全 文 ：文章编号 :100028551 (2000) 0420246205
联合固氮工程菌诱导水稻耐盐性效应研究
严建民1 ,3 　林　敏2 　翟虎渠1 　虞秋成3 　张荣铣1 　张红生1
(11 南京农业大学水稻研究所 ,江苏 南京　210095 ; 21 中国农业科学院原子能利用研究所 ,北京　100094 ;
31 江苏省农业科学院原子农业利用研究所 ,江苏 南京　210014)
摘 　要 :在盐碱地和盆栽控盐条件下 ,研究了联合固氮工程菌对水稻耐盐性的诱导效
应。结果表明 ,在盐渍条件下 ,联合固氮工程菌能减轻水稻植株的盐害 ,增强水稻叶
片超氧化物歧化酶活性 ,减少丙二醛的生成 ,能有效提高水稻叶片的光合效率和水稻
产量。为联合固氮菌的合理使用及其对水稻耐盐性的改善提供理论依据。
关键词 :联合固氮工程菌 ;水稻 ;耐盐性 ;超氧化物歧化酶 ;丙二醛
收稿日期 :1998212211
基金项目 :国家高技术“863”项目 (101203204201) ,农业部“948”项目。
作者简介 :严建民 (1963 —) ,男 ,江苏人 ,博士 ,江苏省农业科学院原子能利用所副所长 ,从事同位素示踪技术在农作物
育种中的应用研究
水稻逆境会抑制水稻的光合作用 ,影响水稻的正常生长[1 ] 。盐渍逆境使水稻植株生长缓
慢、矮小、衰老早 ,抑制植株叶绿体形成[10 ] ,并产生单盐过量毒害 ,极大地限制了许多优良水稻
品种的产量潜力[2 ] 。由于水稻属盐敏感作物 ,其耐盐遗传资源匮乏[3 ] ,因此 ,发掘改善水稻耐
盐性的技术方法具有重要的意义。
联合固氮菌有明显的固氮和促进植株生长的作用[4 ,9 ,11 ] ,由于水稻产量和肥水管理技术
水平的提高 ,联合固氮菌的增产效果有时不显现[3 ] 。但在肥水条件较差 ,产量水平不高的条
件下 ,固氮菌增产效应的成功实例已有不少报道[5 ,6 ] 。联合固氮菌在逆境条件下对水稻产量
提高和抗逆性改善已引起人们的注意[7 ,12 ] 。本研究在盐害逆境条件下探索联合固氮工程菌
对水稻耐盐性的诱导效应 ,旨在为联合固氮工程菌的有效使用和水稻抗逆性的改善提供理论
依据。
1 　材料和方法
111 　试验材料
供试菌种为粪产碱菌重组工程菌株 (AC1541) ,该菌株的构建系将目的基因固氮正调节基
因 nifA、氮代谢调节基因 ntrC 基因以及具有专一性 mob 片段和 Tn5 转座序列接合经转移载
体 PSZ21 导入受体固氮粪产碱菌中 ,由中国农业科学院原子能利用研究所采用基因重组的方
法研制。
供试水稻品种为江苏省粳稻当家品种武育粳 3 号 ,由江苏省武进农科所选育。
642 　核 农 学 报　2000 ,14 (4) :246～250Acta A gricult urae N ucleatae Sinica
112 　试验处理
大田试验在江苏省滨海县典型的盐碱地上进行。土壤全盐含量达 5186 ±1178 g/ kg。小
区面积 20m2 ,重复 4 次 ,随机排列。株行距 20cm ×25cm。移载时进行液体菌剂浸秧 ,分蘖期
时追施固体菌剂。按常规方法栽培管理。收获时测定单株产量性状和小区产量。
盆载试验土壤为南京粘质土 ,全盐含量为 0158 g/ kg ,每盆 (25cm ×30cm) 装土 15kg ,插秧
3 穴 ,每穴 2 苗。在试验用土中加入一定量的 NaCl ,作为土壤盐渍处理 I (土壤全盐含量为 315
g/ kg 和处理 Ⅱ(土壤全盐含量为 610 g/ kg) 。试验设接种处理和不接种对照 ,试验重复 4 次。
于抽穗期测定主茎叶片光合效率、超氧化物歧化酶 (SOD)活性和丙二醛 (MDA)含量。
113 　测定方法
用 L I26200 携便式光合仪测定连体叶片 CO2 气体交换 ,得出光合效率用μmol CO2/ m2·s
表示。超氧化物歧化酶 ( SOD) 活性按 Stewart 和 Bewley[13 ] 的方法测定 ,以抑制氮蓝四唑
