全 文 ：嫁接对铜胁迫下黄瓜根际土壤微生物
特性和酶活性的影响*
张自坤1,2,3 摇 张摇 宇1 摇 黄治军1 摇 刘素慧1 摇 刘世琦1,2,3**
( 1 山东农业大学园艺科学与工程学院, 山东泰安 271018; 2 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018; 3 农业部园艺作
物生物学重点实验室, 山东泰安 271018)
摘摇 要摇 采用盆栽试验方法,研究了嫁接(以黑籽南瓜为砧木)对铜胁迫下黄瓜根际土壤微生
物生物量、微生物种群数量和土壤酶活性的影响. 结果表明: 铜胁迫下黄瓜根际土壤微生物
生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量显著下降,基础呼吸和代谢熵显著上升,但嫁
接黄瓜根际土壤 MBC和 MBN含量显著高于自根黄瓜,而基础呼吸和代谢熵则显著低于自根
黄瓜.铜胁迫下,根际土壤放线菌和自生固氮菌的数量显著下降,真菌数量显著上升,而细菌
数量变化不显著;嫁接黄瓜根系土壤细菌、放线菌、自生固氮菌的数量显著高于自根黄瓜,而
真菌数量显著低于自根黄瓜.嫁接黄瓜根际土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性在铜
胁迫下显著高于自根黄瓜.试验结果证明嫁接使铜胁迫下黄瓜根际土壤微生物环境和酶活性
得到了改善和提高,从而提高了黄瓜植株对铜胁迫的抵抗力.
关键词摇 嫁接摇 铜胁迫摇 根际摇 土壤微生物摇 土壤酶
文章编号摇 1001-9332(2010)09-2317-06摇 中图分类号摇 Q93;S62摇 文献标识码摇 A
Effects of grafting on cucumber rhizospheric soil microbial characteristics and enzyme activi鄄
ties under copper stress. ZHANG Zi鄄kun1,2,3, ZHANG Yu1, HUANG Zhi鄄jun1, LIU Su鄄hui1,
LIU Shi鄄qi1,2,3 ( 1College of Horticulture Science and Engineering, Shandong Agricultural University,
Tai爷an 271018, Shandong, China; 2State Key Laboratory of Crop Biology, Tai爷an 271018, Shan鄄
dong, China; 3Ministry of Agriculture Key Laboratory of Horticultural Crop Biology, Tai爷 an
271018, Shandong, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2010,21(9): 2317-2322.
Abstract: A pot experiment with cucumber ( taking Cucurbita ficifolia B. as the rootstock) was
conducted to study the effects of grafting on the microbial population, microbial biomass, and en鄄
zyme activities in rhizospheric soil under copper stress. Under the stress of copper, the microbial
biomass C and N in grafted and self鄄rooted cucumber rhizospheric soils all decreased significantly,
while the basal respiration and metabolic quotient were in adverse. In grafted cucumber rhizospheric
soil, the microbial biomass C and N were significantly higher than those in self鄄rooted cucumber rhi鄄
zospheric soil, whereas the basal respiration and metabolic quotient were significantly lower. Under
copper stress, the quantities of actinomyces and nitrogen鄄fixing bacteria in rhizospheric soils de鄄
creased and that of fungi increased significantly, whereas the quantity of bacteria had less change.
In grafted cucumber rhizospheric soil, the quantities of bacteria, actinomyces, and nitrogen鄄fixing
bacteria were significantly higher than those in self鄄rooted cucumber rhizospheric soil, but the quan鄄
tity of fungi was in opposite. The urease, phosphatase, sucrase, and catalase activities were signifi鄄
cantly higher in grafted than in self鄄rooted cucumber rhizospheric soil. All the results suggested that
grafting could mitigate the impact of copper stress on the microbial micro鄄environment and enzyme
activities in cucumber rhizospheric soil, and as a result, improve the adaptability of cucumber to
copper stress.
Key words: grafting; copper stress; rhizosphere; soil microorganism; soil enzyme.
*山东农业大学青年科技创新基金项目(23653)资助.
**通讯作者. E鄄mail: liusq99@ sdau. edu. cn
2010鄄02鄄03 收稿,2010鄄06鄄17 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 9 月摇 第 21 卷摇 第 9 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Sep. 2010,21(9): 2317-2322
摇 摇 Cu作为植物必需的微量养分之一,在植物的生
理代谢上起着重要的作用[1] . 但过量的 Cu 会导致
植物体的 Cu毒害,影响植物的正常生长,降低产品
的质量[2] .工业“三废冶的排放及城市生活垃圾、高
Cu杀菌剂、杀虫剂、化肥的使用引起了农田 Cu 累
积,而采用高 Cu饲料也使得高 Cu 畜粪等大量涌入
农田,导致温室土壤中 Cu 含量超标,污染环境且影
响温室蔬菜的品质和安全性[2] .
