王欢1,2, 王敬敬2, 徐松2, 赵维2, 韩一凡2, 王兴彪2, 黄志勇2
1.天津科技大学生物工程学院, 天津 300457;
2.天津市工业生物系统与过程工程重点实验室, 中国科学院天津工业生物技术研究所, 天津 300308
收稿日期:2016-09-05;修回日期:2016-10-28;网络出版日期:2017-12-08
基金项目:国家自然科学基金(31500424);中国科学院科技服务网络计划(STS计划)(KFJ-SW-STS-143-6);宁波大学水产浙江省重中之重一级学科开放基金资助(xkzsc10);天津市留学回国人员科技活动启动项目(2016019)
*通信作者:黄志勇.Tel/Fax:+86-22-84861931; E-mail:huang_zy@tib.cas.cn
摘要: [目的]从环境中筛选高效有机磷降解菌及研究其促生机制。[方法]利用蒙金娜有机磷培养基筛选有机磷降解菌,用生化实验对其促生特性进行研究,且通过盆栽实验筛选对黄瓜苗有促生作用的高效有机磷降解菌。[结果]从草坪根周筛选到35株有机磷降解菌,选择5株代表性菌进行黄瓜盆栽实验。结果表明G3-6有机磷降解能力最强,溶磷圈直径(HD)与菌落直径(CD)比值为3.28,且对黄瓜苗的促生效果优于其他菌株。与CK相比,G3-6可提高黄瓜苗鲜重71.53%、干重69.78%和株高33.55%;与阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1相比,G3-6可提高黄瓜苗鲜重2.52%、干重21.14%和株高8.27%。相关分析结果表明降解有机磷能力在促进植物生长过程中可能发挥着比其他功能更重要的作用。16S rRNA序列分析初步鉴定G3-6为假单胞菌属。[结论]假单胞菌G3-6除具有较强的有机磷降解、分泌IAA和铁载体能力,对黄瓜苗也有较好的促生作用,是1株潜在的具有广阔市场应用价值的高效促生菌。
关键词: 有机磷降解菌 筛选 促生机制 黄瓜
Screening and growth promoting characteristics of efficient organophosphate-degradation bacteria
Huan Wang1,2, Jingjing Wang2, Song Xu2, Wei Zhao2, Yifan Han2, Xingbiao Wang2, Zhiyong Huang2
1.College of Biology Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300457, China;
2.Tianjin Key Laboratory for Industrial Biological Systems and Bioprocessing Engineering, Tianjin Institute of Industrial Biotechnology, Chinese Academy of Sciences, Tianjin 300308, China
Received 05 September 2016; Revised 28 October 2016; Published online 08 December 2017
*Corresponding author: Huang Zhiyong.Tel/Fax:+86-22-84861931; E-mail:huang_zy@tib.cas.cn
Supported by the National Natural Science Foundation of China (31500424), by the Science and Technology Service Network Initiative (KFJ-SW-STS-143-6), by the Open Fund of Zhejiang Provincial Top Key Discipline of Aquaculture in Ningbo University (xkzsc10) and by the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars, Tianjin (2016019)
Abstract: [Objective]Our aim is to screen efficient organophosphate-degradation bacteria from environment and study their growth promoting mechanism.[Methods]We screened organophosphate-degradation bacteria from environment using selective medium, and studied the promoting growth characteristics by biochemical assays, then screened organophosphate-degradation and plant-growth-promoting bacteria by pot experiment.[Results]In total 35 strains of organophosphate-degradation bacteria were isolated from bulk soil of grass by Mengjinna organophosphate-degradation medium. The promoting growth characteristics of these bacteria were checked by biochemical methods. Five representative strains were selected for cucumber seedlings pot experiment. Strain G3-6 had the strongest ability to solubilize organic phosphorus, the ratio of hydrolysis circle diameter (HD) and colony diameter (CD) was 3.28. Strain G3-6 had the highest ability to promote cucumber growth than other strains. Compared with the control, G3-6 increased fresh weight, dry weight and height of cucumber seedlings by 71.53%, 69.78% and 33.55%, respectively. Compared with the positive control Bacillus subtilis F-H-1, G3-6 increased fresh weight, dry weight and height of cucumber seedlings by 2.52%, 21.14% and 8.27%, respectively. The results of correlation analysis showed that the ability of organophosphate-degradation might play a more important role in promoting cucumber growth than other functions. Strain G3-6 was identified as Pseudomonas sp. by 16S rRNA analysis.[Conclusion]Pseudomonas sp. G3-6 has strong ability of depredating organic phosphate, and can strongly promote cucumber growth. This strain would be a potential growth promoting bacterium.