(NB T)光化还原 50 %作为一个酶单位。丙二醛 (MDA) 含量按 Heath 和 Par Ken[14 ]的硫代巴
比妥酸 ( TBA)反应方法测定 ,用μmol/ gFW 表示。
2 　结果分析
211 　联合固氮工程菌对水稻叶片光合速率的影响
盐渍逆境明显降低了水稻剑叶的光合速率 ,抽穗时盐渍处理 Ⅰ的光合速率为对照的
7817 % ,盐渍处理 Ⅱ的仅为对照的 5014 %。接种联合固氮工程菌后 ,明显提高了水稻剑叶光
合速率 ,且盐渍处理的剑叶叶片光合速率降低的程度明显减少 ,盐渍处理 Ⅰ的光合速率为对照
的 9013 % ,盐渍处理 Ⅱ为 7011 %(表 1) 。
抽穗后 30d 时 ,接种固氮菌的剑叶光合速率分别是未接种的 115 倍 (盐渍 Ⅰ)和 217 倍 (盐
渍 Ⅱ) ,倒 5 叶分别为 215 倍和 311 倍。说明在盐渍逆境下施用固氮工程菌能明显减缓叶片衰
老 ,增加植株的光合能力。
从剑叶和倒 5 叶的光合速率变化可以看出 ,盐渍对水稻下部叶片 (倒 5 叶) 光合速率的影
响比上部叶片 (剑叶)大。抽穗后 30d 对照的倒 5 叶的光合速率为剑叶的 5414 % ,盐渍 Ⅰ和 Ⅱ
处理则分别为 2510 %和 3618 %。而在接种联合固氮工程菌的盐渍 Ⅰ和 Ⅱ处理 ,倒 5 叶在抽穗
后 30d 的光合速率均达到剑叶的 4010 %左右。说明联合固氮菌能明显提高下部叶片的光合
速率 ,降低盐渍的危害。
212 　联合固氮工程菌对水稻叶片 MDA 含量和 SOD 活性的影响
丙二醛 (MDA)是生物膜系统受损产生的脂质过氧化产物之一 ,是逆境生理的一个重要指
标。本试验对 MDA 积累的动态变化研究表明 ,非盐渍处理的 MDA 含量表现平稳 ,接种比不
接种的处理略低 (图 1) 。
盐渍处理明显促进了脂质过氧化产物的生成 ,且随着盐渍处理程度的加大 ,MDA 含量有
显著增加的趋势。接种固氮菌能明显抑制 MDA 的生成。在抽穗初期 ,固氮菌抑制 MDA 的作
用稍小 ,随着时间的延长 ,这种抑制作用有增大的趋势 ,至抽穗后 30d ,接种固氮处理叶片的
MDA 含量降低到未接种处理的 71 %(盐渍 Ⅰ)和 65 %(盐渍 Ⅱ) 。说明联合固氮菌有明显的降
低叶片 MDA 含量、减少质膜伤害和缓解水稻盐渍逆境的能力。
742　4 期 联合固氮工程菌诱导水稻耐盐性效应研究
表 1 　联合固氮工程菌对水稻叶片光合速率的影响
Table 1 　Effects of engineered diazotrophs on photosynthetic rate in rice leaves
项目
item
对照 CK
抽穗时
heading day
抽穗后 30d
30days after
heading
盐渍Ⅰ　salt Ⅰ　
抽穗时　
heading day 　
抽穗后 30d
30days after
heading
盐渍Ⅱ　salt Ⅱ　
抽穗时　
heading day 　
抽穗后 30d
30days after
heading
未接种
No
inoculated
接种
inoculated
剑叶
lst leaf 2216 ±2102 1518 ±2132 1718 ±0189 916 ±1130 1114 ±1142 318 ±0188
倒 5 叶
5th leaf 1415 ±1186 816 ±1159 1016 ±1143 214 ±0156 816 ±1133 114 ±0156
剑叶
lst leaf 2618 ±1134 2015 ±2116 2412 ±2141 1416 ±0132 1818 ±2181 10141 ±1158
倒 5 叶
5th leaf 1614 ±1112 1019 ±1158 1516 ±3110 519 ±1118 1319 ±1114 413 ±0180