嫁接对作物有多方面的改良作用,如增强作物
的抗冷性[3]、抗高温性[4]、抵御含钙土壤中的铁黄
萎病[5]、增强吸收能力[6-7]、增加内源激素的合
成[7]、减少持久有机污染物的吸收[8]、提高作物的
抗盐能力[9]和水分利用效率[10]及产量[11]等. 但利
用抗性砧木提高蔬菜作物抗重金属毒害能力的研究
还不多见. Rouphael 等[12] 2008 年首次报道了嫁接
可以减轻铜胁迫对黄瓜的毒害作用.张自坤等[13]研
究发现,在铜胁迫下,以云南黑籽南瓜作砧木可以缓
解铜对黄瓜幼苗的毒害作用,使植株的细胞膜结构
和功能保持较好的完整性,叶片保持较高的净光合
速率,增强植株营养元素的吸收,整个植株处于较好
的营养状态.但还未有关于嫁接对铜胁迫下黄瓜根
际微生态影响的报道.
植物抗重金属毒害作用不仅仅局限于植物自身
体内的各种代谢调节过程,体外的根际环境对重金
属毒性也有重要的影响. 当植物的外部环境有大量
的金属积聚、可能对植物产生毒害时,根际环境中就
开始进行能动的生理反应,降低金属的有效性,减少
植物对金属的吸收,这种在体外建立起来的抗性作
用比在体内的抗性更为积极主动[14] .本试验通过比
较研究铜胁迫下嫁接黄瓜和自根黄瓜根际土壤微生
物活性的差别,为阐明嫁接提高黄瓜植株抗铜胁迫
能力机理提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验设计
供试土壤取自山东农业大学科技创新园区大田
土表层(0 ~ 20 cm),自然风干后过 100 目筛. 土壤
理化性质: pH 6郾 5,有机质 19郾 12 g·kg-1、全氮 1郾 02
g·kg-1、全磷 0郾 71 g·kg-1、全钾 8郾 10 g·kg-1、碱解
氮 72郾 25 mg·kg-1、速效磷 19郾 26 mg·kg-1、速效钾
75郾 55 mg·kg-1,Cu本底值为 20郾 85 mg·kg-1 .用直
径 30 cm、高 35 cm花盆装土 10 kg,以水溶液形式分
两次加入 CuSO4·5H2O,使土壤含铜量(以纯 Cu 计
算)分别为 1000 mg·kg-1,混合均匀,作为铜胁迫土
壤,以不加铜的作为对照,均衡放置 30 d用于试验.
试验于 2009 年春季在山东农业大学科技创新
园区内的日光温室进行. 黄瓜品种为‘新泰密刺爷,
砧木为云南‘黑籽南瓜爷.于 2009 年 3 月 17 日播种
黑籽南瓜,3 月 19 日播种黄瓜接穗,3 月 28 日以插
接法进行嫁接. 3 月 28 日播自根黄瓜,待嫁接与自
根黄瓜同时达 3 叶 1 心时(4 月 17 日),选取生长一
致的健壮黄瓜幼苗进行盆栽试验,每盆种植黄瓜 2
株.试验设 4 个处理:盆栽自根苗(U0)、盆栽自根苗
+Cu(U1)、盆栽嫁接苗(G0)、盆栽嫁接苗+Cu(G1).
每个处理 8 盆.
1郾 2摇 样品采集
盆栽 40 d 后采集黄瓜根际土壤.每个处理随机
选取 5 盆,作为 5 次重复.取 0 ~ 20 cm 土层中的根
系,轻轻抖动根际土壤(不包含明显的土粒,以满足
根际的要求),混匀,用灭菌的塑料袋包扎密封. 新
鲜土壤用于微生物生物量碳和氮、微生物基础呼吸
强度测定,一部分 4 益保存,用于有关微生物数量的
测定,一部分风干,过 1 mm 筛,用于测定土壤酶活
性.
1郾 3摇 测定项目与方法
1郾 3郾 1 土壤微生物生物量碳和氮摇 微生物生物量碳
和氮分别采用氯仿熏蒸提取滴定[15]和茚三酮比色
法[16]进行测定.
