甲基營養型芽孢桿菌對黃瓜穴盤育苗效果的影響

馬 飛 王 菁 王君正 胡曉輝*

（1 西北農林科技大學園藝學院，陜西楊凌 712100；2 農業農村部西北設施園藝工程重點實驗室，陜西楊凌 712100；3 陜西省設施農業工程技術研究中心，陜西楊凌 712100）

穴盤育苗是蔬菜生產的重要環節，培育壯苗是保障設施蔬菜高效生產的關鍵因素之一，基質組分、有機質含量和微生物豐度及含量均可直接影響成苗質量和發育（劉忠華 等，2019；楊凡 等，2020；徐誠 等，2021）。微生物菌劑是基于功能菌株的作用特點而研制的生物制劑，在改善生態環境、促進作物生長、提高農產品產量和品質中具有良好的效果和綠色、安全、無污染的特點（祝虹鈺 等，2017；周建，2020）。呂倩等（2014）發現甲基營養型芽孢桿菌具有對環境的多抗逆性、代謝產物的多樣性、廣譜的抗菌活性及對作物和環境無毒無害等優點。目前國內外關于甲基營養型芽孢桿菌的研究集中于對黃瓜炭疽病、枯萎病和葡萄霜霉病等病害的防治作用及機理等方面（康興嬌 等，2016；魏新燕 等，2018；蔣妮 等，2020）。胡曉輝等（2020）前期研究發現甲基營養型芽孢桿菌在夏季高溫期對黃瓜秧苗生長發育具有顯著促進作用，但在常溫條件下，其對穴盤育苗過程中幼苗發育的作用效果、最佳用量及作用原理尚不明確。

此外，目前關于促生壯苗的研究多集中于外源激素的施用（張娜娜 等，2019）和育苗基質配方的改良（史宏玉 等，2020），而關于微生物菌劑甲基營養型芽孢桿菌適宜用量、效果及促生壯苗調控機制的研究尚缺乏數據。因此，本試驗通過在育苗基質中添加不同劑量甲基營養型芽孢桿菌菌劑，研究其對黃瓜穴盤苗形態發育、生物量和與元素積累量的影響，并從植物激素、根系發育和葉綠素含量等途徑解析其作用機理，以期確定菌劑最佳施用量和明晰甲基營養型芽孢桿菌促進黃瓜穴盤苗生長的生理機制，從而為培育黃瓜壯苗，提高黃瓜產量、品質及降低生產成本提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試黃瓜品種為博耐526，供試菌劑為VL-10型甲基營養型芽孢桿菌（粉劑，有效活菌數為5 ×10CFU · g，山東蔚藍生物科技有限公司生產）。育苗基質選用以菇渣和牛糞為主要成分的腐熟農業廢棄物，容重0.34 g · cm、pH 值6.73、EC 值1 421 μS · cm、硝態氮含量851 mg · kg、銨態氮含量94 mg · kg、速效磷含量854 mg · kg、速效鉀含量3 858 mg · kg、有機質含量46.2%。采用50 孔穴盤育苗。

1.2 試驗設計

試驗于2020 年6—7 月在陜西楊凌（34°28′N，108°07′E）西北農林科技大學南校區科研溫室中進行。試驗期間日平均空氣溫度為18.2～33.6 ℃，日平均相對濕度為51.2%～86.5%（由北京金洋萬達科技有限公司生產的WD-PDKI 型溫濕度光照記錄儀測得）。

按 照0、5、10、15、20、25 kg · m劑量分別向育苗基質中配施甲基營養型芽孢桿菌（記為CK、T、T、T、T、T），共6 個處理，每個穴盤為1 個重復，3 次重復。黃瓜種子經溫湯浸種、催芽露白后，分別播于拌有不同菌劑用量的基質內，并置于科研溫室內育苗，苗期管理按常規設施穴盤育苗方法進行。播種后40 d（成苗時）取樣測定相關指標。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 植株生長指標和葉綠素含量 各處理隨機選取15 株幼苗，分別測定株高、莖粗和葉面積。用卷尺測量莖基部至生長點的高度為株高；用游標卡尺測量莖基部直徑為莖粗；用游標卡尺分別測量第2 片真葉的葉長和葉寬，計算葉面積（任杰，2013）。

