全 文 ：＊国家自然科学基金项目(No.30200036 ,40371069)、南京市科技局项目(20023024-04)、国家 973项目(001BC1089)资助
通讯作者 ,Tel:025-84396645;E-mail:ztzhong@njau.edu.cn
作者简介:杜寒春(1980～ ),女 ,广西北海人 ,硕士研究生 ,主要从事分子微生物学与生物固氮研究。 E-mail:duhanchuncn@yahoo.com
　收稿日期:2005-06-14;收到修改稿日期:2006-06-26
紫云英-小麦混作体系中氮素转移对小麦
生长的促进作用＊
杜寒春　郑会明　周　晶　曹　慧　沈　标　娄无忌　钟增涛
(南京农业大学生命科学学院 ,农业部农业环境微生物工程重点开放实验室 ,南京　210095)
EFFECT OF NITROGEN TRANSFERON GROWTH OF WHEAT IN MILKVETCH-WHEAT
MIXED CROPPING AFTER INOCULATION OF RHIZOBIUM
Du Hanchun　Zheng Huiming 　Zhou Jing　Cao Hui　Shen Biao 　LouWuji　Zhong Zengtao
(College of Life Science , Nanjing Agricultural University , Key Labof Microbiological Engineering of Agricultural Environment , Ministry of Agriculture , Nanjing　210095 , China)
关键词　　中慢生华癸根瘤菌;nodD 基因缺失菌株;小麦;氮素;PGPR
中图分类号　　S144.3　　　　　文献标识码　　A
　　关于根瘤菌与非豆科植物关系的研究近年来已
取得了一定的进展。已有的研究表明 ,在自然条件
下 ,根瘤菌能够在水稻及一些非豆科植物的根圈定殖
及固氮[ 1 ,2] ,具有植物根圈促生(PGPR)作用[3 ～ 5] ,能
促进植物根系有效地吸收土壤中的水分和养分 ,从而
促进植物的生长发育 ,同时对植物体其他生命活动进
行调控。还可以提高植物的抗逆性 ,减轻或抑制有害
的根际微生物 ,从而间接促进植物生长[ 6 ,7] 。
在禾本科与豆科植物混作体系中 ,接种根瘤菌
后 ,两者的生物量和植株总氮量均有提高[ 8 ～ 10] , 15N
同位素示踪技术表明这是因为体系中的豆科植物向
禾本科作物迁移氮素的原因[ 11 ,12] 。本研究在紫云
英与小麦混作体系中以中慢生华癸根瘤菌 Mh93 、敲
除 nodD 基因的菌株Mh93-27为供试菌株 ,比较研究
了Mh93和 Mh93-27对小麦植株生物量 ,小麦 、单位
植株总吸氮量的不同影响 ,进而分析了根瘤菌对小
麦的PGPR作用 ,以及根瘤菌结瘤固氮并向禾本科
作物转移后对小麦生长的影响 。
1　材料与方法
1.1　供试菌株与培养条件
中慢生华癸根瘤菌野生菌株 Mesorhizobium 93;
nodD 基因缺失菌株 Mh93-27。前者由本实验室保
存 ,后者由本研究构建。根瘤菌用 TY培养基 , 28℃
培养 。
1.2　供试土壤和植物
供试土壤为采自江苏省如皋市的淡色潮湿雏形
土(M2.4),土壤基本性状为:pH8.1 , 有机质含量
6.45 g kg-1 , 全氮含量 0.12 g kg-1 , 全磷含量
0.25 g kg-1 ,速效氮含量 36.47 mg kg-1 ,速效磷含量
6.29 mg kg-1 。供试紫云英和小麦品种分别为闽紫
1号和扬麦 158(半春性品种)。
