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三种菌肥对连作平邑甜茶根系生长和土壤真菌群落多样性的促进效应

王义坤 苏厚文 段亚楠 李前进 陈学森 沈向 尹承苗 毛志泉

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三种菌肥对连作平邑甜茶根系生长和土壤真菌群落多样性的促进效应

    作者简介: 王义坤E-mail:981786999@qq.com;
    通讯作者: 尹承苗, E-mail:yinchengmiao@163.com ; 毛志泉, E-mail:mzhiquan@sdau.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFD0201114);现代农业产业技术体系建设专项资金项目(CARS-27);国家自然科学基金项目(31672104);山东省高等学校青创科技支持计划(2019KJF020);山东省水果创新团队项目(SDAIT-06-07)。

Improvement of root development of Malus hupehensis Rehd. seedlings and soil fungal diversity under replant condition by three kinds of biofertilizers

    Corresponding author: YIN Cheng-miao, E-mail:yinchengmiao@163.com ;MAO Zhi-quan, E-mail:mzhiquan@sdau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  以苹果常用砧木平邑甜茶 (Malus hupehensis Rehd.) 幼苗为试材,盆栽条件下研究圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1等对根系形态及土壤真菌的影响,为生物防控苹果连作障碍提供理论依据。  【方法】  试验材料为平邑甜茶实生苗,连作土壤采自山东省泰安市满庄滩清湾31年生老苹果园,设置5个处理:连作土 (CK1)、载体基质 (CK2)、施用圆弧青霉D12菌肥处理 (T1)、施用哈茨木霉菌肥处理 (T2)、施用草酸青霉A1菌肥处理 (T3),菌肥加入量为连作土壤质量的1.00%,移栽4个月后测定根系呼吸速率、根系保护酶、土壤真菌多样性等指标。  【结果】  与CK1相比,T1、T2、T3均能够促进植株根系鲜重增加和根系呼吸速率提高,显著提高根系保护酶活性,降低MDA含量;T2、T3效果较好,其SOD活性分别增加了45.46%、46.82%、POD活性分别增加了120.06%、108.73%,CAT活性分别增加了84.15%、87.82%。与CK1 相比,T1、T2、T3土壤中镰孢菌属的相对丰度分别降低了41.14%、49.34%、79.10%,而青霉属和木霉属分别增加了227.18%、222.91%、890.94%和76.55%、462.71%、213.56%,真菌多样性指数 (Ace指数、Chao指数、Shan指数) 均明显提高,Simpson指数则有所下降。  【结论】  连作土壤中施用圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1均可提高根系保护酶活性和根系活力,降低土壤中镰孢菌丰度,其中哈茨木霉和草酸青霉A1效果较好,可用于苹果连作障碍的防控。
  • 图 1  施用不同菌肥的平邑甜茶幼苗根系抗氧化酶活性及丙二醛含量

    Figure 1.  Effects of different biofertilizers on SOD,POD,CAT activities and MDA content in roots of Malus hupehensis Rehd. seedling

    图 2  不同菌肥处理下土壤属水平真菌群落的相对丰度

    Figure 2.  Relative abundances of fungi at the genus level in soils applied with different biofertilizers

    表 1  施用不同菌肥的平邑甜茶幼苗根系重量及呼吸速率

    Table 1.  Root weight and respiration rate of Malus hupehensis Rehd. seedlings applied with different biofertilizers

    处理
    Treatment
    根系鲜重 (g/plant)
    Root fresh weight
    根系干重 (g/plant)
    Root dry weight
    呼吸速率 [O2 nmol/(g∙min),FW]
    Respiration rate
    CK155.59 ± 0.24 c19.19 ± 0.65 c402.35 ± 38.24 c
    CK265.70 ± 0 .76 b24.13 ± 0.33 b447.76 ± 33.46 bc
    T1 79.55 ± 0.79 a28.36 ± 0.50 a520.16 ± 38.17 ab
    T2 81.30 ± 0.81 a28.83 ± 0.32 a559.96 ± 36.97 a
    T3 80.61 ± 0.55 a28.73 ± 1.13 a562.40 ± 36.68 a
    注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
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    表 2  施用不同菌肥的平邑甜茶幼苗根系指标