葉面積=葉長 × 葉寬 × 0.743

蒸餾水洗凈根系后，用Epson Perfection V700 Photo 根系掃描儀分別分析單株根系總長度、根表面積、根體積、根直徑及根尖數；選取幼苗第2 片真葉，采用乙醇丙酮混合浸提法（李合生，2000）測定葉綠素含量。

1.3.2 植株生物量和N、P、K 元素積累量 各處理每個重復隨機取樣15 株，將植株沖洗干凈后，擦干并從根基部分開，分別測定幼苗地上各部和根系鮮質量，并將其于105 ℃烘箱中殺青30 min，于70 ℃烘干至質量恒定后，測定地上部分和根系的干質量，計算壯苗指數和生長函數（值）（任杰，2013）。然后測定植株全N、P、K 元素含量，計算各元素積累量（張佼 等，2019）。

壯苗指數=（莖粗/株高）×全株干質量

值=全株干質量/育苗天數

元素積累量=元素含量×植株干質量

1.3.3 根系激素含量 各處理隨機選取15 株成苗根系，用高效液相色譜法（HPLC）（馬有寧和陳銘學，2011）測定根系吲哚乙酸（3-Indoleacetic acid，IAA）、茉莉酸（jasmonic acid，JA）和乙烯前體物質氨基環丙烷羧酸（1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC）含量。

1.4 數據統計與分析

采用Excel 2010 軟件進行數據整理及圖表制作，用SPSS 23.0 軟件進行單因素方差分析，Duncan’s 方法進行顯著性檢驗，數據以平均值 ±標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 不同菌劑用量對黃瓜幼苗形態指標的影響

由表1 可以看出，不同用量甲基營養型芽孢桿菌處理均顯著提高了幼苗株高、莖粗和葉面積。與CK 相比，T～T處理的株高提高21.4%～75.0%，且T、T和T處理均顯著高于T和T處理；莖粗提高7.0%～18.8%，且T和T處理顯著高于T和T處理；葉面積提高24.8%～70.8%，T、T、T和T處理之間無顯著差異，但均顯著高于T1 處理。表明施用甲基營養型芽孢桿菌菌劑可顯著促進黃瓜幼苗莖的生長發育，且作用效果受菌劑用量影響，以T和T處理對黃瓜幼苗株高、莖粗的促進效果最優，且施用菌劑對幼苗葉片發育具有顯著促進作用。

表1 不同菌劑用量對黃瓜幼苗株高、莖粗和葉面積的影響

2.2 不同菌劑用量對黃瓜幼苗生物量、壯苗指數和G 值的影響

由表2 可知，與CK 相比，除T處理的全株鮮質量和壯苗指數外，不同菌劑用量處理均顯著提高了黃瓜幼苗的鮮質量、干質量、壯苗指數和值，其中T、T、T和T處理的全株鮮、干質量均顯著優于CK 和T處理，且4 個處理間無顯著差異，全株鮮質量分別比CK 提高82.5%、74.7%、79.1%和85.0%，全株干質量分別提高62.7%、70.6%、58.0%和59.3%；T處理的全株鮮、干質量分別較CK 提高了7.3%和16.0%。T處理的壯苗指數和值顯著高于其他處理，分別較CK 提高了24.2%和75.6%；T處理對壯苗指數和值的影響次之，較CK 提高了8.7%和68.3%。表明甲基營養型芽孢桿菌菌劑在促進幼苗形態發育的同時，可顯著提高黃瓜幼苗的生物量、壯苗指數和值，對培育壯苗具有明顯促進作用。

