-
磷是植物生长和发育的重要营养元素之一,参与植物的重要代谢途径,如光合作用,养分吸收及细胞分裂[1-2]。然而土壤中的磷大部分是难以利用的难溶性磷酸盐,可被植物直接吸收利用的水溶态磷含量低,土壤磷利用率通常只有10%~15%,少部分植物利用率达到25%[3-4]。因此,磷常常成为限制植物生产力的主要因素之一。杉木是我国南方特有的速生用材树种,木材产量超过了全国商品用材的四分之一[5]。然而南方地区淋溶强烈,土壤富含铝离子和铁离子,磷极易被固定,土壤磷利用率极低,严重制约了杉木人工林可持续发展[6]。因此,越来越多的研究已经转向土壤磷可持续利用。众多研究发现,土壤中存在大量具有溶磷能力的微生物,这些微生物通过自身代谢作用,将土壤中的难溶性磷酸盐转化为植物可吸收利用的水溶性磷[7-9]。开发利用溶磷微生物,提高土壤磷利用率,已经成为当前研究热点。目前大多数报道的溶磷微生物菌分离自农作物,Mukhtar[10]等从甘蔗根际分离出2株高效溶磷细菌,均属芽孢杆菌属(Bacillus),Zhao等[11]从玉米根际筛选到1株耐盐的洋葱伯克氏菌(Burkholderia cepacia)。
红壤是我国杉木种植区主要土壤类型之一,具有“酸”、“粘”、“瘦”的特点,土壤磷素有效性低,严重制约着杉木生产力的提高[12]。本研究从红壤地区杉木人工林土壤分离筛选溶磷细菌,通过生理生化和16SrDNA基因序列确定其分类地位,运用单因素试验和正交试验优化培养条件,为杉木菌肥的开发利用提供高效溶磷菌株。
HTML
-
土壤样品采自江西省大岗山山下林场(27°36′ N,114°24′ E)18年生杉木人工林,该区域属于低山丘陵地貌,海拔220~300 m,土壤类型为红壤。通过S形采样法在样地内布设7个采样点,用土钻钻取0~20 cm土壤,将7个采样点土壤混合装入灭菌袋后立即带回实验室,4℃保存。称取10 g新鲜土样,置于装有90 mL无菌水的三角瓶中,振荡30 min。将土壤悬浮液连续稀释10倍至10−4,取0.05 mL稀释度为10−3、10−4土壤悬浮液涂布于Pikovskaya(PVK)[13]琼脂平板上,28℃培养5~7 d,检查平板是否存在产生透明晕圈的菌落。挑取溶磷圈明显的菌落,用连续划线法进一步纯化。
采用钼锑抗比色法[14]对菌株溶磷能力进行测定:在250 mL三角瓶中加入100 mL PVK液体培养基(磷酸钙灭菌后加入),接入1 mL培养过夜的菌液,置于恒温摇床中28℃,180 r·min−1培养7 d后测定菌株溶磷能力。
-
根据伯杰细菌鉴定手册,研究菌株的生理生化特性。采用试剂盒法提取细菌基因组DNA,PCR扩增后进行16SrDNA测序。扩增引物为:27F:5′AGAGTTTGATCCTGGCTCAG3′;1492R:5′TACGGCTACCTTGTTACGACTT3′,扩增体系参考刘彩霞的方法[15]。测序结果在GenBank中进行比对,运用MEGA7构建系统发育树确定菌株分类地位。
-
根据溶磷能力测定的结果,选择溶磷能力强的菌株进行溶磷培养条件优化。为了验证菌株的溶磷能力,所有培养过程均采用PVK培养基。影响菌株溶磷能力的因素主要有培养时间、培养初始pH、培养温度、接种量、碳源、氮源、磷源。通过单因素试验,培养时间设置为24、48、72、96、120、144、168 h;培养基pH设置为4、5、6、7、8、9、10;培养温度设置为10、15、20、25、30、35、40℃;接种量设置为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4%。分别以1%(w/v)、0.05%(w/v)、0.5%(w/v)的浓度提供不同碳源(葡萄糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、甘露醇、可溶性淀粉)、氮源(硫酸铵、硝酸钾、氯化铵、尿素、蛋白胨、酵母浸粉)、磷源(磷酸钙、磷酸铁、磷酸铝)。接种后置于恒温摇床中28℃,180 r·min−1培养7 d,测定培养基中菌株生长量、有效磷含量,以未接种PVK液体培养基为对照。菌株生长量通过测定培养液在波长600 nm时的光密度值表示(OD600)。有效磷含量采用钼锑抗比色法测定。
-
根据单因素试验的结果,设计了蔗糖(2.0%,2.5%,3.0%),氯化铵(0.1%,0.15%,0.2%),pH(5,5.5,6),温度(25℃,30℃,35℃)四因素三水平的正交试验对溶磷条件进行优化。选用L9(34)正交表,因素水平见表1。
水平
Level因素 Factor A蔗糖/%
SucroseB氯化铵/%
Ammonium chlorideC pH D温度/℃