Key words: organophosphate-degradation bacteria screening growth promoting mechanism cucumber
磷元素是植物生长所需的主要营养元素之一,土壤中的磷主要以难溶性磷酸盐形式存在。为了提高农产品的产量,人们长期大量施用磷肥。磷肥在施用后很快就被固定形成无效态磷,变得不可利用,造成了作物的低吸收和磷元素在土壤中的大量积累[1]。提高土壤中磷的利用率一直是农业科技工作者研究的热点课题之一。大量的研究表明,土壤中存在着一些微生物,能够将植物难以吸收利用的磷转化为可吸收利用的状态,这些微生物称为解磷菌。解磷菌分为2种,分别是解无机磷细菌和有机磷降解细菌。解无机磷细菌的主要作用是分解无机磷化物,如磷酸钙、磷灰石等,其作用机理是借助细菌生命活动过程中所产生的酸溶解无机磷;有机磷降解细菌的主要作用是分解有机磷化合物,如核酸、磷脂等,其作用机理主要是借助于细菌生命活动中所产生的酶降解有机磷[2]。
目前国内外对有机磷降解菌的研究已有很多报道,尤其是有机磷降解菌对有机磷化肥和农药降解的报道。自然环境中存在的部分细菌、真菌、放线菌和藻类等对有机磷具有降解作用,研究比较深入的有细菌和真菌。细菌主要包括假单胞菌属、芽孢杆菌属、节细菌属、棒状杆菌属、黄杆菌属、固氮菌属和硫杆菌属等[3];真菌主要有曲霉属、青霉属、木霉属和酵母菌等[4]。从环境中筛选高效有机磷降解菌,研制生产含有解磷功能的微生物肥料对解决植物磷素供应问题是一条很好的途径。近年来,有机磷降解菌的应用也引起人们的关注,在农作物上的应用已有一些报道,但是高效有机磷降解菌在黄瓜上的应用却鲜有报道。
本研究拟通过选择性培养基从环境中筛选有机磷降解菌,利用生化实验对其促生特性进行初步研究,最终通过盆栽实验筛选出对黄瓜苗有促生作用的高效有机磷降解菌。本文将初步研究有机磷降解菌的生态分布及其促进黄瓜生长的机制,最终可为今后开发含有有机磷降解功能的微生物肥料提供充足的菌种准备,促进有机磷降解菌微生物肥料的蓬勃发展。
1 材料和方法 1.1 实验材料 1.1.1 样品来源: 本实验所采用的环境样品分别来自中国科学院天津工业生物技术研究所院内的草坪根系、根周土壤样品、根际土壤样品,以及湖水样品。土壤采样深度为5-10 cm,湖水采样深度为表层0-10 cm。将采集的土壤和湖水样品分别贮存于透明封口袋和封口瓶内并编号,4 ℃冰箱中保存,备用。
1.1.2 培养基: 有机磷液体培养基 (蒙金娜培养基)(g/L)[5]:葡萄糖10.00,(NH4)2SO40.50,MgSO4·7H2O 0.30,NaCl 0.30,KCl 0.30,FeSO4·7H2O 0.03,MnSO4·H2O 0.03,CaCO35.00,蒸馏水1 L,pH 7.0-7.5。将蒙金娜基础培养基融化冷却至50 ℃后,立即加入蛋黄液 (蛋黄液为0.8%无菌生理盐水与鸡蛋黄1:1配制),每100 mL的基础培养基加卵黄稀释液3-4 mL作为有机磷源,混匀后分装于培养皿内凝成平板。
有机磷固体培养基:在有机磷液体培养基的基础上加入琼脂粉18-20 g/L。
King培养基 (g/L)[6]:蛋白胨20.0,甘油15 mL,K2HPO41.5,MgSO4·7H2O 1.5,色氨酸0.1,pH 7.2 (用KOH调pH)。
PDA培养基 (g/L):马铃薯200,葡萄糖20,琼脂20,蒸馏水1 L。配制方法:取马铃薯200 g去皮,切成小块,取适量蒸馏水煮沸0.5 h后取汁,补水定容至1 L,加入葡萄糖和琼脂,115 ℃灭菌20 min。
1.2 有机磷降解菌的筛选与测定 1.2.1 有机磷降解细菌的分离与筛选: 分别称取保存的根周土壤样品、根际土壤样品各1 g、湖水样品1 mL加入到装有9 mL无菌水的试管中,用移液枪吹打混匀,静置5 min左右,用微量移液器按顺序吸取1 mL的悬液到99 mL的有机磷液体培养基中,置于摇床180 r/min、30 ℃培养72 h。再分别吸取1 mL上述摇瓶培养液于盛有9 mL无菌水的试管中,吹打混匀,吸取1 mL菌悬液进行10倍梯度稀释,将浓度为10-3、10-4、10-5、10-6、10-7和10-8的稀释液各吸取0.1 mL分别接到有机磷固体培养基上,用涂布棒涂抹均匀后倒置于30 ℃生化培养箱中培养7 d。挑取平板上透明圈较明显的菌落,在有机磷固体培养基上进行重复划线、分离、纯化。
1.2.2 内生有机磷降解菌的分离与筛选: 将草根系 (分主根和次根) 用自来水冲洗干净,滤纸吸去水分,用75%的酒精浸泡5 min,无菌水冲洗4次,再用6% H2O2浸泡15 min,无菌水冲洗5次,无菌滤纸吸干水分。称取无菌的根1 g,剪碎于无菌研钵中,加入9 mL无菌水研碎。静置15 min后,用无菌移液枪吸取200 μL涂布于有机磷固体培养基平板上,30 ℃培养7 d。取冲洗的无菌水1 mL置入有机磷固体培养基表面,作为对照。挑取平板上透明圈较明显的菌落,在有机磷固体培养基上进行重复划线、分离、纯化。
1.2.3 有机磷降解能力的测定: 将具有稳定有机磷降解的细菌点布于有机磷固体培养基上,并测量其溶磷圈直径 (HD) 和菌落直径 (CD)。有机磷降解菌的溶磷圈直径 (HD) 与菌落直径 (CD) 的比值越大,有机磷降解效果越好。
1.3 有机磷降解菌的促生特性研究 1.3.1 解无机磷能力的测定: 将有机磷降解菌在牛肉膏蛋白胨液体培养基[7]中摇床培养1-2 d后,用移液枪吸取5 μL接种到无机磷固体培养基[7]上,放置于培养箱中30 ℃培养2-3 d,观察菌落是否生长,有无透明圈形成。
1.3.2 固氮能力的检测: 将有机磷降解菌在牛肉膏蛋白胨液体培养基中摇床培养24 h,吸取5 μL菌液点接在阿须贝固氮培养基[7]上,30 ℃静置培养3 d,观察是否有菌落形成。
1.3.3 铁载体的检测: 将有机磷降解菌在牛肉膏蛋白胨液体培养基中摇床培养24 h,吸取5 μL菌液点接在CAS平板[7]上,30 ℃静置培养3 d,观察其菌落在CAS平板上是否产生橙色铁螯合圈。
1.3.4 3-吲哚乙酸的测定: 将有机磷降解菌接种到King培养基中,30 ℃、200 r/min摇床培养24 h。取3 mL菌液12000 r/min离心15 min。取1 mL的上清液加入2 mL的Salkowski’s[7]反应液,混匀,在暗处反应30 min后,在紫外分光光度计上选择波长530 nm测吸光度值。每个样品设置3个重复。