1郾 3郾 2 土壤基础呼吸摇 基础呼吸用碱液吸收滴定法
测定[17],即称取 25 g新鲜土样均匀地平铺于 500 ml
培养瓶底部,放入盛有 0郾 05 mol·L-1的 NaOH 溶液
的小塑料瓶,迅速将培养瓶加盖密封,于 28 益恒温
培养 24 h,取出后用 0郾 1 mol·L-1HCl 滴定.代谢熵
为土壤基础呼吸强度与土壤微生物量生物量 C 的
比值.
1郾 3郾 3 土壤微生物数量 摇 土壤可培养微生物数量
(colony forming units,cfu)测定采用稀释平板法. 细
菌、放线菌、真菌和自生固氮菌培养基分别采用牛肉
膏蛋白胨培养基、高氏 1 号培养基、马丁氏培养基和
阿须贝培养基[18] .
1郾 3郾 4 土壤酶活性的测定摇 参照关松荫[19]的方法,
采用靛酚蓝比色法测定脲酶活性,以 24 h 后 1 g 土
壤中 NH3 的毫克数表示;用邻苯三酚比色法测定多
酚氧化酶的活性,以 2 h后 1 g土壤中生成的紫色没
食子素的毫克数表示;用高锰酸钾滴定法测定过氧
化氢酶活性,其活性单位为0郾 1 mol·KMnO4 L-1·
g-1·20 min-1;用 3,5鄄二硝基水杨酸比色法测定蔗
糖酶活性,以 24 h 后生成葡萄糖的毫克数表示;用
8132 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
磷酸苯二钠法测定磷酸酶活性,以 24 h 后 1 g 土壤
中释放出酚的毫克数表示.
1郾 4摇 数据处理
采用 SAS软件Duncan多重比较法进行统计分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 嫁接对铜胁迫下黄瓜根际土壤微生物生物量
C、N的影响
由图 1 可以看出,在铜胁迫下,嫁接黄瓜(G1)
与自根黄瓜(U1)根际土壤微生物生物量 C、N 含量
显著低于相应的未胁迫处理 G0 和 U0,微生物生物
量 C分别下降了 7郾 2%和 25郾 3% ,微生物生物量 N
分别下降了 23郾 1%和 32郾 2% ;但 G1 处理微生物生
物量 C、N均显著高于 U1(P<0郾 05),分别比 U1 处理
高 31郾 4%和 24郾 5% ,表明在铜胁迫下,利用黑籽南
瓜嫁接可以提高黄瓜植株根际土壤微生物生物量
C、N的含量.
2郾 2摇 嫁接对铜胁迫下黄瓜根际土壤基础呼吸及代
谢熵影响
由图 1 可知,在铜胁迫下,G1 与 U1 处理根际土
壤基础呼吸显著高于相应的未胁迫处理 G0 和 U0
(P<0郾 05),基础呼吸分别升高了 22郾 7%和 53郾 4% ,
代谢熵分别升高了 32郾 2%和 105郾 1% ;G0 与 U0 相
比,基础呼吸和代谢熵差异不显著,但 G1 处理根际
土壤基础呼吸和代谢熵均显著低于 U1,分别比 U1
低 18郾 5%和 38郾 1% .
2郾 3摇 嫁接对铜胁迫下黄瓜根际土壤微生物种群数
量的影响
由表 1 可以看出,相比对照,自根处理和嫁接处
理根际土壤细菌数量在铜胁迫下无明显变化,但嫁
接处理显著提高了黄瓜根际土壤细菌的数量(P<
0郾 05), G1 处理根际土壤细菌的数量比 U1 高
4郾 6% .在铜胁迫下,放线菌和自生固氮菌的数量显
著下降,自根黄瓜植株根际土壤放线菌和自生固氮
菌的数量下降幅度分别为 15郾 8%和 25郾 2% ,而嫁接
植株的下降幅度分别为 8郾 9%和 13郾 8% ,远低于自
根植株的下降幅度. G1 处理根际土壤放线菌和自生
固氮菌的数量显著高于 U1,分别比 U1 高 36郾 4%和
23郾 3% .铜胁迫使根际土壤真菌的数量显著升高,自
根黄瓜植株与嫁接黄瓜植株根际土壤真菌的数量比
相应的未胁迫处理分别升高了 24郾 2%和 6郾 3% ,G0
处理与 U0 处理之间真菌数量差异不显著,而 G1 处
理真菌的数量则显著低于 U1 处理.
图 1摇 嫁接对铜胁迫下黄瓜根际土壤微生物生物量(碳和氮)、基础呼吸及代谢熵的影响
Fig. 1摇 Effects of grafting on rhizospheric soil microbial biomass C, N, basal respiration and metabolic quotient of cucumber under
copper stress.