表2 不同菌劑用量對黃瓜幼苗生物量、壯苗指數和G 值的影響

2.3 不同菌劑用量對黃瓜幼苗葉綠素含量的影響

由表3 可知，幼苗葉片的葉綠素含量隨菌劑用量增加呈先降低后升高的變化趨勢，T處理的葉綠素a、b 和葉綠素總量顯著高于其他處理，分別較CK 提高了22.2%、29.8%和23.9%；T處理次之；而T處理的葉綠素總量與CK 無顯著差異；T和T處理的葉綠素含量均較CK 顯著降低，但葉綠素a/b 顯著升高，且二者之間無顯著差異；T、T和T處理的葉綠素a/b 均顯著降低。表明甲基營養型芽孢桿菌對幼苗葉片葉綠素含量的影響受劑量效應調控，在低菌劑用量（5～15 kg · m）下可能降低葉綠素含量，而高菌劑用量（20～25 kg · m）可提高葉綠素含量，進而促進幼苗光合作用。

表3 不同菌劑用量對黃瓜幼苗葉綠素含量的影響

2.4 不同菌劑用量對黃瓜幼苗根系生長的影響

由表4 可知，隨菌劑用量增加，菌劑處理對幼苗根系發育的促進作用呈增強趨勢。T處理的根表面積、根直徑和根體積顯著高于其他處理，較CK分別增加164.7%、22.9%和201.8%；T處理根長、根尖數最高，但與T處理差異不顯著；T處理的根長顯著高于T處理，二者根表面積、根體積和根尖數之間均無顯著差異，但均顯著高于CK，較CK 分別增加106.1%～108.2%、107.2%～131.0%和15.1%～28.6%。表明除T根直徑以外，在較高劑量（15～25 kg · m）的菌劑處理下，黃瓜幼苗根長、根表面積、根直徑、根體積、根尖數均顯著提高，從而保證了根系對水分、養分的吸收，有利于植株的生長發育，從而起到培育壯苗的作用。

表4 不同菌劑用量對黃瓜幼苗根系生長的影響

2.5 不同菌劑用量對黃瓜幼苗根系激素含量的影響

如表5 所示，基質配施甲基營養型芽孢桿菌后，幼苗根系IAA 含量顯著增加，JA 含量呈先升后降的變化趨勢，ACC 含量均有不同程度的降低。與CK 相比，T～T處理的IAA 含量分別提高了22.7%、13.4%、39.7%、19.1% 和82.0%；T、T和T處理的JA 含量分別提高了7.1%、46.1%和170.4%，而T處理的JA 含量與CK 無顯著差異，T處理則顯著降低。各處理的ACC 含量分別較CK 降低了6.5%、16.8%、16.6%、7.4%和3.9%，且T、T、T處理顯著降低。表明黃瓜幼苗根系不同激素對菌劑用量的響應趨勢和程度不同，其中T處理的IAA 最高，T處理的JA 最高，T處理的ACC 最低，T處理次之。表明甲基營養型芽孢桿菌可能通過調控根系激素含量進而起到調控黃瓜根系生長發育的作用。

表5 不同菌劑用量對黃瓜幼苗根系激素含量的影響

2.6 不同菌劑用量對黃瓜幼苗元素積累量的影響

如表6 所示，T、T和T處理的根系N、P、K 元素積累量均顯著高于CK，增幅分別為98.4%～112.5%、66.5%～78.2%和61.9%～86.9%，各處理間無顯著差異；T處理的根系N 和K 元素積累量分別較CK 提高了59.6%和33.0%；T處理僅顯著提高了根系K 元素積累量。T、T、T和T處理均顯著提高了地上部和全株N 元素積累量，且以T處理增幅最大，分別為98.1%和94.5%。T、T和T處理顯著提高了地上部和全株P 元素含量，較CK 提高了82.5%～95.8%和89.3%～80.4%，各處理之間無顯著差異。T～T處理的地上部和全株K 元素積累量均顯著高于CK，增幅分別為34.5%～60.0%和38.9%～60.2%，且T處理積累量最高。表明添加甲基營養型芽孢桿菌后，顯著提高了植株對N、P、K 元素的吸收和積累。