    Table 2.  Root development of Malus hupehensis Rehd. seedlings applied with different biofertilizers

    处理Treatment长度Root length (cm)表面积Surface area (cm2)根体积Root volume (cm3)根尖数Tips per pot
    CK1625.40 ± 76.80 c191.98 ± 6.06 d6.20 ± 0.29 d2499.00 ± 42.03 d
    CK2811.81 ± 47.56 b243.77 ± 4.87 c8.91 ± 0.50 c3141.00 ± 102.79 c
    T1 979.32 ± 75.92 a267.59 ± 6.08 b13.22 ± 0.32 b3403.67 ± 44.90 b
    T2 1005.27 ± 84.94 a315.89 ± 7.95 a15.73 ± 0.97 a3620.67 ± 22.88 ab
    T3 1020.26 ± 41.88 a312.18 ± 7.36 a15.77 ± 0.31 a3509.67 ± 29.94 a
    注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
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    表 3  不同菌肥处理下土壤门水平真菌群落的相对丰度 (%)

    Table 3.  Relative abundance of fungus community at the phylum level in soil applied with different biofertilizers

    处理Treatment子囊菌门Ascomycota毛霉菌门Mucoromycota担子菌门Basidiomycota其他Others
    CK191.73 ± 2.85 a4.48 ± 2.67 b3.57 ± 1.61 a0.22 ± 0.15 a
    CK287.22 ± 2.23 ab6.64 ± 1.63 b5.32 ± 0.64 a0.82 ± 0.44 a
    T1 84.00 ± 4.41 ab9.84 ± 1.72 b6.00 ± 2.79 a0.16 ± 0.06 a
    T2 72.61 ± 1.45 c22.72 ± 0.95 a4.50 ± 0.56 a0.17 ± 0.01 a
    T3 78.68 ± 1.01 bc17.65 ± 0.96 a3.50 ± 0.47 a0.18 ± 0.07 a
    注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
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    表 4  不同菌肥处理下主要土壤真菌群落在属水平的相对丰度 (%)

    Table 4.  Relative abundances of major fungal communities at the genus level in soils applied with different biofertilizers

    处理Treatment腐质霉属Humicola镰孢菌属Fusarium青霉菌属Penicillium木霉属Trichoderma
    CK114.31 ± 3.96 b25.16 ± 0.70 a1.88 ± 0.91 b1.18 ± 0.33 b
    CK234.50 ± 0.58 a23.95 ± 0.77 a4.69 ± 0.69 b2.80 ± 1.53 b
    T1 6.40 ± 0.53 c14.81 ± 2.32 b6.14 ± 0.27 b2.08 ± 0.22 b
    T2 4.75 ± 0.24 c12.75 ± 2.28 b6.06 ± 0.55 b6.64 ± 0.36 a
    T3 8.03 ± 0.71 c5.26 ± 0.26 c18.60 ± 3.71 a3.70 ± 0.51 b
    注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
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    表 5  不同菌肥处理土壤的真菌多样性

    Table 5.  Diversity of soil fungi under different biofertilizer treatments

    处理
    Treatment
    Ace指数
    Ace index
    Chao指数
    Chao index
    Shannon指数
    Shannon index
    Simpson指数
    Simpson index
    Coverage指数
    Coverage index
    CK1255.27 ± 8.47 b251.35 ± 6.59 b2.47 ± 0.10 d0.27 ± 0.03 a0.9990 ± 0.00 a
    CK2258.60 ± 8.41 b250.61 ± 7.61 b2.81 ± 0.08 c0.19 ± 0.03 b0.9974 ± 0.00 ab
    T1 299.88 ± 4.14 a311.52 ± 9.80 a3.47 ± 0.09 ab0.06 ± 0.01 c0.9986 ± 0.00 a
    T2 312.34 ± 7.46 a315.06 ± 12.13 a3.68 ± 0.04 a0.05 ± 0.00 c0.9966 ± 0.00 b
    T3 304.85 ± 3.91 a315.41 ± 6.64 a3.33 ± 0.05 ab0.07 ± 0.01 c0.9988 ± 0.00 a
    注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-31
  • 网络出版日期:  2020-03-27
  • 刊出日期:  2020-02-01