IAA标准曲线制作方法:配置浓度为0、5、10、20、30、40、50、60 mg/L的IAA标准溶液。分别取不同浓度的IAA溶液,加入2 mL的Salkowski’s反应液,混匀,在暗处反应30 min后,在紫外分光光度计上选择波长530 nm测吸光度值。每个样品设置3个重复。
1.3.5 拮抗植物病原菌能力的测定: 将有机磷降解菌在牛肉膏蛋白胨液体培养基中摇床培养24 h后,配制成浓度约为1×108CFU/mL的菌悬液,吸取5 μL菌悬液,分别点接在PDA平板的边缘。在PDA平板中央分别放置直径为5 mm的3种植物病原菌 (立枯丝核菌、尖孢镰刀菌、禾谷镰刀菌) 的菌丝体。30 ℃同步培养3-5 d,观察是否有抑菌圈产生。
1.4 盆栽实验 1.4.1 供试土壤和植株: 供试土壤为天津市东丽区华明镇的耕地土壤,土壤类型为黄壤。土壤性质为:有机质0.41%;全氮655 mg/kg,全磷250 mg/kg,全钾4893 mg/kg;速效氮18.82 mg/kg;速效磷155.11 mg/kg;速效钾124.39 mg/kg;pH 8.14。供试作物为黄瓜 (津优一号),将黄瓜种子浸种发芽,在苗床中育种5 d后,选取大小一致的植株作为实验植株。供试菌株为有机磷降解效果较好且有差异的有机磷降解细菌。阳性对照为枯草芽孢杆菌F-H-1。细菌接种量为1×108CFU/g土壤。
1.4.2 试验方法: 将有机磷降解菌在人工气候培养箱中进行黄瓜盆栽实验,从而筛选出对黄瓜有促生作用的高效有机磷降解菌。首先将300 g供试土壤装入直径为8 cm的花盆中,每个花盆中移栽2株黄瓜苗。将在牛肉膏蛋白胨培养基中培养36 h的细菌进行离心 (5000×g,7 min,10 ℃),用0.9%生理盐水冲洗3次,收集菌体,用无菌蒸馏水稀释到浓度为3×1011CFU/mL的菌悬液。每个花盆中添加100 mL菌悬液,每个处理10个重复。等量蒸馏水处理作为空白对照。将黄瓜放置于人工气候培养箱中进行培养 (28 ℃,9 h光照,17 ℃,15 h无光照,湿度为75%),并进行统一管理 (每48 h浇水30 mL),培养35 d。实验结束后,对黄瓜苗的茎高、根长、茎鲜重、根鲜重、茎干重及根干重进行测量[7]。
利用SPSS17.0软件对有机磷降解的促生特性和促生效果进行相关分析。
1.5 高效解磷促生菌16S rRNA的测定 使用TIANGEN细菌基因组DNA提取试剂盒 (天根生化科技有限公司) 提取高效有机磷降解促生菌的基因组DNA。利用PCR对基因组DNA的16s rRNA基因片段进行扩增。50 μL扩增体系为:25 μL PCR Master-Mix (赛默飞世尔科技公司),2 μL上游引物27F (10 μmol/L),2 μL下游引物1492R (10 μmol/L)[7],2 μL DNA模板,19 μL无菌水。PCR扩增条件为:95 ℃ 3 min;95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 1 min,30个循环;72 ℃ 10 min。PCR产物序列测定委托北京金维智生物技术有限公司完成。基因比对通过美国国家生物技术信息中心NCBI数据库 (http://www.ncbi.nlm.nih.gov) 在线完成。
2 结果和分析 2.1 有机磷降解菌筛选结果 利用有机磷培养基平板划线法,从草坪根周土壤稀释度为1×10-7的3个平板中共筛选153株可产生明显透明圈的有机磷降解菌。经过4次反复划线培养后,获得35株具有稳定有机磷降解能力的菌株 (表 1)。从根际土壤中初筛到大量可在有机磷培养基上生长的菌株,但是这些菌落周围均无透明圈产生。经过4次反复划线培养后,未获得稳定有机磷降解能力的菌株。从根系内部未筛选到具有有机磷降解能力的菌株。从湖水样品中初筛到49株可产生透明圈的有机磷降解菌,经过4次反复划线培养后,获得0株具有稳定有机磷降解能力的菌株。
表 1. 有机磷降解菌筛选结果 Table 1. Screening result of organophosphate-degradation bacteria
Sample sites | First screening | Fourth screening | Introduction |
Bulk soil of grass | 153 | 35 | 153 bacterial strains with the hydrolysis circle |
Rhizosphere soil of grass | 0 | 0 | The bacterial strains grew well, but no bacterial strain with the hydrolysis circle |
Inner of grass root | 0 | 0 | No bacterial strains grew |
Water of the lake | 49 | 0 | 49 bacterial strains with the not obvious hydrolysis circle |
Total | 202 | 35 | 35 bacterial strains with the hydrolysis circle |
表选项
将35株具有稳定有机磷降解能力的菌株进行解磷能力测定。结果如表 2所示,35株有机磷降解菌的溶磷圈直径 (HD) 与菌落直径 (CD) 比值范围在0.10-3.28。HD/CD>3的菌株有4株 (G1-13、G3-6、G2-1和G1-23),占总数的11.42%;3>HD/CD>2的菌株有10株,占总数的28.57%;其中G1-13和G3-6的解磷圈最明显,其HD/CD值为3.28,G2-51的解磷圈最小,其HD/CD值为0.10。
表 2. 35株有机磷降解菌促生特性的初步研究结果 Table 2. The growth-promoting mechanism of 35 strains of organophosphate-degradation bacteria
Strains | organophosphate- degradation (HD/CD) | Inorganic phosphorus- solubilizing capacity/cm | IAA production capacity/(mg/L) | Siderophores production capacity/cm | Nitrogen- fixing capacity | The antagonistic microbe to the fungi | ||