表6 不同菌劑用量對黃瓜幼苗元素積累量的影響

2.7 黃瓜生長指標與植株元素積累量及根系激素含量間相關性分析

由表7 可知，根系IAA 含量與植株莖粗、根表面積、根直徑和根體積呈極顯著正相關，與株高、全株生物量和根長呈顯著正相關；根系JA 含量與植株形態和根系生長指標間均無顯著相關性；根系ACC 含量與植株株高、莖粗、葉面積、全株生物量和壯苗指數間均呈顯著負相關，與值呈極顯著負相關，與根系生長指標無顯著相關性。地上部N、P 和K 元素積累量與株高、莖粗、葉面積、全株生物量、壯苗指數、值、根長、根表面積、根體積和根尖數間均呈極顯著正相關。根系N、P 和K 元素積累量與株高、莖粗、葉面積、全株生物量、值、根表面積和根體積呈極顯著正相關，與根直徑呈顯著正相關，而根系N 元素積累量還與壯苗指數和根尖數間呈顯著正相關，根系P 元素積累量與根長呈顯著正相關，根系K 元素積累量還與壯苗指數和根長間呈顯著正相關，根系P 元素積累量與壯苗指數無顯著相關性。

表7 黃瓜生長指標和元素積累量及根系激素含量的相關性分析

3 討論與結論

3.1 討論

根際有益微生物不僅通過影響根際介質結構與肥力，間接影響作物生產過程，還可通過定殖于作物根系表面或內部，直接影響植物的生長發育過程，實現提質增產的最終目的（Trivedi et al.，2021）。但不同微生物菌劑的功能、作用方式及其最適作用濃度區間存在差異，王君正等（2021）研究發現2.5 × 10CFU · mL甲基營養型芽孢桿菌或植物乳桿菌菌劑灌根處理可通過提高基質酶活性，加速根際速效養分供給，提高根際有效態氮等速效養分含量，加速植株對元素的吸收、轉運、同化和積累，提高養分利用率，進而提高黃瓜產量和品質；Kuramae 等（2020）研究表明在高粱盆栽中接種IAC/BECa135 和152 菌株，增加了植物養分吸收和生長素信號傳導能力，進而增加了高粱的根和莖生物量；土壤中添加枯草芽孢桿菌可增加根際微生物數量，促進甜瓜株高、莖粗、葉面積增加，進而達到增產效果（黃亞麗 等，2020）；利用從黃瓜健康根系土壤中分離菌株研發的微生物菌劑處理黃瓜植株后，其株高、莖粗和葉綠素含量等指標均較對照顯著提高（呂鵬超 等，2020）。壯苗指數和值是黃瓜穴盤育苗的關鍵指標，本試驗中，與CK 相比，T～T處理顯著提高了黃瓜幼苗的壯苗指數和值，增幅為3.2%～24.2%和56.1%～75.6%；促進作用優于低菌劑用量（T），且最大值均出現在T處理，表明施用甲基營養型芽孢桿菌可顯著促進黃瓜幼苗形態發育、加速成苗并提高幼苗質量，在生產中具有良好的應用前景，其作用效果受劑量效應調控。