三种菌肥对连作平邑甜茶根系生长和土壤真菌群落多样性的促进效应

    作者简介:王义坤E-mail:981786999@qq.com
    通讯作者: 尹承苗, yinchengmiao@163.com
    通讯作者: 毛志泉, mzhiquan@sdau.edu.cn
  • 1. 山东农业大学园艺科学与工程学院/作物生物学国家重点实验室,山东泰安 271018
  • 2. 洛川县苹果生产技术开发办公室,陕西洛川 727400
  • 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFD0201114);现代农业产业技术体系建设专项资金项目(CARS-27);国家自然科学基金项目(31672104);山东省高等学校青创科技支持计划(2019KJF020);山东省水果创新团队项目(SDAIT-06-07)。
  • 摘要:   【目的】  以苹果常用砧木平邑甜茶 (Malus hupehensis Rehd.) 幼苗为试材,盆栽条件下研究圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1等对根系形态及土壤真菌的影响,为生物防控苹果连作障碍提供理论依据。  【方法】  试验材料为平邑甜茶实生苗,连作土壤采自山东省泰安市满庄滩清湾31年生老苹果园,设置5个处理:连作土 (CK1)、载体基质 (CK2)、施用圆弧青霉D12菌肥处理 (T1)、施用哈茨木霉菌肥处理 (T2)、施用草酸青霉A1菌肥处理 (T3),菌肥加入量为连作土壤质量的1.00%,移栽4个月后测定根系呼吸速率、根系保护酶、土壤真菌多样性等指标。  【结果】  与CK1相比,T1、T2、T3均能够促进植株根系鲜重增加和根系呼吸速率提高,显著提高根系保护酶活性,降低MDA含量;T2、T3效果较好,其SOD活性分别增加了45.46%、46.82%、POD活性分别增加了120.06%、108.73%,CAT活性分别增加了84.15%、87.82%。与CK1 相比,T1、T2、T3土壤中镰孢菌属的相对丰度分别降低了41.14%、49.34%、79.10%,而青霉属和木霉属分别增加了227.18%、222.91%、890.94%和76.55%、462.71%、213.56%,真菌多样性指数 (Ace指数、Chao指数、Shan指数) 均明显提高,Simpson指数则有所下降。  【结论】  连作土壤中施用圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1均可提高根系保护酶活性和根系活力,降低土壤中镰孢菌丰度,其中哈茨木霉和草酸青霉A1效果较好,可用于苹果连作障碍的防控。

    English Abstract

    • 苹果连作障碍是指果园刨除老树后,重茬栽植苹果幼树时,再植幼树表现出根系不健康、生长缓慢、植株矮小、病虫害严重,甚至整株死亡的现象[1]。苹果是中国栽培面积最大的果树之一。近年来果树品种的更换和矮化密植栽培的发展与有限的栽培面积间的矛盾,致使苹果连作现象十分普遍[2],成为世界苹果优势产区亟需解决的问题[3-4]

      菌肥含有丰富的活菌,可改善土壤质量,增强植物抗病、抗逆能力,提高作物产量,改善农作物品质等[5-6]。贾海民等[7]通过研究菌肥对番茄的影响,发现每穴施用0.50~1.50 g的菌肥,可以防止番茄重茬病,抑制病害发生,防病率高达59.1%~98.9%,同时也促进了植株的生长,产量和品质也都得到了提高。可见,施用菌肥可作为缓解连作障碍的生物防治措施。

      本试验将圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1分别制成菌肥,以苹果常用砧木平邑甜茶 (Malus hupehensis Rehd.) 为材料,盆栽条件下研究3种菌肥对连作条件下平邑甜茶根系形态和根际土壤真菌群落结构的影响,以探讨菌肥对苹果连作障碍的防控效果,为生物防控苹果连作障碍提供理论依据。