Rhizoctoniasolani | Fusarium oxysporum | Fusarium graminearum | ||||||
G1-13 | 3.28 | - | 9.27 | 0.60 | + | - | - | - |
G3-6 | 3.28 | - | 9.81 | 0.50 | - | - | - | - |
G2-1 | 3.14 | - | 9.54 | 0.60 | - | - | - | - |
G1-23 | 3.13 | - | 4.90 | 0.50 | - | - | - | - |
G1-29 | 2.87 | - | 6.00 | 0.50 | - | - | - | - |
G3-18 | 2.85 | - | 5.45 | 0.60 | - | - | - | - |
G1-4 | 2.85 | - | 5.45 | 0.70 | - | - | - | - |
G2-7 | 2.75 | - | 4.72 | 0.60 | - | - | - | - |
G1-41 | 2.62 | - | 5.22 | 0.60 | - | - | - | - |
G1-35 | 2.50 | - | 5.50 | 0.50 | - | - | - | - |
G3-40 | 2.50 | - | 5.27 | 0.50 | - | - | - | - |
G3-20 | 2.33 | - | 4.86 | 0.70 | - | - | - | - |
G2-2 | 2.25 | - | 5.50 | 0.70 | - | - | - | - |
G2-49 | 2.00 | - | 5.00 | 0.60 | - | - | - | - |
G3-26 | 2.00 | 0.30 | 14.72 | 0.90 | +++ | - | - | - |
G1-8 | 1.70 | 0.70 | 10.77 | 0.60 | ++ | - | - | - |
G3-4 | 1.55 | - | 5.09 | 0.60 | - | - | - | - |
G1-25 | 1.50 | - | 5.13 | 0.70 | - | - | - | - |
G2-26 | 1.50 | - | 5.36 | 0.60 | - | - | - | - |
G1-1 | 1.44 | - | 6.09 | 0.50 | - | - | - | - |
G1-3 | 1.00 | - | 5.63 | 0.50 | + | - | - | - |
G1-34 | 0.55 | - | 5.18 | 0.60 | - | - | - | - |
G2-29 | 0.50 | - | 5.04 | 0.60 | - | - | - | - |
G2-28 | 0.40 | - | 5.00 | 0.70 | ++ | - | - | - |
G1-11 | 0.33 | 0.80 | 4.77 | - | - | - | - | - |
G1-18 | 0.29 | 2.30 | 13.00 | 0.50 | ++ | - | - | - |
G1-30 | 0.28 | - | 4.45 | 0.70 | - | - | - | - |
G1-33 | 0.25 | 0.50 | 15.27 | 0.40 | - | - | - | - |
G1-38 | 0.25 | - | 6.27 | 0.60 | - | - | - | - |
G2-21 | 0.25 | 1.20 | 7.09 | 0.70 | + | - | - | - |
G1-36 | 0.20 | - | 5.22 | - | ++ | - | - | - |
G2-15 | 0.13 | 0.50 | 7.72 | 0.60 | ++ | - | - | - |
G3-39 | 0.12 | - | 9.04 | - | ++ | - | + | - |
G1-52 | 0.11 | 0.20 | 11.77 | 0.70 | +++ | - | - | - |
G2-51 | 0.10 | 1.20 | 7.77 | 0.50 | + | - | - | - |
+++: the activity is strongest; ++: the activity is stronger; +: the activity is weaker; -: no activity. |
表选项
2.2 有机磷降解菌促生特性研究 2.2.1 解无机磷能力的测定: 对35株有机磷降解菌的解无机磷能力在无机磷培养基上进行测定,结果表明9株有机磷降解菌具有分解无机磷的能力 (表 2)。这9个菌株均产生了明显的水解圈,其溶磷圈范围在0.2-2.3 cm,溶磷圈≥2 cm的菌株只有1株,为G1-18;2 cm>溶磷圈≥1 cm的菌株有2株,占总数的22.22%,溶磷圈<1 cm有6株,其中最小的是G1-52,为0.2 cm。
目前报道比较多的解无机磷菌有细菌和真菌,真菌报道的较少,范丙全等[8]在测定溶磷草酸青霉菌溶磷圈时得出培养7 d时的值为5.05 cm。细菌相对较多,林启美等[9]测得假单胞菌属培养7 d时溶磷圈值为0.3-1.0 cm;芽孢杆菌属培养7 d时溶磷圈值范围是0.4-0.5 cm。银婷婷等[7]测得葡糖醋杆菌属培养3 d时溶磷圈直径为2.55 cm。冀玉良等[10]筛选到10株既能溶解无机磷又能溶解有机磷的根瘤菌,有机磷降解效果最好的菌SLCH171,其有机磷降解圈HD/CD值最大 (2.55),且解无机磷圈HD/CD值也最大 (2.35)。而本研究中,也筛选到9株同时具有有机磷降解能力和解无机磷能力的菌种。
2.2.2 固氮能力的检测: 通过阿须贝固氮平板培养,从35株有机磷降解菌中筛选到12株具有固氮能力的有机磷降解菌。这12株菌株均可在阿须贝固氮培养基上生长,其中G3-26和G1-52这2株菌生长最好,菌落较大;G1-8、G1-18、G1-36、G2-15、G2-28和G3-39这6株菌生长良好;G1-3、G1-13、G2-21和G2-51这4株菌生长一般,菌落较小 (表 2)。周德明等[11]筛选到5株兼具有有机磷降解能力和固氮能力的根际菌,因为本实验只是用化学定性法初步确定有机磷降解菌具有固氮能力,需要进一步用化学定量法比较它们的解磷、固氮能力。