U0:自根苗 Self鄄rooted seedling; U1:自根苗+Cu Self鄄rooted seedling+Cu; G0:嫁接苗 Grafted seedling; G:嫁接苗+Cu Grafted seedling+Cu. 不同字
母表示差异显著(P<0郾 05) Different letters meant significant difference at 0郾 05 level.
91329 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 张自坤等: 嫁接对铜胁迫下黄瓜根际土壤微生物特性和酶活性的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 1摇 嫁接对铜胁迫下黄瓜根际土壤微生物数量的影响
Tab. 1摇 Effects of grafting on rhizospheric soil microbial population of cucumber under copper stress
处 理
Treatment
细 菌
Bacteria (伊106 cfu·g-1)
放线菌
Actinomyces (伊106 cfu·g-1)
真 菌
Fungi (伊103 cfu·g-1)
自生固氮
N fixing bacteria (106 cfu·g-1)
U0 17郾 19依0郾 79b 1郾 96依0郾 11c 4郾 22依0郾 19c 21郾 15依2郾 24b
U1 17郾 16依1郾 15b 1郾 65依0郾 09d 5郾 24依0郾 35a 15郾 81依1郾 54d
G0 18郾 14依1郾 08a 2郾 47依0郾 12a 4郾 29依0郾 28c 22郾 61依2郾 31a
G1 17郾 95依0郾 85a 2郾 25依0郾 12b 4郾 56依0郾 21b 19郾 50依1郾 87c
U0:自根苗 Self鄄rooted seedling; U1:自根苗+Cu Self鄄rooted seedling+Cu; G0:嫁接苗 Grafted seedling; G:嫁接苗+Cu Grafted seedling+Cu. 同列数
据后不同字母表示差异显著(P<0郾 05) Different letters in the same column meant significant difference at 0郾 05 level. 下同 The same below.
表 2摇 嫁接对铜胁迫下黄瓜根际土壤酶活性的影响
Tab. 2摇 Effects of grafting on rhizospheric soil enzymes activities of cucumber under copper stress
处 理
Treatment
脲 酶
Urease
(mg NH3·g-1)
磷酸酶
Phosphatase
(mg phenol·g-1)
蔗糖酶
Sucrase
(mg·g-1)
过氧化氢酶
Catalase
(0郾 1 mol· KMnO4 L-1·
g-1·20 min-1)
多酚氧化酶
Polyhenoloxidase
(mg·g-1)
U0 2郾 56依0郾 21a 0郾 85依0郾 09a 7郾 24依0郾 57a 1郾 83依0郾 15a 1郾 11依0郾 11a
U1 1郾 81依0郾 12c 0郾 63依0郾 07c 4郾 54依0郾 43c 1郾 28依0郾 12c 1郾 12依0郾 11a
G0 2郾 62依0郾 24a 0郾 83依0郾 08a 7郾 35依0郾 53a 1郾 78依0郾 15a 1郾 14依0郾 12a
G1 2郾 28依0郾 20b 0郾 76依0郾 07b 6郾 23依0郾 49b 1郾 55依0郾 12b 1郾 13依0郾 12a
2郾 4摇 嫁接对铜胁迫下黄瓜根际土壤酶活性的影响
铜胁迫下自根与嫁接黄瓜植株根际土壤酶活性
的变化见表 2. 由表 2 可知,铜胁迫下,黄瓜根际土
壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶均显著低于未
胁迫处理(P<0郾 05),与 U0 相比,U1 4 种土壤酶活性
分别降低了 29郾 3% 、25郾 9% 、37郾 3%和 30郾 2% ;与 G0
相比,G1 4 种酶活性分别降低了 11郾 7% 、8郾 4% 、
15郾 2%和 12郾 9% .可见,4 种土壤酶活性对铜胁迫的
敏感性表现为:蔗糖酶>过氧化氢酶>脲酶>磷酸酶.
G1 处理脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性则
显著高于 U1,分别高 54郾 7% 、 20郾 6% 、 37郾 2% 和
21郾 1% .而多酚氧化酶活性在本试验所有处理中均
差异不显著.
3摇 讨摇 摇 论
植物生长发育过程中,根系作为植物和土壤的
重要界面,不仅是吸收和代谢器官,而且是强大的分
泌器官.根系分泌物是植物根系在生命活动中向外
界分泌的各种有机化合物.在根际微域环境中,不同
根系分泌物直接影响着根际微生物的数量和种群结
构[20] .植物根系分泌物中的一些有机酸可通过酸化
溶解及络合溶解作用直接促进土壤养分的释放,此
外,植物根系分泌物产生的固氮微生物抑制物质、酚
酸类化合物、萜类化合物及有机酸等通过对微生物
数量以及土壤酶活性的影响而间接影响到土壤养分
状况[21] .