Temperature1 2.0 0.10 5.0 25 2 2.5 0.15 5.5 30 3 3.0 0.20 6.0 35 Table 1. Factors and levels employed in orthogonal test
-
数据分析采用SPSS20.0软件进行方差分析(ANOVA)。
1.1. 菌株的分离与筛选
1.2. 形态观察及菌株鉴定
1.3. 菌株培养条件优化
1.3.1. 单因素试验
1.3.2. 正交试验
1.4. 数据分析
-
利用PVK平板分离杉木人工林土壤中的溶磷细菌,经过多次纯化得到13株具有明显溶磷圈的细菌。各菌株溶磷能力如表2所示,培养液中有效磷含量在21.61~195.61 mg·L−1之间,有效磷含量最高的是P5(195.61 mg·L−1)。因此,选择P5作为后续研究供试菌株。
菌株
Strain有效磷/(mg·L−1)
Available phosphorusP1 21.61±1.82 e P2 52.68±4.86 bc P3 45.67±3.94 c P4 39.62±3.59 cd P5 195.61±14.92 a P6 56.63±4.29 b P7 49.54±1.10 bc P8 46.54±3.01 c P9 36.63±2.85 d P10 24.13±1.81 e P11 50.77±2.45 bc P12 47.08±1.29 c P13 51.73±1.97 bc 注:同列不同小写字母表示不同菌株在同一测定指标中差异显著(P<0.05),下同。
Note:Different lowercase letters indicate significant differences in the same index (P<0.05). The same below.Table 2. Phosphorus solubilizing ability of bacterial strains
-
革兰氏染色试验表明菌株P5为革兰氏阴性菌,在PVK琼脂平板上28℃培养3 d后的菌落形态为圆形,边缘整齐,白色不透明且表面光滑湿润,具有明显溶磷圈。以下生理生化试验为阳性:硝酸盐还原试验,葡萄糖试验,阿拉伯糖试验,甘露醇试验以及柠檬酸盐试验。以下生理生化试验为阴性:甲基红试验,氧化酶/VP试验,硫化氢试验,明胶水解试验及丙二酸盐试验。
将菌株P5 16SrDNA序列与Genbank中的模式菌株序列进行比较,P5菌株与Burkholderia ubonensis序列相似度为99.09%,一致性为98.8%。选择数据库中相似度最高的7株标准菌株及1株外群菌株构建系统发育树,如图1所示。P5菌株与Burkholderia ubonensis同源,相似度和一致性均大于98%,置信度为78,结合生理生化判断P5为Burkholderia ubonensis。
-
由图2可看出菌株生长量与有效磷含量对不同培养时间、pH、温度及接种量的响应有显著差异,但两者之间无明显相关性。培养时间对菌株溶磷量的影响如图2a所示,培养基中菌株生长量随着时间的增加先升高后降低,在72 h达到最大值,有效磷含量则在96 h达到最高后趋于平稳。从图2b可以看出pH在4~10范围内,有效磷含量和菌株生长量均呈现先上升后逐渐下降的规律,P5生长适应范围为5~6,最适pH为5。菌株生长量和有效磷含量在酸性条件下显著高于碱性条件,表明P5耐低pH。温度在10~40℃范围内,P5培养液中有效磷含量也呈现先上升后下降的趋势(图2c)。温度在25~30℃之间,菌株生长量和有效磷含量均达到最大值。在40℃时菌株光密度值OD600大于1,显著高于10~15℃,说明菌株较耐高温。菌株生长量和有效磷含量都随着接种量的增加先升高后降低(图2d)。菌株生长量在接种量为3%时达到了最高点,而有效磷含量在接种量为2%时达到最大值。单因素试验结果表明,菌株P5最适培养时间为72~96 h,最适pH为5~6,最适温度在25 ~30℃之间,最适接种量为1.5%。
6种不同碳源(葡萄糖、蔗糖、乳糖、麦芽糖、甘露醇、淀粉)对菌株溶磷能力的影响差异显著(图3a),葡萄糖、蔗糖作为唯一碳源时,有效磷含量和菌株生长量显著高于其余4种碳源。其中蔗糖是菌株P5的最佳碳源,其次为葡萄糖>麦芽糖>乳糖>甘露醇>淀粉。为了确定蔗糖浓度对菌株解磷能力的影响,在0.5%~4%(w/v)范围内设置8个浓度蔗糖(梯度为0.5%)。图3b表明随着蔗糖浓度的增加,有效磷含量逐渐增加,蔗糖浓度为3%时有效磷含量最高,浓度继续增加时有效磷含量无明显变化。菌株生长量随蔗糖浓度的增加先上升后下降,在浓度为1%~2%间达到最大值。不同蔗糖浓度下P5菌株生长量及溶磷量无明显相关性。