2.2.3 铁载体的检测: 将有机磷降解菌在CAS平板上培养3 d后,检测其是否产生铁载体。由表 2可知,35株有机磷降解菌中30株能产生橙色铁螯合圈,晕圈直径范围在0.1-0.9 cm之间。相同条件下,晕圈直径越大的细菌产铁载体能力越高。橙黄色晕圈直径>0.5 cm的有31株,其中,G3-26的橙黄色晕圈直径最大,为0.9 cm;G1-33最小,为0.4 cm;无橙黄色晕圈的菌株有3株,分别为G1-11、G1-36和G3-39。目前对有机磷降解菌产铁载体能力的报道还较少,需要进一步从有机磷降解菌的生存环境和生理功能来探究它们的差异。
2.2.4 3-吲哚乙酸的测定: 使用IAA标准品绘制了标准曲线 (图 1)。标准曲线方程如下:y=0.022x+0.039,x代表IAA浓度数值 (mg/L),y代表OD530。R2=0.994,说明绘制的标准曲线比较准确。
图 1. IAA标准曲线 Figure 1. IAA standard curve. |
图选项 |
对分离获得的35株有机磷降解菌株分泌植物生长激素 (IAA) 特性利用分光光度计进行测定,将测得的OD值代入标准曲线获得产3-吲哚乙酸的量。测定结果表明35株有机磷降解菌均具有分泌IAA的能力,分泌量为4.45-15.27 mg/L (表 2)。分泌IAA能力大于10 mg/L的菌株有5株 (G1-33、G3-6、G1-18、G1-52和G1-8),占总数的14.28%,其中G1-33分泌IAA的能力最强,其分泌IAA的量为15.27 mg/L。G1-30分泌IAA的能力最小,其分泌量为4.45 mg/L。
张英等[12]研究发现从三叶草中筛选7株有机磷降解菌能分泌IAA,分泌量在0.36-20.39 mg/L,菌株ls-5分泌IAA的能力最强 (20.39 mg/L)。本研究所筛选的35株有机磷降解菌均分泌生长激素IAA,分泌量为4.45-15.27 mg/L,最高值略低于张英的测量结果。出现这种现象的原因可能与菌株种类、生理和生态特性及培养条件等因素有关。
2.2.5 拮抗植物病原菌能力的测定: 通过平板对峙实验检测35株有机磷降解菌拮抗病原菌 (立枯丝核菌、尖孢镰刀菌、禾谷镰刀菌) 的能力,结果表明只有G3-39对尖孢镰刀菌有较大的抑菌圈 (图 2)。王义等[13]筛选的菌株PSB26溶解Ca3(PO4)2和卵磷脂的效果最好,同时对包括尖孢镰刀菌在内的6个常见病原菌都有一定的拮抗作用。尖孢镰刀菌是一类既可侵染植物又可在土壤内生存的兼性寄生真菌,是植物枯萎病的主要致病菌。本研究筛选的G3-39对尖孢镰刀菌具有较高的拮抗活性,说明其具有防治枯萎病的潜在应用价值。
图 2. 有机磷降解菌G3-39对尖孢镰刀菌的抑菌圈 Figure 2. Antibacterial circle of G3-39 toFusarium oxysporum. |
图选项 |
2.3 黄瓜盆栽实验 从35株有机磷降解菌中,分别选择有机磷降解能力最强的菌株 (G1-13和G3-6)、解无机磷能力最强的菌株 (G1-18)、产铁载体和固氮能力最强的菌株 (G3-26)、有机磷降解能力和分泌IAA能力都较强的菌株 (G1-8),共5株菌进行黄瓜盆栽实验,以筛选出促生效果最好的有机磷降解菌,并结合其促生活性推测其促进黄瓜生长的机制。
这5株菌均可提高黄瓜苗的茎鲜重,提高范围在23.60%-79.67%。菌株G3-6提高能力最强,可提高黄瓜苗的茎鲜重79.67%。而且5株菌中只有G3-6提高黄瓜苗茎鲜重的能力高于阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1 (75.08%),结果如表 3所示。同时,这5株菌能明显促进黄瓜苗的根系发育,其根鲜重有显著提升,提高范围在10.55%-79.07%。菌株G1-18提高能力最强,可提高黄瓜苗的根鲜重79.07%。这5株菌中有3株 (G1-18、G3-26和G3-6) 提高黄瓜苗根鲜重的能力高于阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1 (29.37%)。对整个植株而言,5株菌均可提高黄瓜苗的鲜重,提高范围在22.61%-71.53%。菌株G3-6提高能力最强,可提高黄瓜苗的鲜重71.53%。这5株菌中只有G3-6提高黄瓜苗鲜重的能力高于阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1 (66.98%)。
表 3. 有机磷降解菌对黄瓜茎鲜重、根鲜重及整个植株鲜重的影响 Table 3. Effects of organophosphate-degradation bacteria on stem fresh weight, root fresh weight and plant fresh weight of cucumbers
Treatment | Stem fresh weight | Root fresh weight | Plant fresh weight | |||
Value/g | Increase rate/% | Value/g | Increase rate/% | Value/g | Increase rate/% | |
CK | 1.70±0.23 | - | 0.14±0.06 | - | 1.84±0.27 | - |
F-H-1 | 2.98±0.26 | 75.08 | 0.19±0.04 | 29.37 | 3.17±0.30 | 66.98 |
G1-8 | 2.31±0.23 | 36.01 | 0.16±0.03 | 10.55 | 2.47±0.24 | 31.50 |
G1-13 | 2.50±0.29 | 47.01 | 0.18±0.17 | 23.57 | 2.68±0.35 | 42.85 |
G1-18 | 2.14±0.89 | 25.74 | 0.26±0.11 | 79.07 | 2.40±0.98 | 31.17 |
G3-6 | 3.06±0.40 | 79.67 | 0.19±0.04 | 33.74 | 3.25±0.43 | 71.53 |