土壤微生物生物量 C 是土壤微生物的综合性
指标之一.它不仅从总体上反映微生物受环境因子
影响的变化,还反映了微生物对环境作用的响应能
力,是土壤有机质库的活跃部分,指示着土壤总有机
质的状态与积累情况[22] .微生物生物量 N是指活的
微生物体内所含有的氮,是有机氮库中的活性部分.
它周转期短,是主要的可矿化氮源,对土壤氮素供应
和循环具有重要的意义[23] . 前人研究表明,重金属
污染会显著降低土壤微生物量[24] .本试验结果也表
明,在铜胁迫下,黄瓜根际土壤微生物生物量 C和 N
显著降低,但嫁接处理微生物生物量 C 和 N显著高
于自根处理.这可能是嫁接黄瓜提高抗铜胁迫能力
的原因之一.
土壤呼吸强度代表了土壤碳素的周转速率和微
生物的总体活性,与土壤环境质量密切相关,并能在
一定程度上揭示环境胁迫状况[25] .许多学者研究发
现,重金属胁迫下微生物代谢活动从生物合成转向
能量释放分解代谢过程,因而具有较高的基础呼吸
特性[26-27] .本试验结果与前人研究一致. Fliessbach
等[27]报道,在长期重金属污染土壤中,代谢熵明显
上升.本试验也得到相同的试验结果.其原因是重金
属胁迫时,土壤微生物生物量降低,微生物的生理功
能和代谢活动受到影响,微生物为了维持生存需要
消耗更多的能量,必须从维持生长和繁殖能量中分
流出一部分,去补偿因胁迫需要付出的额外能量,从
而导致更多的 CO2 释放,代谢熵升高[27] .
土壤中重金属的含量与微生物数量和活性密切
相关[24] .本试验结果表明,在铜胁迫下,放线菌和自
0232 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
生固氮菌的数量显著降低,真菌数量显著上升,细菌
数量变化不显著. 这与张彦等[24]的研究结果一致.
蔺姗姗等[28]研究表明,施香草醛、肉桂酸前后,嫁接
茄细菌和放线菌的数量均显著高于自根茄子,但嫁
接茄子真菌的数量却显著低于自根茄子. 本试验结
果显示,铜胁迫下嫁接黄瓜根际细菌、放线菌和自生
固氮菌的数量显著高于自根黄瓜,真菌数量显著低
于自根黄瓜.这说明嫁接黄瓜根际微生物受铜胁迫
影响较自根苗小,对铜胁迫耐受力强.
土壤酶主要来自微生物和植物根系分泌等途
径,此外还有土壤动物和植物残体的分解释放,各种
酶在土壤中的积累与土壤微生物及植物根系的生命
活动有关[29] .在重金属污染下,土壤酶活性发生很
大变化,这与重金属对酶的抑制作用有关,其作用机
理可能因酶分子中的活性部位———巯基和含咪唑的
配位结合,形成较稳定的络合物,或者可能由于重金
属抑制土壤微生物的生长和繁殖,减少体内酶的合
成和分泌,最后导致土壤酶活性下降,影响作物的生
长,同时植物的生长状况也能相应地影响作物根际
土壤酶的活性[30] .本试验结果显示,在铜胁迫下,黄
瓜根际土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性
显著降低,4 种酶对铜胁迫的敏感性表现为蔗糖酶>
过氧化氢酶>脲酶>磷酸酶,这与黄永杰等[30]研究结
果一致.蔺姗姗等[28]研究发现,嫁接茄子种植土壤
过氧化氢酶、多酚氧化酶、脲酶、蛋白酶和蔗糖酶的
活性均高于自根茄子种植土壤,过氧化物酶和磷酸
酶的活性是自根茄子高于嫁接茄子;而本试验研究
结果表明,铜胁迫下嫁接黄瓜根际土壤脲酶、磷酸
酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性均显著高于自根黄瓜.
两者多酚氧化酶活性差异不显著,这可能与种植的
作物不同有关.
综上所述,在铜胁迫下,由于嫁接黄瓜和自根黄
瓜处理影响到根际微生物总量,使嫁接黄瓜根际微
环境和土壤酶活性得到改善和提高,缓解了铜胁迫
给黄瓜根际土壤带来的影响,进而提高了黄瓜抵抗
铜胁迫的能力.
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作者简介 摇 张自坤,男,1979 年生,博士,讲师. 主要从事设
施蔬菜逆境生理生态研究,发表论文 12 篇. E鄄mail:zkzhang
@ sdau. edu. cn
责任编辑摇 肖摇 红
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