微生物菌劑可通過改善根系構型，促進植物對于水分和養分的吸收（陳偉立 等，2016），也可通過固氮、溶磷、解鉀等途徑來提高土壤礦質元素的可利用性，進而實現對植物的促生效果（Babalola，2010；呂雅悠 等，2016）。Krishnamoorthy 等（2018）發現多種甲基營養型芽孢桿菌對花生根系的生長均有不同程度的促進作用，ZJM-P5 型芽孢桿菌與磷肥互作顯著提升了紅小豆幼苗的主根長、根表面積和根體積，并且顯著提高了幼苗P 元素含量（楊倩等，2020）。根施巨大芽孢桿菌、多粘性芽孢桿菌及枯草芽孢桿菌均能顯著增加黃瓜植株生物量（季倩茹 等，2020）。本試驗結果與上述研究一致，施用甲基營養型芽孢桿菌可以通過改善黃瓜幼苗的根系構型，促進根長、根表面積、根直徑、根體積和根尖數增加，且除T處理外，菌劑處理均顯著促進了植株N、P、K 元素積累量和黃瓜幼苗生物量的增加，由相關性分析可知菌劑一方面通過改善根系構型，另一方面通過促進元素的吸收與積累，進而促進幼苗對礦質元素的同化利用，促進植株的生長與生物量積累。

根系形態變化根本上是植物基因型、外界環境和內源激素代謝共同作用的結果（單立山 等，2017）。王亞楠等（2020）和付嚴松等（2020）研究表明微生物菌株可分泌植物生長調節物質或通過分泌多種信號物質以促進植株自身分泌生長激素來促其生長發育；Rijavec 和Lapanje（2016）研究證實PGPR 還能產生植物激素、揮發性化合物等物質促進植物生長，產生的揮發性化合物促進根毛發育并提高根際中磷酸鹽的利用率；Magidin 等（2003）證實了IAA 能夠促進植物細胞分裂、根的生長以及根表面積增加；劉莉（2018）研究表明JA 負調控擬南芥、向日葵主根的生長；ACC 的產生誘導了乙烯的產生，從而抑制了根系的生長，并且JA和ACC 都可以調節IAA 在植物體內的積累與分布。研究發現甲基芽孢桿菌具有合成植物生長素的能力，并且ACC 可以被含ACC 脫氧酶的PGPR分解，從而減少乙烯含量，促進根的伸長（Glick et al.，1998；Mikrobiologiia et al.，2017）。本試 驗結果表明，施用菌劑后各處理均顯著增加了黃瓜幼苗根系IAA 含量；JA 含量表現為除T和T處理外均顯著增加，且T處理顯著降低，這可能是過高的IAA 水平抑制了JA 的合成；另外與根系形態指標的變化趨勢一致，IAA 和JA 含量的最大值分別出現在T和T處理中，而各處理的ACC 含量與CK 處理相比均有降低趨勢，這說明菌劑分泌或影響有關ACC 合成的相關物質，根際添加甲基營養型芽孢桿菌可通過改變根系內源激素水平調控根系生長發育。王歸鵬等（2021）研究表明微生物菌劑能提高葉綠素含量，促進光合效率進而促進植株物質積累。本試驗中，不同處理的有效活菌濃度對植株元素吸收的作用效果不同，在低菌劑用量下對植株元素吸收的作用效果低于高菌劑處理，因此，T～T處理的黃瓜幼苗葉綠素含量表現為先降低再升高的變化趨勢，低菌劑處理的地上部分的光合參數弱于高菌劑處理，但具體機制有待進一步研究。上述結果表明甲基營養型芽孢桿菌一方面通過促進根系內源激素分泌，進而促進根系生長發育，增加水分及養分吸收與元素積累量；另一方面，通過增加葉綠素含量提高植物光合作用，促進光合產物及生物量積累，最終實現形態指標、壯苗指數和值協同提高，達到促生壯苗作用。

3.2 結論

①育苗基質中添加適量的甲基營養型芽孢桿菌（5 × 10CFU · g），在黃瓜穴盤育苗過程具有顯著的促生壯苗功能。

② 施用適量菌劑后，可顯著提高黃瓜幼苗根系內源IAA、JA 和葉片葉綠素含量，促進根系的生長，提高幼苗整株生物量及N、P、K 元素積累量，進而達到促進幼苗生長發育，培育壯苗的目的。

③綜合不同菌劑用量的作用效果和生產成本，在黃瓜穴盤育苗生產實踐過程中，推薦向基質內按15 kg · m用量添加甲基營養型芽孢桿菌菌劑。