      • 试验于2018年3—10月在山东农业大学国家苹果工程实验中心进行。连作土壤采自山东省泰安市满庄滩清湾31年生老苹果园,从距树干80 cm、深5—40 cm的区域多点随机取土,并混匀。土壤为砂土,有机质含量为10.2 g/kg,速效氮28.2 mg/kg,速效钾138 mg/kg,有效磷9.78 mg/kg,土壤pH为5.65。

        平邑甜茶种子经4℃左右层积30天,待种子萌动露白后,于2018年3月播种于育苗盘中。在4月中旬,待幼苗长至6片真叶时移栽到泥瓦盆 (外径29 cm、内径25 cm) 中,进行盆栽试验。

        供试菌肥圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1的菌株由本实验室提供,菌肥由德州创迪微生物资源有限公司负责制作,供试菌肥为黑灰色粉末状固体,活菌量2.10 × 109 cfu/g。本试验设5个处理:连作土壤对照 (CK1)、载体基质对照 (CK2)、连作土上施用圆弧青霉D12菌肥处理 (T1)、连作土上施哈茨木霉菌肥处理 (T2)、连作土上施草酸青霉A1菌肥处理 (T3)。每处理20盆,连作土壤与菌肥混合后装盆,菌肥加入量为连作土壤质量的1.00% (每盆土约为70 g)。每盆定植2株长势基本一致的幼苗,正常肥水管理。2018年8月15日 (移栽4月后) 取样,每处理随机取3株,用水洗净后测定根系鲜重;去掉表层土和盆周围土,取根际土壤,将土样过筛、装入封口袋后带回实验室备用。

      • 根系形态测定:用专业版WinRHIZO (2007年版) 根系分析系统,对根系样品图像进行扫描分析,记录幼苗根系长度、总体积、总表面积等根系构型参数。

        根系呼吸速率:取幼苗根系上的新鲜白根,采用Oxytherm氧电极 (Hansatech公司,英国) 测定根系呼吸速率[8]

        抗氧化酶活性及丙二醛含量测定:根系抗氧化酶SOD、POD、CAT活性参照Wang等[9]的试验方法测定,MDA含量参照赵世杰[10]的方法测定。

        土壤真菌多样性测定:土壤样品基因组DNA的提取及纯化按照E.Z.N.A. Soil DNA Kit说明书操作,提取后采用核酸定量仪NanoDrop2000测定DNA浓度,并经2%琼脂糖凝胶电泳对DNA样品进行检测,检测合格后用于构建文库;以各土壤样品总DNA为模板,真菌ITS区通用引物为ITS1-F (5′−CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA−3′) 和ITS2-R (5′−GCTGCGTTCTTCATCGATGC−3′) 进行PCR扩增;采用Illumina MiSeq测序平台对PCR扩增产物进行双端测序分析,测序数据的优化和统计方法见文献[11]。测序委托上海美吉生物医药科技有限公司完成。

      • 土壤真菌多样性数据通过I-Sanger云平台 (www.i-sanger.com) 进行分析、整理;其余试验数据采用Microsoft Excel 2007进行计算和作图,差异显著性通过SPSS 19.0软件进行邓肯氏新复极差法检验。

      • 表1可知,施加菌肥均能显著提高根系重量和根系呼吸速率。与CK1和CK2相比,T1、T2、T3处理根系鲜重、干重均显著增加,3个菌肥处理间差异不显著。T2、T3处理根系呼吸速率显著高于CK1和CK2,T1、T2和T3处理间差异不显著,T1与CK2处理间差异不显著。T2 和T3处理提高根系重量和呼吸速率的效果显著。

        表 1  施用不同菌肥的平邑甜茶幼苗根系重量及呼吸速率

        Table 1.  Root weight and respiration rate of Malus hupehensis Rehd. seedlings applied with different biofertilizers

