林, 张坷塬, 廖雪环, 阿尔力色

（西南科技大学 生命科学与工程学院，四川 绵阳 621010）

水稻青立病又名旱青立病，是水稻由于受到环境的胁迫，生长和发育不协调，出现颖花退化、穗轴部分或全部脱落、内外颖张开、扭曲、弯嘴、空壳、穗部畸形直立等现象［1-3］。穗期发病导致灌浆不良，严重影响水稻产量［4-5］。谢彦等［6］研究认为，砷等重金属在稻穗上的富集导致水稻中毒，可能是青立病发生的原因之一。美国科学家曾在棉田土上种植水稻，发生了大面积水稻穗部畸形病，原因是稻田在淹水条件下，棉田中砷被还原活化进入水稻植株引发水稻青立病［7］。四川稻区是我国杂交稻主要栽植区之一［8］，2023 年四川省绵阳市发现水稻青立病并严重影响当地水稻产量。因此，对该地区水稻青立病发病与未发病的水稻植株及其田块土壤的重金属、微生物进行分析，探明水稻青立病土壤与植株重金属含量及细菌多样性的影响，进而为厘清该地区水稻青立病发生原因并有效应对水稻青立病提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2022年在四川省绵阳市江油市龙凤镇中坪村硕丰水稻种植专业合作社（31° 64′N，104° 74′E）进行，试验地面积500 m2。当地水稻生长季的气温和降水数据采集自试验场地附近的气象站，详见图1。试验田土壤为潮土，土壤中有机质含量为2.51%，全氮含量1.87 g/kg，有效磷含量为26.98 mg/kg，有效钾含量为58.16 mg/kg，pH 6.69。

图1 试验区2022年水稻生长季的气温和降水量

1.2 试验材料

以Y 两优1号为试验材料，种子由四川省农业科学院提供，审定编号为国审稻2013008，在长江上游作一季中稻种植。

1.3 试验方法

水稻种植采用湿润直播方式，人工精量穴直播，播种量为23.5 kg/hm2，播种规格为36 cm×18 cm，每穴3～4 粒，3～4 叶期匀苗，每穴1株。水稻齐穗期，采用对角线法取未发病田块和发病田块中0～20 cm 土层土样，各取样3个点，每个点取土壤约600 g，土样混匀后，去除动植物残体等，装袋放置于干燥通风处，自然阴干，阴干后将土壤粉碎过筛，测定其重金属成分和含量以及微生物成分。土壤细菌结构测定，参照参考文献［9］的细菌微生物测定方法。水稻齐穗后，取未发病和发病植株各9 株，设3 次重复，分别测定单株重、重金属成分及含量。

1.4 数据统计与分析

辛普森多样性（Shannon）和香农多样性（Simpson）指数用于衡量物种多样性，受样品群落中物种丰度和物种均匀度的影响。Shannon 指数和Simpson 指数值越大，说明样品的物种多样性越高。根据参考文献［10］中的方法进行相关指数测算。使用Excel 2010对试验数据整理和计算，SPSS7.0 进行方差分析，Origin 2021作图。

2 结果与分析

2.1 水稻青立病对水稻干物质积累的影响

由表1可知，齐穗期水稻青立病发病株的穗干物质重比未发病穗显著减少68.10%，发病株的茎叶干物质重比未发病株显著增加8.00%。说明青立病严重影响水稻穗部干物质积累。

表1 齐穗期青立病发病与未发病水稻的单株干物质重g

2.2 水稻青立病对水稻植株及土壤重金属的影响

由图2可知，未发病田块与发病田块土层重金属含量基本上无显著差异。而发病植株与正常植株的多种重金属含量差异显著（表2），与未发病植株穗相比，发病植株穗的铬含量增加158.80%，锌含量增加111.70%，砷含量增加2 000.00%，镉含量增加94.44%；与未发病植株的地上部相比，发病植株地上部的铬含量增加52.39%，锌含量增加22.28%，镉含量增加11.54%。说明青立病的发生可能与穗部砷、铬和锌含量高相关。

表2 水稻青立病发病与未发病植株的重金属含量mg/kg

图2 水稻青立病发病与未发病田块的土壤重金属含量

2.3 水稻青立病对土壤细菌多样性的影响

由图3可知，试验中未发病和发病田块土壤覆盖率均为99%，说明测序结果代表了样本中微生物的真实情况。对于土壤细菌，无论是否发病，其微生物多样性水平未见明显变化（图3），表明土壤中细菌多样性对水稻青立病发生的影响较小。