Figure 3. Phosphorus dissolving ability of P5 under different different carbon sources and sucrose concentrations
将不同氮源(硫酸铵、硝酸钾、氯化铵、尿素、蛋白胨、酵母浸粉)以0.05%(w/v)的浓度加入培养基中,测定不同氮源对有效磷含量的影响。如图4a所示,在以硫酸铵和氯化铵为氮源时,菌株P5有效磷含量显著高于其余4种氮源,其中氯化铵培养基中菌株生长量最高,是菌株P5溶解磷的最佳氮源。将氯化铵按0.05%~0.4%(w/v)范围内分8个浓度(梯度为0.05%)添加到培养基中,结果如图4b,浓度为0.15%时培养基中有效磷含量最高,高于或低于该浓度的培养基有效磷含量均减少。氯化铵浓度对菌株生长的影响与有效磷含量变化一致,氯化铵浓度为0.2%、0.15%时菌株生长量和有效磷含量分别达到最高值。
Figure 4. Phosphorus dissolving ability of P5 under different different nitrogen sources and ammonium chloride concentrations
由图5a可知,3种不同磷源条件下,有效磷含量及菌株生长量大小排序为磷酸钙>磷酸铝>磷酸铁。在0.5%~4%(w/v)范围内分8个浓度(梯度为0.5%)将磷酸钙添加到培养基中,结果如图5b所示,菌株P5在0.5%~4%(w/v)范围内有效磷含量呈现先上升后下降的趋势,在1.5%浓度时有效磷含量达到最高。菌株生长量在浓度范围为0.5%~1.5%之间无明显变化,浓度增加至2%时菌株生长量显著减少。
-
在单因素试验的基础上,选择蔗糖、氯化铵、pH、温度进行四因素三水平正交试验。从表3和表4可知,因素B、C对菌株解磷能力影响显著(P<0.05),因素D极显著(P<0.01),因素A不显著,影响P5溶磷能力的因素主次顺序为D>B>C>A,即温度>氯化铵>pH>蔗糖。由表3可知,因素A、B、C、D优水平为A2、B3、C2、D2,优组合为A2B3C2D2。由于因素A的水平改变对试验结果几乎无影响,从经济角度考虑,选A1,因此培养条件优组合为A1B3C2D2,即蔗糖浓度为2.0%,氯化铵浓度为0.2%,pH为5.5,温度为30℃。为了验证该条件下P5溶磷能力,进行了补充试验,试验结果表明该条件下P5培养液中有效磷含量高达268.69 mg·L−1,显著高于优化前培养条件(PVK液体培养基),后者有效磷含量为195.61 mg·L−1。证明通过正交试验,调整后的培养条件更有利于提高菌株P5的溶磷能力。
序号
No.A蔗糖/%
SucroseB氯化铵/%
Ammonium chlorideC pH D温度/℃
Temperature有效磷P/(mg·L−1)
Available phosphorus1 1 1 1 1 219.82 2 1 2 2 2 247.66 3 1 3 3 3 229.82 4 2 1 2 3 235.35 5 2 2 3 1 215.25 6 2 3 1 2 255.35 7 3 1 3 2 229.82 8 3 2 1 3 208.77 9 3 3 2 1 239.12 K1 697.31 684.99 683.94 674.19 K2 705.95 671.68 722.13 732.88 K3 677.71 724.29 674.89 673.94 极差R 28.24 52.61 47.24 58.88 主次顺序 D>B>C>A 优水平 A2 B3 C2 D2 优组合 A2B3C2D2 Table 3. Results of the orthogonal test
方差来源
Source平方和
Sum of squares自由度
df均方
Mean squareF值
F-valueP值
P-valueA(蔗糖) 418.836 2 209.418 1.254 0.309 B(氯化铵) 1 496.670 2 748.335 4.480* 0.026 C(pH) 1 257.274 2 628.637 3.763* 0.043 D(温度) 2 301.778 2 1 150.889 6.889** 0.006 误差 Error 3 006.939 18 167.052 总计 Total 1 451 950.498 27 注:*表示在P<0.05水平差异显著,**表示在P<0.01水平差异显著。
Note: *Shows significantly differences at P<0.05. **Shows significantly differences at P<0.01.Table 4. Variance analysis of the orthogonal test