G3-26 | 2.10±0.54 | 23.60 | 0.22±0.07 | 53.11 | 2.32±0.61 | 22..61 |
表选项
分离菌株对黄瓜苗干重有显著影响。5株菌均可提高黄瓜苗的茎干重,提高范围在19.46%-94.18%。菌株G3-6提高能力最强,可提高黄瓜苗的茎干重94.18%。这5株菌中只有G3-6提高黄瓜苗茎干重的能力高于阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1 (60.43%),结果如表 4所示。同时,5株菌均可提高黄瓜苗的根干重,提高范围在20.72%-68.66%。菌株G1-18提高能力最强,可提高黄瓜苗的根干重68.66%。这5株菌提高黄瓜苗根干重的能力均高于阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1 (12.11%)。另外,5株菌均可提高黄瓜苗整个植株的干重,提高范围在26.76%-69.78%。菌株G3-6提高能力最强,可提高黄瓜苗的干重69.78%。这5株菌中只有G3-6提高黄瓜苗干重的能力高于阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1 (43.27%)。
表 4. 有机磷降解菌对黄瓜茎干重、根干重及整个植株干重的影响 Table 4. Effects of organophosphate-degradation bacteria on stem dry weight, root dry weight and plant dry weight of cucumbers
Treatment | Stem dry weight | Root dry weight | Plant dry weight | |||
Value/g | Increase rate/% | Value/g | Increase rate/% | Value/g | Increase rate/% | |
CK | 0.17±0.01 | - | 0.025±0.01 | - | 0.195±0.01 | - |
F-H-1 | 0.27±0.01 | 60.43 | 0.028±0.01 | 12.11 | 0.298±0.02 | 43.27 |
G1-8 | 0.22±0.01 | 30.09 | 0.030±0.01 | 20.72 | 0.250±0.01 | 26.76 |
G1-13 | 0.24±0.02 | 39.71 | 0.031±0.01 | 26.38 | 0.271±0.03 | 34.97 |
G1-18 | 0.20±0.12 | 19.46 | 0.040±0.02 | 68.66 | 0.240±0.15 | 29.05 |
G3-6 | 0.33±0.02 | 94.18 | 0.031±0.01 | 25.48 | 0.361±0.03 | 69.78 |
G3-26 | 0.21±0.07 | 24.86 | 0.035±0.01 | 41.35 | 0.255±0.08 | 28.07 |
表选项
这5株菌对黄瓜苗株高的影响如表 5所示。5株菌中有3株菌可提高黄瓜苗的茎高,提高范围在17.46%-35.46%。菌株G3-6提高能力最强,可提高黄瓜苗的茎高35.46%。这3株菌提高黄瓜苗茎高的能力均高于阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1 (14.99%)。同时,5株菌中有3株菌可提高黄瓜苗的根长,提高范围在14.34%-32.56%。菌株G1-13提高能力最强,可提高黄瓜苗的根长32.56%。但是这3株菌提高黄瓜苗根长的能力均低于阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1 (42.85%)。5株菌中有3株菌可提高黄瓜苗整个植株的株高,提高范围在16.52%-33.55%。菌株G3-6提高能力最强,可提高黄瓜苗的株高33.55%。这3株菌中只有G1-13和G3-6提高黄瓜苗株高的能力高于阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1 (23.38%)。
表 5. 有机磷降解菌对黄瓜茎高、根长及整个植株高的影响 Table 5. Effects of organophosphate-degradation bacteria on stem height, root height and plant height of cucumbers
Treatment | Stem height | Root height | Plant height | |||
Value/cm | Increase rate/% | Value/cm | Increase rate/% | Value/cm | Increase rate/% | |
CK | 12.42±1.79 | - | 5.41±0.61 | - | 17.83±1.92 | - |
F-H-1 | 14.28±4.28 | 14.99 | 7.72±1.22 | 42.85 | 22.00±2.00 | 23.38 |
G1-8 | 14.59±4.59 | 17.46 | 6.18±0.92 | 14.34 | 20.78±0.78 | 16.52 |
G1-13 | 15.48±5.48 | 24.60 | 7.17±1.04 | 32.56 | 22.65±2.65 | 27.00 |
G1-18 | 11.78±2.47 | -5.20 | 5.30±1.00 | -2.04 | 17.08±2.96 | -4.24 |
G3-6 | 16.83±6.83 | 35.46 | 6.98±0.56 | 29.12 | 23.82±3.82 | 33.55 |
G3-26 | 12.02±1.64 | -3.24 | 5.30±1.24 | -1.93 | 17.32±2.19 | -2.84 |
表选项