        处理
        Treatment
        根系鲜重 (g/plant)
        Root fresh weight
        根系干重 (g/plant)
        Root dry weight
        呼吸速率 [O2 nmol/(g∙min),FW]
        Respiration rate
        CK155.59 ± 0.24 c19.19 ± 0.65 c402.35 ± 38.24 c
        CK265.70 ± 0 .76 b24.13 ± 0.33 b447.76 ± 33.46 bc
        T1 79.55 ± 0.79 a28.36 ± 0.50 a520.16 ± 38.17 ab
        T2 81.30 ± 0.81 a28.83 ± 0.32 a559.96 ± 36.97 a
        T3 80.61 ± 0.55 a28.73 ± 1.13 a562.40 ± 36.68 a
        注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
      • 表2可知,3个菌肥处理的根长、根表面积、根体积和根尖数均显著高于CK1和CK2 (P < 0.05);T2、T3处理根系长度与T1差异不显著,根表面积和体积均显著高于T1处理,T3处理根尖数也显著高于T1处理。T2 和T3处理促进根系发育的效果好于T1处理。

        表 2  施用不同菌肥的平邑甜茶幼苗根系指标

        Table 2.  Root development of Malus hupehensis Rehd. seedlings applied with different biofertilizers

        处理Treatment长度Root length (cm)表面积Surface area (cm2)根体积Root volume (cm3)根尖数Tips per pot
        CK1625.40 ± 76.80 c191.98 ± 6.06 d6.20 ± 0.29 d2499.00 ± 42.03 d
        CK2811.81 ± 47.56 b243.77 ± 4.87 c8.91 ± 0.50 c3141.00 ± 102.79 c
        T1 979.32 ± 75.92 a267.59 ± 6.08 b13.22 ± 0.32 b3403.67 ± 44.90 b
        T2 1005.27 ± 84.94 a315.89 ± 7.95 a15.73 ± 0.97 a3620.67 ± 22.88 ab
        T3 1020.26 ± 41.88 a312.18 ± 7.36 a15.77 ± 0.31 a3509.67 ± 29.94 a
        注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
      • 图1可知,3个菌肥处理与CK1和CK2相比,均显著降低了MDA含量,显著增加了POD、SOD、CAT活性。其中与CK1相比,T1、T2、T3处理SOD活性分别增加35.15%、45.46%、46.82%,POD活性分别增加了88.73%、120.06%、108.73%,CAT活性分别增加了49.40%、84.15%、87.82%。T2和T3增加POD、SOD、CAT活性的效果又显著高于T1,表明连作土壤上施用哈茨木霉菌肥和草酸青霉A1菌肥提高抗氧化酶活性和降低MDA含量的效果好于圆弧青霉D12菌肥 。

        图  1  施用不同菌肥的平邑甜茶幼苗根系抗氧化酶活性及丙二醛含量

        Figure 1.  Effects of different biofertilizers on SOD,POD,CAT activities and MDA content in roots of Malus hupehensis Rehd. seedling

      • 表3可知,在真菌门水平上,对照组及各处理之间主要是由子囊菌门 (Ascomycota)、毛霉菌门 (Mucoromycota) 和担子菌门 (Basidiomycota) 组成;其中子囊菌门占主导地位,其在CK1、CK2、T1、T2、T3处理中分别占91.73%、87.22%、84.0%、72.61%、78.68%。

        表 3  不同菌肥处理下土壤门水平真菌群落的相对丰度 (%)

        Table 3.  Relative abundance of fungus community at the phylum level in soil applied with different biofertilizers

        处理Treatment子囊菌门Ascomycota毛霉菌门Mucoromycota担子菌门Basidiomycota其他Others
        CK191.73 ± 2.85 a4.48 ± 2.67 b3.57 ± 1.61 a0.22 ± 0.15 a
        CK287.22 ± 2.23 ab6.64 ± 1.63 b5.32 ± 0.64 a0.82 ± 0.44 a
        T1 84.00 ± 4.41 ab9.84 ± 1.72 b6.00 ± 2.79 a0.16 ± 0.06 a
        T2 72.61 ± 1.45 c22.72 ± 0.95 a4.50 ± 0.56 a0.17 ± 0.01 a
        T3 78.68 ± 1.01 bc17.65 ± 0.96 a3.50 ± 0.47 a0.18 ± 0.07 a
        注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.