1.3　实验设计
试验在南京农业大学温室内进行。土壤磨碎 、
过筛(<2 mm)后 ,按每盆 2.2 kg 土装盆 。种植前 ,
氮 、钾和磷分别按 28 、57.5和 46.5 mg kg-1的量一次
性施加尿素和 KH2PO4为基肥 ,另外每钵均加入 1 ml
的Gibson微量元素液。将紫云英和小麦种子分别
进行种子表面消毒 ,表面灭菌后的紫云英种子平铺
于培养皿中倒置于 28℃培养箱催芽 ,小麦种子则放
于 4℃冰箱进行春化处理。催芽后的紫云英种子分
别接种Mh93和Mh93-27 ,播种 。
实验设 4个处理 ,分别为:Ⅰ.小麦单作(每盆
各 6株);Ⅱ.小麦与紫云英(加与接种菌液等量培
养基)混作(每盆各 3株);Ⅲ.小麦与紫云英(接种
第 43卷 第6 期 土　壤　学　报 Vol.43 , No.6
2006年 11 月 ACTA PEDOLOGICA SINICA 　Nov., 2006
nodD
-菌株Mh93-27)混作(每盆各 3株);Ⅳ.小麦
与紫云英(接种野生菌株Mh93)混作(每盆各 3株)。
每个处理设3个重复 ,3次采样 ,共 9盆 , 4个处理共
计36盆。分别于小麦拔节期 、孕穗期和收获期采集
植株和土壤样品分析测定 。
1.4　分析测试
1.4.1 　根体积　　采用排水法测定。将收获的根
系用自来水冲洗干净后用吸水纸吸干 ,再置于量筒
中测定其体积。
1.4.2 　单位植株总吸氮量　　植株分为地上部 、
地下部和麦穗(收获期)分别收获后 , 样品经过
105℃杀青 0.5 h , 60℃烘干后采用半微量凯氏定氮
法进行测定[ 13] 。
2　结果与分析
2.1　氮素转移对小麦地上部生物量及单位植株总
吸氮量的影响
　　结果表明(图 1),在小麦的全生长期中 ,混作时
其地上部生物量及单位植株总吸氮量均明显高于单
作(p <0.05),说明与豆科植物混作能有效促进小麦
生长。在紫云英-小麦混作体系中 ,无论接种菌株
Mh93-27还是接种野生菌株 Mh93 ,小麦的生物量及
单位植株总吸氮量均较不接种的高 ,表明混作体系
中接种根瘤菌能有效促进小麦生长。其中 ,菌株
Mh93-27虽能促进小麦的生长 ,但只有在孕穗期时 ,
处理 Ⅲ的单位植株总吸氮量才显著高于处理 Ⅱ的
(p <0.05),菌株 Mh93在小麦整个生长期均有显著
促生作用(p <0.05)。这可能是因为根瘤菌的代谢
作用在小麦根际积累养分产生的促生作用。结果表
明了混作体系中接种根瘤菌的紫云英促进小麦生长
主要是豆科作物向非豆科作物的氮素转移 ,以及根
圈促生的作用 。
2.2　氮素转移对小麦根体积 、根部生物量及单位根
系总吸氮量的影响
与小麦地上部分的变化趋势相同 ,在各生长期
中 ,单作体系的根体积 、根部生物量及单位根系总吸
氮量均低于混作体系 ,混作接种体系则高于不接种
的(图 2 ,图 3)。方差分析表明 , 接种 nodD 菌株
Mh93-27后 ,小麦的根体积 、根部生物量与不接种的
相比均无显著差异(p>0.05),而根部单位根系总吸
氮量在拔节期和孕穗期时达到显著差异水平(p <
0.05),说明根瘤菌的 PGPR作用能在一定程度上促
进小麦对氮素的吸收 ,有利于提高麦穗的品质。而
根部单位根系总吸氮量在孕穗期时差异更明显同样
是因为这一时期小麦内生根瘤菌自生固氮的效率相
对较高 ,为小麦生长提供了一定量的氮素。接种野
生菌株Mh93后 ,在小麦的整个生长期 ,其三项指标
与不接种的相比均存在显著性差异(p <0.05)。结
果表明 ,根瘤菌的 PGPR作用有利于小麦根系的生
长 ,但是体系中存在氮素转移作用后对小麦根系生
长的影响更大 。
2.3　氮素转移对麦粒干重及单位籽粒总吸氮量的影响