图3 水稻青立病发病与未发病田块的土壤细菌多样性指数

2.4 水稻青立病对土壤细菌门相对丰度的影响

由图4可知，未发病和发病田块土壤主要的细菌类群为变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloro⁃flexi）、粘球菌门（Myxococcota）、脱磺杆菌门（Desulfobacterota）、拟杆菌门（Bacte⁃roidota）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）、放线菌门（Actinobacteriota）、硝化螺旋菌门（Nitrospirota）等，10 类菌门占总丰度的95.51%～95.60%。其中优势细菌门（相对丰度>5%）为变形菌门（23.77%～25.04%）、酸杆菌门（20.39%～21.15%）、绿弯菌门（11.88%～14.63%）、粘球菌门（9.49%～10.44%）、脱磺杆菌门（5.67%～5.83%）、拟杆菌门（5.39%～5.48%）。

图4 水稻青立病发病与未发病田块的土壤细菌门相对丰度

与未发病田块土壤相比，发病田块土壤的绿弯菌门增加23.09%，放线菌门增加29.75%，硝化螺旋菌门增加17.84%，变形菌门减少5.08%，粘球菌门减少9.12%，芽单胞菌门减少15.89%，其他菌门差异不显著。说明青立病发生会影响土壤中某些菌群的组成比例。

2.5 水稻青立病对土壤细菌属相对丰度的影响

由图5可知，未发病和发病田块土壤主要的细菌包括厌氧粘杆菌属（Anaeromyxo⁃bacter）、厌氧绳菌属（Anaerolinea）、赭黄嗜盐囊菌属（Haliangium）、索利杆菌念珠菌属（CandidatusSolibacter）共4 个属。占总丰度的11.56%～12.36%。与未发病田块土壤相比，发病田块土壤的厌氧绳菌属增加17.91%，索利杆菌念珠菌属增加13.18%，赭黄嗜盐囊菌属减少5.11%，厌氧粘杆菌属差异不显著。说明青立病发生对土壤细菌的主要菌属组成无显著影响，但青立病发生会影响土壤中某些菌群的组成比例。

图5 水稻青立病发病与未发病田块的土壤细菌属相对丰度

3 结论与讨论

通过比较未发病与发病田块的水稻植株重金属成分、土壤重金属成分及微生物组成结构发现，与未发病植株穗相比，发病植株穗部铬增加158.80%，锌增加111.70%，砷增加2 000.00%，镉增加94.44%；未发病田块与发病田块的土壤细菌优势菌门组成无显著差异，但与未发病田块土壤相比，发病田块土壤中绿弯菌门（Chloroflexi）、放线菌门（Acti⁃nobacteriota）、硝化螺旋菌门（Nitrospiro⁃tae）的相对丰度分别增加23.09%、29.75%、17.84%，变形菌门、粘球菌门、芽单胞菌门的相对丰度分别减少5.08%、9.12%、15.89%，其他菌门的相对丰度差异不显著。绿弯菌门能参与碳循环增加土壤的有机质含量，放线菌门可促使土壤中的动植物遗骸腐烂，从而提高土壤肥力［11］。硝化螺旋菌门主要作用是将亚硝酸盐转变成硝酸盐，而硝酸盐是土壤中作物易吸收的氮源形式。因此，土壤中硝化螺旋菌门相对丰度的增加可间接增加土壤氮肥力［12］，推测这可能是发病土壤微生物相对丰度升高的原因［13］。

试验结果表明，水稻青立病发病与水稻植株穗部重金属砷、镉和铜的含量偏高具有一定关系，与前人对美国阿肯色州［14-15］和中国江汉平原、华北平原［3，16-18］水稻青立病发病原因研究的结果一致，即穗部砷等重金属含量较高是导致水稻青立病发生的主要因素。原因是砷酸盐转运和吸收是通过植物磷酸盐转运体系进行的［19-20］，当水稻植株的砷含量达到一定浓度时会产生砷毒害作用，影响水稻生长发育。另有研究表明，土壤温度可能直接影响到有害物质在土壤中的扩散和运输，促进根系吸收［21-22］，试验区域2021 年8 月8—27 日的日均温度为24.2 ℃，而2022年同期的日均温度为28.0 ℃，水稻分蘖期到孕穗期的高温可能是水稻青立病发病的重要条件。