        图2可知,对照组及各处理在真菌属水平上镰孢菌属 (Fusarium)、腐质霉属 (Humicola)、青霉菌属 (Penicillium)、未被确定的被孢霉属 (unclassified Mortierellaceae)、木霉属 (Trichoderma) 有较高的丰度;其中连作土对照 (CK1) 和载体基质 (CK2) 中镰孢菌属相对丰度所占比重较大。

        图  2  不同菌肥处理下土壤属水平真菌群落的相对丰度

        Figure 2.  Relative abundances of fungi at the genus level in soils applied with different biofertilizers

        表4可以看出,与CK1 相比,T1、T2、T3处理镰孢菌属相对丰度分别降低了41.14%、49.34%、79.10%,而青霉属和木霉属相对丰度分别增加了227.18%、222.91%、890.94%和76.55%、462.71%、213.56%;其中T3处理在抑制镰孢菌属相对丰度上表现突出。

        表 4  不同菌肥处理下主要土壤真菌群落在属水平的相对丰度 (%)

        Table 4.  Relative abundances of major fungal communities at the genus level in soils applied with different biofertilizers

        处理Treatment腐质霉属Humicola镰孢菌属Fusarium青霉菌属Penicillium木霉属Trichoderma
        CK114.31 ± 3.96 b25.16 ± 0.70 a1.88 ± 0.91 b1.18 ± 0.33 b
        CK234.50 ± 0.58 a23.95 ± 0.77 a4.69 ± 0.69 b2.80 ± 1.53 b
        T1 6.40 ± 0.53 c14.81 ± 2.32 b6.14 ± 0.27 b2.08 ± 0.22 b
        T2 4.75 ± 0.24 c12.75 ± 2.28 b6.06 ± 0.55 b6.64 ± 0.36 a
        T3 8.03 ± 0.71 c5.26 ± 0.26 c18.60 ± 3.71 a3.70 ± 0.51 b
        注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
      • Shannon指数可用来评估样本中微生物多样性,Shannon值越大,说明群落多样性越高;Chao、Ace指数在生态学中是样本微生物丰富度大小的表征;Coverage是指各样本文库的覆盖率大小,该指数反映本次测序结果的真实度和可靠度;Simpson指数用来估算样品中微生物的多样性,Simpson指数值越大,说明群落多样性越低[12]

        表5可知,与CK1和CK2相比,T1、T2、T3的Ace指数、Chao指数、Shan指数显著增加,而Simpson指数则显著降低。Cverage指数除T2与CK1差异显著外,其余处理间没有显著差异;3个菌肥处理,除Coverage指数有显著差异外,其余指数无显著差异。可见施用3种菌肥后,能够提高土壤真菌群落丰富度、多样性。

