Ecotoxicol. Environ. Saf.丨 磷酸盐溶解细菌和硅协同增加小麦植物对可溶性或不溶性P源施肥的磷(P)吸收

论文内容

研究背景：

磷是所有植物和动物生命中最重要的营养物质之一。尽管大多数农业土壤含有大量的无机和有机磷，但这些磷是不流动的，大部分植物无法获得。由于P与某些金属的高反应性，如钙(Ca)、铁(Fe)和铝(Al)，以及金属络合物的形成，导致土壤中75%至90%的P的沉淀或吸附，只有极低浓度的P对植物有效(总P的0.1%)，许多农业土壤确实是缺磷的。在土壤中，需要定期使用大量的化学磷肥。然而，肥料中大量的磷可通过与钙反应立即转化为不溶性磷酸盐2+ 离子和形成矿物质，如磷酸二钙脱水(CaHPO4)。此外，过度使用或长期持续使用包括化学磷肥在内的化肥会造成环境污染，降低土壤质量(对土壤结构、微生物区系组成等性质产生有害影响)。化学磷肥的日益昂贵的成本，已经成为寻找天然磷矿(RP)等替代来源的主要动力。遗憾的是，在pH值为> 5.5-6.0的土壤中，RP并不容易用于植物，这导致农民在农田中不使用这种肥料(RP)。众所周知，使用包括溶磷菌(PSB)在内的微生物菌剂可以提高施用化学磷肥的利用效率(即增加RP的增溶作用)，从而提高植物对磷的吸收。

使用硅(Si)肥料也被认为是一种生态兼容和环境友好的技术，可以刺激植物生长，缓解各种环境胁迫，包括植物的磷缺乏胁迫。在之前的研究中，已经报道了硅在低磷条件下改善植物生长的有益作用。该元素通过多种机制对缺磷植物产生有益作用，如:(i)提高养分利用效率和改变C:N:P化学计量学;(ii)增加有机酸的根系分泌，调动根际磷水平，并上调磷缺乏植物根系中磷转运体的水平;(iii)提高土壤pH值;(iv)这两种元素的竞争吸附作用和交换。最近，Neu et al.(2017)和Kostic et al.(2017)表明，在缺磷胁迫下，Si可以显著增加小麦植株对磷的吸收。

尽管Si在地壳中含量丰富(作为第二丰富的元素)，但它的大多数形式并没有被植物吸收(Epstein, 1999)。因此，将这种元素作为肥料(植物有效形态)添加到农业土壤中，对于促进植物生长和提高植物对环境胁迫的抗性是必要的。

研究内容：

材料与方法：

1、PSB菌株及其接种菌的制备

本研究以单纯芽孢杆菌UT1和假单胞菌FA1作为PSB。这些菌株由伊朗德黑兰大学土壤生物和生物技术系提供。该菌从小麦根际分离得到。为了制备细菌接种，菌株在营养琼脂(NA)培养基上重新培养(Difco™营养琼脂的组成:牛肉提取物，1 g L−1;酵母提取物2 g L−1;蛋白胨，5 g L−1;氯化钠，5 g L−1，琼脂，15 g L−1;蒸馏水1升;pH值7.2)。100 mL- erlenmeyer烧瓶，内含20 mL无菌营养液(NB)培养基(牛肉提取物，1 g L−1;酵母提取物2 g L−1;蛋白胨，5 g L−1;氯化钠，5 g L−1;蒸馏水1升;pH, 7.2)接种菌株。在转速为120 rpm的摇床上，在28±2℃条件下培养48小时，直到达到5 × 10对数相(浑浊)8 细胞mL−1。在NB培养基中生长后，离心(5000g, 10 min)获得细菌细胞，用1 ×，pH 7.4的磷酸盐缓冲液洗涤2次，悬液于同一缓冲液中。

