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毛竹(Phyllostachys edulis (Carrière) J. Houz.)隶属禾本科刚竹属单轴散生竹,在竹类植物中具有用途最广泛、经营周期较短且经济效益较高的特点,已成为我国南方农林产业结构调整、林业增效、林农增收的主要经济林种[1]。我国现有毛竹林面积380多万公顷,占全国竹林面积的70%,占全世界毛竹面积的80%[1-2]。自毛竹枯梢病在浙江黄岩首次发现后,相继在南方各省份爆发成灾,造成严重经济损失,极大程度地制约了我国毛竹资源培育和竹产业的发展。该病害病原菌为竹喙球菌(Ceratosphaeria phyllostachydis),主要危害当年生新竹,造成枯株状态,已被列为国家森林植物检疫对象[3-5]。磷是植物生长过程中仅次于氮的第二大限制营养元素,约占植物干质量的0.2%[6],在生态系统能量代谢、核酸和蛋白质合成以及激酶调控等方面发挥着不可替代的作用[7]。由于土壤中仅有约0.1%的磷能直接被植物吸收利用,其余主要以难溶性磷酸盐存在[8]。因此,人们通过施用大量磷肥来满足植物对于磷素的需求,然而磷肥中的磷酸根离子极易与土壤中游离的Ca2+、Fe3+和Al3+等离子发生鳌合作用形成难溶性磷酸盐,导致施用磷肥中仅有5%~25%可被植物吸收利用,大量残余部分造成土壤磷素富集和土壤肥力丧失[9],引发了一系列的环境问题。这些亟待解决的问题使得提高毛竹抗病能力和竹林土壤磷素有效性成为一种迫切需要。
植物体内分布着丰富的有益内生细菌,它们不但可以通过分泌IAA、利用解磷和固氮等功能直接促进植物生长,还可通过分泌抗生素、水解酶等物质来帮助寄主植物提高抗病性,改善植物健康[10]。研究表明,多数内生细菌不仅存在于植物体内,也常存活于植物根际土壤环境中[11-12]。由于从土壤中筛选出的促生细菌在应用中发现,其在定殖过程中易受土著微生物的干扰导致定殖成功率不高、应用效果较实验结果欠佳[13]。因此,利用内生细菌进行植物病害防治和促生方面的应用已成为近年来的研究热点。然而目前关于毛竹内生细菌的相关研究仍较少,且对毛竹内生细菌抗病促生方面的研究也尚未见报道。故本试验对毛竹根系内生细菌进行分离,以竹喙球菌(C. phyllostachydis)作为指示菌进行拮抗菌株筛选,测定优良内生拮抗细菌的解磷能力和IAA等指标并进行种类鉴定。通过温室盆栽接种试验检验其对毛竹实生苗的促生长作用,以期为增强毛竹抗枯梢病能力,改善毛竹林地土壤养分情况,提高竹林生产力提供一条有效的生物途径,也为制备保护竹林健康及提高竹林生产力相关微生物菌剂提供优良的菌株资源。
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细菌分离数量结果显示,毛竹根系存在丰富的细菌资源,3个采样点共分离纯化得到118株细菌,各采样点均分离到约40株内生细菌(表1)。
采样地
Sampling site经度
Longitude维度
LatitudepH 海拔
Elevation/m内生细菌数量
Quantity of endophytic bacterial大港林场
Dagang Forest Farm114°56′31″ E 28°37′17″ N 5.16±0.09 a 381.0 43 官山林场
Guanshan Forest Farm114°34′47″ E 28°33′35″ N 4.37±0.07 b 548.0 37 大井林场
Dajing Forest Farm114°8′19″ E 26°34′8″ N 4.39±0.06 b 1 105.0 38 总计 Total — — — — 118 注:不同字母表示3个采样点间差异显著(P<0.05)。下同。
Note: Different letters indicated the significant differences among the three sampling sites at the level of P<0.05. The same is below.Table 1. The quantity of bacteria from Ph. edulis roots
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通过平板对峙试验,从毛竹根系中分离纯化的118株细菌中,对竹喙球菌有拮抗作用的菌株有16株,其中菌株PN1和PN6对病原菌竹喙球菌有较强抑菌活性(图1)。平板抑菌带宽度分别可达2.81 cm和2.13 cm(表2)。菌株PN1和PN6发酵液对竹喙球菌也具有较好的抑菌活性,抑菌效果分别可达58.82%和49.28%(表2)。
菌株
Strain发酵液的抑菌活性
Antibacterial activity of fermentation broth平板抑菌带宽度
Inhibition
zone diameter/cm菌落直径
Colony diameter/cm抑菌率
Inhibitory rate/%PN1 4.33±0.11 a 58.82 2.81 PN6 4.97±0.11 a 49.28 2.13 CK 9.8±0.06 b — — Table 2. The antagonistic function of antagonistic bacteria PN1 and PN6 to pathogenic fungi