        表 5  不同菌肥处理土壤的真菌多样性

        Table 5.  Diversity of soil fungi under different biofertilizer treatments

        处理
        Treatment
        Ace指数
        Ace index
        Chao指数
        Chao index
        Shannon指数
        Shannon index
        Simpson指数
        Simpson index
        Coverage指数
        Coverage index
        CK1255.27 ± 8.47 b251.35 ± 6.59 b2.47 ± 0.10 d0.27 ± 0.03 a0.9990 ± 0.00 a
        CK2258.60 ± 8.41 b250.61 ± 7.61 b2.81 ± 0.08 c0.19 ± 0.03 b0.9974 ± 0.00 ab
        T1 299.88 ± 4.14 a311.52 ± 9.80 a3.47 ± 0.09 ab0.06 ± 0.01 c0.9986 ± 0.00 a
        T2 312.34 ± 7.46 a315.06 ± 12.13 a3.68 ± 0.04 a0.05 ± 0.00 c0.9966 ± 0.00 b
        T3 304.85 ± 3.91 a315.41 ± 6.64 a3.33 ± 0.05 ab0.07 ± 0.01 c0.9988 ± 0.00 a
        注(Note):CK1—连作土壤 Replanted orchard soil; CK2—载体基质 Fertilizer carrier; T1—施用圆弧青霉 D12 菌肥处理 Treatment with Penicillium cyclopium D12 fertilizer application; T2—施用哈茨木霉菌肥处理 Treatment with Trichoderma harzianum fertilizer application; T3—施用草酸青霉 A1 菌肥处理 Treatment with Penicillium oxalicum A1 fertilizer application; 同列数据后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments at the 0.05 level.
      • 根系呼吸作用不仅可释放能量满足植物各种生理活动需求,同时其中间产物为植物体其他组织器官的形成提供了重要的碳骨架,呼吸强度与植物的生长速率成高度的正相关[13]。呼吸代谢是根系中最基础也是最重要的生理代谢过程,可以表征根系的活力状况[14]。在本试验中发现,施用菌肥后与连作土对照相比,根系呼吸速率均得到一定程度的提高,根系鲜重增长幅度较为明显;同时,施用菌肥后使植株的根长、根表面积等有较大增长,促进了根系的生长发育,而强大的根系为植株的生长提供充足的营养物质,提高了植株抗逆能力。圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1作为拮抗真菌,在施入到土壤后,可能会直接作用于植株根系,在根系定殖,进而影响植株对矿物质营养的吸收利用,影响根际土壤环境,为植株根系生长发育创造良好的条件。有研究指出,经过霉处理的马铃薯 (Solanum tuberosum)、小麦 (Triticum aestivum)、烟草 (Nicotiana tabacum)、红萝卜 (Daucus carota)、菊花 (Dendranthema morifolium)、辣椒 (Capsicum frutescens) 和玉米 (Zea mays),其种子的萌发和植株生长均有不同程度的改善,具体表现为提高植物种子活力、发芽率、出苗率、幼苗根系活性、株高、植物干质量等[15]。陶波等[16]用一定浓度的青霉菌发酵液对大豆浸种和处理茎叶,大豆株高、根长、鲜重均明显提高,尤其对根鲜重促进率可达到56.2%。木霉具有较强的根际定殖能力,木霉与植物共生时,木霉菌株能够有效利用碳水化合物来增强根际定殖能力,通过穿透植物表皮定殖于植物根系[17-18]。可见,菌肥能够提高根系活力,促进植株根系生长。

        POD、SOD、CAT作为植物体内重要的保护酶,能够激活植物自身防御系统增强植物对病原菌或者其他逆境胁迫的抵抗能力;MDA是植物生物膜系统脂质过氧化常见的主要产物之一,是衡量膜系统受损程度的重要指标,通过它们的变化可以反映植物的抗逆性、膜脂过氧化强度和膜系统受损程度[15]。本试验中,施入菌肥后均提高了平邑甜茶幼苗根系内SOD、POD、CAT保护酶的活性,同时也使MDA积累量减少,草酸青霉A1菌肥处理可以显著地提高平邑甜茶幼苗根系的SOD、POD、CAT活性,抑制根系超氧化物自由基的积累,从而保护细胞免受损伤,这与张先富[19]研究结果一致。这说明菌肥中含有的拮抗真菌圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1对提高氧化酶活性和降低膜脂过氧化程度都起了重要作用。王淑霞等[20]用哈茨木霉处理黄瓜根部后,对组织中多酚氧化酶、过氧化物酶等防御酶进行了测定,发现黄瓜组织中防御酶活性均高于其他处理。Howell等[21]用生防菌株绿色木霉处理棉花种子后,发现绿色木霉能穿透并定殖在根表皮和外皮层组织,其过氧化物酶活性升高,萜类化合物积累。李奕松等[22]研究发现,在接种青霉菌的土壤里生长的毛桃和大久保桃的根、茎、叶中铅累积量均比未接种青霉菌的低,同时增加了桃树苗的株高、叶绿素含量、硝酸还原酶及超氧化物歧化酶活性,降低了叶片的细胞膜透性。由此可见,圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1能够提高平邑甜茶对逆境环境的抵抗能力,激活植物体内的防御系统,产生更多的抗氧化酶等物质;或者它们能够诱导植物产生某种抗性物质,减轻苹果连作障碍,但其具体作用机理还需进一步研究。