2、细菌分离株PGP性状测定

根据Patten和Glick(1996)的方法，根据Van Urk Salkowski试剂的比色技术，对菌株UT1和FA1产吲哚- 3 -乙酸(IAA)的能力进行了评价。IAA的产生(μg mL−1)呈粉红色，在530 nm波长下用分光光度计测定吸光度。采用Pikovskaya(1948)所述的方法，在Pikovskaya的液体培养基中，以磷酸三钙(TCP)或Esfordi RP作为磷的唯一来源，定量测定菌株对无机磷酸盐的溶解作用。采用Penrose和Glick(2003)描述的方法，在Dworkin和Foster (DF)盐培养基上测定这些菌株的1 -氨基环丙烷- 1 -羧酸酯(ACC)脱氨酶产量，培养基中添加3 mmol L−1 ACC作为唯一的氮源。通过测定ACC脱氨产生的α -酮丁酸量，定量评价ACC脱氨酶活性。ACC脱氨酶活性以nmol α -酮丁酸mg表达−1 蛋白质h−1。

3、测量

（1）生长属性的确定

收获时，将植株从冠区切割下来，用去离子水冲洗三次，然后分离成芽和根，以确定初始生物量。为了测量地上部分的干重(DW)，将其放入特制的纸袋中，在70°C通风烘箱中烘干48小时。小心地将植物的根从盆中取出，用水冲洗将附着在根上的珠光体与根分开。为了测量根的DW，还将它们放在特殊的纸信封中，并在上面提到的同一烤箱中烘干。这些植物最后被磨成粉末进行化学分析。

（2）植物组织中磷、钾、硅含量的测定

采用干灰化法消化小麦植株地上部(茎部)(1克植株样品)。用10 mL 2 N HCl进行提取，所得提取液过滤(Whatman滤纸:42级)。按照之前的方法(Ryan et al.， 2007)，分别用火焰光度计(LEQ- CH072, JENWAY-UK)和分光光度计(Shimadzu UV-3100，日本)在430 nm处测定提取物中K (mg kg−1)和P (mg kg−1)的浓度。这些组织(0.2 g研磨样品)中Si的浓度，用2 mL 50% H消化2o2 用100 mL聚乙烯管(之前用0.1 M NaOH和软化水冲洗)，用氨基钼酸盐蓝比色法测定，紫外可见分光光度计在650 nm波长下测定。以6株植株(每盆)的地上部磷、钾、硅含量(P、K、Si浓度×地上部DW)计算植株对磷、钾、硅的总吸收。

4、统计分析

实验采用完全随机设计，采用因子组合(3 × 4 × 2)。数据采用三因素方差分析(ANOVA)分析主效应(PSB、Si和P)及其交互作用。所有统计计算均使用SAS软件(9.4)进行。为了比较平均值，在5%的概率水平下使用邓肯多距离检验。最后使用GraphPad Prism 6软件绘制图形。图中数据表示为三个生物重复平均值±标准差(SD)。

研究结论：

根据本研究的结果，当Si和PSB同时施用时，可以观察到对植物生长属性的显著影响(观察到的影响大于它们单独施用的影响)。在可溶性磷和不可溶性磷施肥条件下，外源施硅和PSB均显著增加了植株地上部磷、硅和钾的积累。但在可溶性磷源条件下，它们对这些养分吸收的促进作用更显著。此外，具有较强溶磷和产生IAA能力的Pseudomonas sp. FA1对地上部磷的支持量也高于B. simplex UT1。研究还发现，以600 mg Si kg−1的施硅量对小麦植株对磷和其他养分的吸收影响最大，因此，无论在可溶性磷施肥还是不可溶性磷施肥条件下，这一浓度都是硅元素添加量的最佳浓度。在非胁迫条件下(使用可溶性磷)，该浓度的硅处理对植物生长和营养参数有显著的影响，表明本研究中观察到的硅效应不是特定于胁迫植物(使用RP)。这些结果表明，PSB和Si的联合应用具有协同作用，在可持续农业系统中，施用化学磷肥和反相磷肥将是一种合适的替代措施(作为一种提高施用反相磷肥小麦植株磷吸收的重要措施)。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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