通过对黄瓜植株的鲜重、干重和株高数据的综合分析发现,G3-6对黄瓜植株的促生作用明显高于其他菌株,与空白对照相比,可提高黄瓜苗鲜重71.53%、干重69.78%和株高33.55%,与阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1相比,可提高黄瓜苗鲜重2.52%、干重21.14%和株高8.27%。G1-18对黄瓜植株的促生作用较差,与空白对照相比,可提高黄瓜苗鲜重31.17%、干重29.05%,株高略低于空白对照4.24%,但是其对根鲜重、根干重促生效果较好,与空白对照相比,可提高黄瓜苗根鲜重79.07%、根干重68.66%,明显高于F-H-1和G3-6,这可能由于G1-18对黄瓜苗根部有较强的促生作用。
2.4 有机磷降解菌促生机制的初步研究 5株有机磷降解的促生特性和促生效果的相关性分析如表 6所示。结果显示,吲哚乙酸 (IAA) 的分泌能力与黄瓜苗相关性最高,相关性r绝对值在0.5-0.9。吲哚乙酸 (IAA) 与黄瓜苗的茎高、根长、株高显著负相关,且相关性均为-0.9以上。吲哚乙酸 (IAA) 与黄瓜苗的茎鲜重、鲜重、茎干重和干重具有负相关性,而与根鲜重和根干重具有正相关性。
表 6. 5株有机磷降解菌的促生特性和促生效果的相关性分析 Table 6. Correlation analysis of growth promoting characteristics and promoting effects of 5 strains organophosphate-degradation bacteria
Treatment | Stem height | Root height | Plant height | Stem fresh weight | Root fresh weight | Plant fresh weight | Stem dry weight | Root dry weight | Plant dry weight | |
OP | Pearson correlation | 0.826 | 0.854 | 0.843 | 0.737 | -0.668 | 0.696 | 0.724 | -0.790 | 0.701 |
Significance (bilateral) | 0.085 | 0.066 | 0.073 | 0.156 | 0.217 | 0.191 | 0.166 | 0.112 | 0.187 | |
N | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | |
IP | Pearson correlation | -0.681 | -0.675 | -0.686 | -0.551 | 0.730 | -0.496 | -0.571 | 0.831 | -0.558 |
Significance (bilateral) | 0.206 | 0.211 | 0.201 | 0.335 | 0.161 | 0.395 | 0.315 | 0.081 | 0.329 | |
N | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | |
IAA | Pearson correlation | -0.906* | -0.946* | -0.927* | -0.734 | 0.686 | -0.695 | -0.612 | 0.707 | -0.522 |
Significance (bilateral) | 0.034 | 0.015 | 0.023 | 0.158 | 0.201 | 0.193 | 0.272 | 0.182 | .0367 | |
N | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | |
SI | Pearson correlation | -0.463 | -0.439 | -0.461 | -0.512 | 0.031 | -0.534 | -0.406 | 0.022 | -0.345 |
Significance (bilateral) | 0.432 | 0.460 | 0.434 | 0.378 | 0.960 | 0.354 | 0.497 | 0.972 | 0.570 | |
N | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | |
OP: organophosphate-degradation capacity; IP: inorganic phosphorus-solubilizing capacity; IAA: IAA production capacity; SI: siderophores production capacity. |
表选项
有机磷降解能力 (OP) 与黄瓜苗的各项指标均具有较高的相关性,相关性r绝对值均在0.6-0.8。有机磷降解能力 (OP) 与黄瓜苗的茎高、根长、株高、茎鲜重、鲜重、茎干重和干重具有正相关性,而与根鲜重和根干重具有负相关性。
解无机磷能力 (IP) 与黄瓜苗的相关性r绝对值在0.4-0.8。解无机磷能力 (IP) 与黄瓜苗的茎高、根长、株高、茎鲜重、鲜重、茎干重和干重具有负相关性,而与根鲜重和根干重具有正相关性。
分泌铁载体的能力 (SI) 与黄瓜苗的相关性最低,相关性r绝对值在0.02-0.50。分泌铁载体的能力 (SI) 与黄瓜苗的茎鲜重和鲜重具有负相关性,而与茎高、根长、株高、根鲜重、茎干重、根干重和干重没有相关性。
2.5 高效促生解磷菌16s rRNA的测定 本研究通过16s rRNA序列分析及NCBI数据库BLAST在线比对 (表 7),有机磷降解菌G3-6与Pseudomonas sp.相似度为100%,G1-13和G1-8与Stenotrophomonas maltophilia相似度为100%,G1-18与Cedecea neteri相似度为99%,G3-26与Pantoea ananatis相似度为99%。
表 7. 有机磷降解菌16s rRNA的测序结果 Table 7. 16S rRNA sequence of organophosphate-degradation bacteria
Strains | Results | Coverage/ % | Similarity/ % |
G1-8 | Stenotrophomonas maltophilia | 100 | 100 |