表 1结果表明 ,无论是麦粒干重还是单位籽粒
总吸氮量 ,混作体系明显高于单作体系 ,表明豆科-
禾本科作物混作有利于提高禾本科作物的产量 。分
别接种突变菌株和野生根瘤菌菌株后 ,混作体系的
麦粒干重及单位籽粒总吸氮量均得到了提高 ,但接
种野生菌株的效果最为明显 ,与前三种处理对比均
达到了显著性差异水平 ,充分说明了混作体系接种
根瘤菌有利于改善小麦的品质 ,豆科作物向禾本科
作物转移的氮素对这一效果有明显的促进作用 。
Ⅰ :小麦单作;Ⅱ:小麦紫云英与紫云英混作不接种;Ⅲ:小麦紫云英与紫云英混作接种 nodD-菌株 Mh93-27;
Ⅳ:小麦紫云英与紫云英混作接种野生菌株 Mh93
图 1　小麦各生育期中地上部生物量(a)及单位植株总吸氮量(b)变化
1044　 　土　　壤　　学　　报 43卷
Ⅰ :小麦单作;Ⅱ:小麦紫云英与紫云英混作不接种;Ⅲ:小麦紫云英与紫云英混作接种 nodD-菌株 Mh93-27;
Ⅳ:小麦紫云英与紫云英混作接种野生菌株 Mh93
图 2　小麦各生长期中根部生物量(a)及单位根系总吸氮量(b)变化
Ⅰ :小麦单作;Ⅱ:小麦紫云英与紫云英混作不接种;
Ⅲ:小麦紫云英与紫云英混作接种 nodD-菌株 Mh93-27;
Ⅳ:小麦紫云英与紫云英混作接种野生菌株Mh93
图 3　小麦各生长期根体积
表 1　收获期麦粒的干重及单位籽粒总吸氮量
处理代号 麦粒干重(g plant -1) 单位籽粒总吸氮量(mg plant-1)
Ⅰ 0.523±0.096a 12.15±0.47a
Ⅱ 0.711±0.031b 22.70±0.04b
Ⅲ 0.807±0.025c 24.18±0.02b
Ⅳ 0.900±0.033d 28.35±0.05c
　　Ⅰ :小麦单作;Ⅱ:小麦紫云英与紫云英混作不接种;Ⅲ:小麦紫
云英与紫云英混作接种 nodD -菌株 Mh93-27;Ⅳ:小麦紫云英与紫云
英混作接种野生菌株 Mh93。同一行中不同小写英文字母表示差异
达到 5%的显著水平
3　结论与讨论
接种根瘤菌的豆科植物与禾本科植物混作体系
中存在氮素的转移现象 , 近年来这一结果已被利
用15N 同位素示踪技术测定的结果所证实 。根瘤菌
与豆科作物的共生结瘤作用是由结瘤调节基因
nodD 正控制的 , nodD 基因的突变将导致根瘤菌不
能结瘤。本研究通过温室盆栽实验 , 发现敲除了
nodD 基因的Mh93菌株虽然失去了在紫云英上的结
瘤固氮能力 ,但在豆科-禾本科混作体系中 ,接种紫
云英后仍能促进小麦的生长 。本研究中小麦根系不
结瘤 ,突变菌株能在小麦根圈定殖及 PGPR的作用 ,
但是效果没有接种野生菌株的好。可以推测 ,根瘤
菌能够在豆科作物上结瘤固定氮素并向禾本科作物
转移才是提高禾本科作物产量的主要因素 。已有研
究结果显示 ,非豆科作物的吸氮量中来自豆科作物
的比例为 0 ～ 70%。尽管变化范围较大 ,但是多数
测定结果不足 N 40 kg hm-2 ,占非豆科作物全氮的
30%[ 14] 。本研究结果表明 ,混作接种体系明显地提
高了小麦的生物量和单位植株总吸氮量 ,显示了由
豆科作物向禾本科作物转移的氮素对提高小麦产量
及品质的改善影响显著 ,充分说明了氮素的转移对
提高非豆科作物特别是粮食作物产量的重要作用。
根瘤菌对小麦及根圈的作用如何 ,怎样促进小麦的
生长 ,仍有待于深入研究。因此进一步了解根瘤菌
与禾本科作物之间的相互作用关系 ,可为分发挥根
瘤菌固氮这一生物资源的潜力 ,特别是提高粮食作
物产量的潜力提供理论依据和技术途径。
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