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由图2可知,菌株PN1和PN6的菌液OD600值在0~30 h增长较快,菌株PN1在接种后约36 h内达到最大值2.30,而菌株PN6在接种42 h后达最大值2.18。之后2株细菌的OD600值的变化差异不明显,标志菌株生长进入稳定期(图2)。血球计数板计数结果显示,培养液中菌株PN1和PN6的菌体密度在培养36 h和42 h后分别增加了约125倍和116倍,且菌株PN1的生长能力高于菌株PN6。
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菌株PN1和PN6在NBRIP固体培养基均有解磷圈,具有较好的解磷能力(图3)。将菌株PN1和PN6分别接种于NBRIP-BPB液体培养基中振荡培养3 d和6 d后,测定菌株PN1和PN6对磷酸三钙的溶解能力。结果显示,这2株细菌在第3 d和6 d均具有较强的解磷能力,菌株PN1解磷量分别为179 mg·L−1和236.33 mg·L−1,菌株PN6解磷量分别为203.67 mg·L−1和278.21 mg·L−1(图4)。
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采用Salkowski比色法对菌株PN1和PN6定量测定,结果显示菌株PN1和PN6有着较好的分泌IAA能力,其IAA分泌量分别为15.17 mg·L−1和12.36 mg·L−1(图5)。
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菌株PN1和PN6在NA培养基上培养48 h后,菌落均呈圆形,颜色呈淡乳白色,不透明(图6)。显微观察结果显示,2株细菌均为杆菌;生理生化特征分析显示,2株细菌均属于好氧性革兰氏阴性杆菌(表3)。
测定指标 Measurement index PN1 PN6 3%KOH溶解性实验3% KOH solubility test − + 接触酶实验 Contact enzyme test + + 氧化酶 Oxidase + − 明胶水解 Gelatin hydrolysis − + 淀粉水解实验 Starch hydrolysis test − + 柠檬酸盐利用实验 Citrate utilization test + + 吲哚试验 Indole test + − 甲基红试验 Methyl red test − + 硝酸盐还原实验 Nitrate reduction test − + 丙二酸盐利用实验 malonate utilization test + + 伏普实验 Voltam test − − 革兰氏染色 Gram’s dye G− G− 需氧性实验 Aerobic experiment 需氧
Aerobic需氧
Aerobic菌体形态 Bacterial morphology 杆状
Rhabditiform杆状
rhabditiform备注:“−”表示反应阴性;“+”表示反应阳性
Note: "-" indicates negative reaction; "+" indicates positive reaction.Table 3. Biochemical and physiological characteristics of strains PN1 and PN6
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将分离纯化的PN1和PN6于Biolog鉴定板30℃恒温培养18~24 h后,置Biolog自动微生物鉴定仪上读数到相似值(SIM)均大于0.5,符合鉴定系统的要求。菌株PN1和PN6分别鉴定为Burkholderia lata和Enterobacter ludwigii。
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菌株PN1和PN6的16S rDNA基因序列已提交至GenBank中(登录号为MF285775和MG452788)。由图7的系统进化树可知,菌株PN1与Burkholderia lata聚类同一个分支,相似度达98%,菌株PN6与Enterobacter ludwigii聚类同一个分支,相似度达100%,说明具有较接近的亲缘关系,参照菌落形态特征和生理生化等指标,菌株PN1鉴定为B. lata,PN6鉴定为E. ludwigii。
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施用菌剂180 d后菌株PN1和PN6均能促进毛竹实生苗的生长(图8)。施菌处理后毛竹的苗高和地径均显著高于对照,菌株PN1和PN6处理的地径增长率分别为39.51%和42.59%,苗高增长率分别为54.42%和62.51%(表4)。
处理Treatment 地径Ground diameter/cm 增长率Growth rate/% 苗高Seeding height/cm 增长率 Growth rate/% PN1 2.26±0.04 a 39.51 35.13±0.74 a 54.42 PN6 2.31±0.07 a 42.59 36.97±0.83 a 62.51 CK 1.62±0.2 b - 22.75±0.64 b - Table 4. The effect of adding strains PN1 and PN6 on the growth of Ph. edulis seedling (180 d)