G1-13 | Stenotrophomonas maltophilia | 100 | 100 |
G1-18 | Cedecea neteri | 100 | 99 |
G3-6 | Pseudomonas sp. | 99 | 100 |
G3-26 | Pantoea ananatis | 99 | 99 |
表选项
3 讨论 有机磷降解菌在环境中广泛存在。目前对于有机磷降解细菌的研究主要集中于土壤,并认为根际土壤中微生物的解磷菌数量高于非根际土壤[14]。植物内生有机磷降解细菌的报道较少,目前可从春兰根内可筛选到内生有机磷降解菌[15]。本研究从草坪根系内部、草坪根际土壤、湖水样品中均未筛选到具有稳定有机磷降解能力的微生物,但是从草坪根周土壤中筛选到大量具有稳定有机磷降解能力的微生物。解磷菌在土壤中的数量及生态分布,受有机磷化肥农药的添加、土壤质地、有机质含量、土壤类型和耕作栽培方式等的影响[1, 9]。目前筛选到的有机磷降解菌有机磷降解能力差异较大,韩玉竹等[16]筛选到有机磷降解菌B3培养3 d后HD/CD最大为16.4;郑世忠等[1-3]筛选到的巨大芽孢杆菌,培养7 d后HD/CD最大为5.66;白文娟等[17]筛选到的有机磷降解细菌培养7 d后溶磷圈HD/CD最大为4.80;而本研究筛选到G1-13和G3-6培养7 d后的解磷圈HD/CD比值为3.28,说明解磷效果处于中等水平。
对于有机磷降解细菌种类的研究,国内外已有很多相关的报道,多为芽孢杆菌和假单胞菌。林启美等[9]对农田 (小麦-玉米)、草坪 (羊茅)、林地 (榆树) 和菜地 (花椰菜等) 根际土壤解磷微生物数量和种群结构研究时,发现有机磷降解细菌主要是芽孢杆菌属,其次是假单胞菌属。本研究筛选的有机磷降解菌有假单胞菌属、嗜麦芽窄食单胞菌属、奈氏西地西菌属和菠萝泛菌属等。
有机磷降解菌具有将土壤中难溶性的磷溶解为植物可吸收利用的有效磷的生物学特性,不仅能提高土壤中有效磷含量,促进植物对磷的吸收利用,而且能通过固氮、分泌IAA、铁载体等促进植物的生长,目前已成为农业生产实践中重点研究方向。王亚艺等[18]在盆栽实验中发现与CK相比,有机磷降解菌y9-4处理的小油菜的产量提高95.3%。胡晓峰等[19]筛选的菌株P1和P3兼具溶解Ca3(PO4)2、磷矿粉、卵磷脂和拮抗土传病原菌的功能,在盆栽试验中与对照比较,促进玉米生长, 株高、叶长、叶宽和干重分别增加5.1%-33.8%和17.7%-37.6%。朱斌等[20]筛选出4株可同时利用Ga3(PO4)2、AlPO4、FePO4和卵磷脂的溶磷菌株 (P1、P17、P35和P21),4株溶磷菌均能显著提高玉米幼苗干物质量 (61.4%-113.0%)、可溶性糖和可溶性蛋白质量分数及根系活力。本研究首次筛选到了能显著促进黄瓜生长的有机磷降解菌。其中筛选到的有机磷降解菌G3-6与空白对照相比,可提高黄瓜苗鲜重71.53%、干重69.78%和株高33.55%,与阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1相比,可提高黄瓜苗鲜重2.52%、干重21.14%和株高8.27%,其促生效果显著优于常用促生菌枯草芽孢杆菌。
有机磷降解菌的促生特性具有多样性。李蓉等[21]筛选的12株有机磷降解菌中有7株具有分泌IAA的功能。徐爱芳等[15]筛选到13株春兰根内生有机磷降解菌,且大部分为芽孢杆菌属,芽孢杆菌属的细菌作为一类重要的植物促生细菌,具有诱导系统抗性、解磷、分泌IAA和分泌铁载体等多种功能,其中内生有机磷降解菌菌株N85归属于伯克氏菌属,它不仅具有较强的有机磷降解能力,而且具有较高的产铁载体能力。本研究筛选到的35株有机磷降解菌中,同时具有解无机磷、固氮、分泌IAA和铁载体能力的菌株有7株;同时具有解无机磷、分泌IAA和铁载体的菌株有1株;同时具有固氮、分泌IAA和铁载体的菌株有3株;同时具有分泌IAA和铁载体的菌株有21株;同时具有固氮和分泌IAA的菌株有2株;同时具有解无机磷和分泌IAA的菌株有1株。有机磷降解菌促生特性多样性,可能使其对植物的促生作用加强。
通过对5株代表性有机磷降解菌促生特性和促生效果的相关性分析,发现有机磷降解能力 (OP) 可明显促生黄瓜生长,而吲哚乙酸 (IAA)、解无机磷能力 (IP)、分泌铁载体的能力 (SI) 均对黄瓜苗的生长有一定的抑制作用。因此我们推测有机磷降解菌可能主要是通过有机磷降解能力 (OP) 促进黄瓜苗生长。有机磷降解能力 (OP) 促进植物生长的研究已有很多报道,其原理是解有机磷菌通过分泌磷酸酶、植酸酶和核酸酶等有机磷降解酶将土壤中难溶性有机磷分解为可溶性的小分子,为植物提供更多的磷源,从而促进植物生长发育[22]。吲哚乙酸 (IAA)、解无机磷的能力 (IP) 和分泌铁载体的能力 (SI) 对植物促生作用的报道也有很多,作用机理也较为明晰[23-24]。但是这些促生特性在土壤这个复杂的生态系统中是否发挥作用会受到很多生物和非生物因素的影响。研究表明吲哚乙酸 (IAA) 对植物的促生作用会受到浓度的影响,IAA浓度过高反而抑制植物生长[23];Asea等[25]发现一些解磷菌只有在介质中有NH4+存在时,才具有溶解无机磷酸盐的能力;胡青平等[26]研究金属离子对有机磷降解菌PSB-2解磷能力的影响中,发现Mg2+、Ca2+、Na+和Mn2+可以促进解磷能力的提高。因此,要深入了解解有机磷菌的促生机制,还有待于进一步的研究。
本研究的结果表明有机磷降解能力在促进植物生长过程中可能发挥着比其他功能更重要的作用,但是有机磷降解菌在田间的大规模应用和工业化生产还鲜有报道。为了实现有机磷降解菌的大规模应用和商业化生产,其在土壤中的定殖能力、生态变化、促生机制和解磷机理等还需进行更深入的研究。
4 结论 本研究通过平板初筛和复筛从草坪根周土壤中筛选到35株有机磷降解菌,其中G1-13和G3-6的HD/CD值最大,为3.28。有机磷降解菌G3-6在盆栽实验中对黄瓜苗有较好的促生效果,与空白对照相比,可提高黄瓜苗鲜重71.53%、干重69.78%和株高33.55%,与阳性对照枯草芽孢杆菌F-H-1相比,可提高黄瓜苗鲜重2.52%、干重21.14%和株高8.27%。G3-6除具有有机磷降解的作用,还有分泌IAA和铁载体的能力,是1株潜在的具有广阔市场应用价值的高效有机磷降解菌。
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