        诸多研究表明,长期连作后土壤中的有害真菌成为优势种群,并显著改变了原有微生物群落结构,使群落结构严重失衡[23-24]。真菌是土壤微生物生态的重要组成部分,对土壤功能和植物健康有重要作用[25-26]。所以,探究真菌群落结构的变化对防控连作障碍具有重要的意义。由本试验结果可知,对照组及各处理之间在真菌门水平上主要是由子囊菌门 (Ascomycota)、毛霉菌门 (Mucoromycota) 和担子菌门 (Basidiomycota) 组成,且子囊菌门占主导地位,这与Franke -Whittle等[27]和王功帅[28]的研究结果一致。在真菌属水平上,连作土壤中镰孢菌属所占比重较大,镰孢菌能够导致世界上100多种重要经济作物的枯萎病等病害[29]。虽然关于镰孢菌是苹果连作障碍致病因子存在着争议[30],但也有许多研究者认为苹果连作障碍与镰孢菌属存在一定关联,徐文凤[31]和刘志[32]分别从环渤海湾苹果产区的老苹果园以及连作苹果园土壤中分离到大量的尖孢、串珠、腐皮和层出镰孢菌,且发现其对苹果砧木平邑甜茶幼苗有强致病性。同时,本试验中施加菌肥后,镰孢菌属的相对丰度降低幅度较大,木霉通过与寄主病原菌的特异性相互作用,具有促进植物有益菌群生长和降低病原菌侵袭的作用[33]。草酸青霉A1菌肥在盆栽试验条件下能显著促进平邑甜茶幼苗的生长,且对连作土壤中有害真菌尖孢镰孢菌有很好的抑制作用[34]。试验前期研究发现,连作土壤中施加菌肥后对土壤微生物环境的影响较为显著,改变了原有苹果连作环境条件下的微生物体系结构[35]。说明圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1菌肥对镰孢菌有一定的抑制作用,且能够影响根系微生物环境、抑制病原菌活动;其中草酸青霉A1对镰孢菌抑制作用较为出色,青霉菌对尖孢镰孢菌在营养竞争、重寄生、抗生作用方面均有较明显的抑制作用[36],由此说明草酸青霉A1与镰孢菌可能存在多种反应,这需要在今后研究中进一步探讨。此外,与连作土对照处理相比,施加菌肥后Chao、Ace、Shannon指数增大,而Simpson指数减小。Chao1、Ace、Shannon指数越大,Simpson指数越小,说明样品的物种多样性越高[37]。真菌群落结构越稳定,多样性越高,对土传病害的抑制作用越好[38]。可见施加菌肥后可使土壤真菌多样性变高,较好的抵抗外界病原菌的入侵,为根系生长发育创造良好的环境条件。

        另外需要说明的是,本实验室前期从老龄果园土壤中筛选出圆弧青霉D12,并经过对引发苹果连作障碍的4种致病菌[31]进行平板对峙试验及室内盆栽试验,发现此菌株具有良好的拮抗效果。圆弧青霉D12依照《微生物肥料生物安全通用技术准则》(NY/T1109–2017),此菌株为禁用菌种。本试验设计旨在探究比较3种菌肥对苹果连作障碍的防控效果、筛选最优菌株,经试验测定得出此菌株菌肥效果较差且存在生物安全问题,故在以后生产试验中不再采用此菌株的菌肥产品。

      • 连作土壤中施加圆弧青霉D12、哈茨木霉、草酸青霉A1菌肥后,均能够提高根系保护酶活性,促进植株根系生长发育;同时,还能够降低土壤中镰孢菌丰度、抑制病原菌活性,改善根际微生物环境。通过对3种菌肥的施用效果和菌肥生物安全方面的比较可知,哈茨木霉与草酸青霉A1施用效果总体较好,且符合《微生物肥料生物安全通用技术准则》 (NY/T1109–2017) 要求,可作为防控苹果连作障碍的绿色有效措施。

    参考文献 (38)

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