超氧化物歧化酶 (SOD)能消除和缓解植株细胞膜系统的逆境伤害。在逆境条件下 ,其活
性高低是植株自身保护能力的重要评价指标。本研究结果表明 ,随着盐害逆境程度的增加
SOD 活性降低 (图 2) 。
图 1 　不同盐渍条件下固氮工程菌对
水稻叶片 MDA 含量的效应
Fig. 1 　Effects of engineered diazotrophs
on MDA content in rice leaves under
differnt salt st ress
图 2 　不同盐渍条件下固氮工程菌对
水稻叶片 SOD 活性的效应
Fig. 2 　Effects of engineered diazotrophs
on SOD ativity in rice leaves under
different salt st ress
　　接种固氮菌明显诱导了水稻叶片中 SOD 活性的增加 ,在盐渍处理 Ⅰ中 ,抽穗时接种菌的
SOD 活性比未接种的增加了 12 % ,至抽穗后 30d ,SOD 活性增加了 75 %。在盐渍处理 Ⅱ中 ,接
种菌的 SOD 活性比未接种的分别增加了 15 %(抽穗时) 和 166 %(抽穗后 30d) ,说明联合固氮
842 核　农　学　报 14 卷
菌在盐渍逆境下有明显的 SOD 活性诱导作用及提高水稻耐盐性的能力。
213 　联合固氮工程菌对水稻产量效应
水稻联合固氮菌能明显促进盐渍土壤上的水稻生长 ,使水稻分蘖发生早、有效分蘖增加、
茎秆粗壮、后期绿叶片数多、单株生物学产量明显增加、增产效果显著 (表 2) 。
表 2 　水稻联合固氮工程菌对水稻产量的影响
Table 2 　Effects of engineered diazotrophs on rice yield in salinized soil 　(kg/ 20m2)
处理
treatment
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 平均
mean
处理/ 对照×100
treatment/ CK×100
对照 + 100 %氮肥
CK + 100 %N 14. 12 11. 56 11. 44 13. 48 12. 65 100100
工程菌 + 100 %氮肥
diazotrophs + 100 %N 15. 65 14. 22 14. 96 14. 60 14. 86 117. 47
工程菌 + 90 %氮肥
diazotrophs + 90 %N 13. 60 15. 36 14. 51 13. 93 14. 35 113. 44
工程菌 + 80 %氮肥
diazotrphs + 80 %N 13. 94 12. 82 12. 55 13. 72 13. 26 104. 82
在正常施肥条件下 ,固氮工程菌平均增产幅度达 17 %。在减少氮肥使用量的情况下亦有
一定的增产效果 ,即使在 80 %的氮肥使用量条件下 ,工程菌也比正常施肥的对照处理增产 4 %
左右。因此 ,固氮菌能提高水稻对盐碱逆境的适应能力 ,具有增产节肥的双功效。
3 　讨 　论
盐害的主要屏障是细胞膜[10 ] 。在盐胁迫下 ,保持膜结构的功能和完整性 ,是植物耐盐性
的关键[8 ,10 ] 。从本试验的结果可以看出 ,盐害显著促进了水稻叶片丙二醛的生成 ,且盐渍程
度愈大 ,丙二醛含量愈高 ,细胞膜脂质过氧化的程度愈大。接种联合固氮工程菌能有效抑制植
株体内丙二醛的生成。同时在盐渍条件下 ,联合固氮工程菌还能诱导水稻叶片内过氧化物歧
化酶活性的提高 ,从而降低盐渍逆境对水稻生长的伤害。迄今为止 ,尚未见到联合固氮菌在盐
渍条件下有抑制细胞膜脂质过氧化伤害和提高水稻耐盐性作用的报道。
提高水稻对逆境的适应能力 ,是目前水稻高产育种和栽培的主攻目标之一。我们最近对
全国超高产水稻展示品种适应性的研究表明 ,大多数超高产水稻品种对逆境的适应能力比常
规水稻杂交稻汕优 63 差 ,导致产量的不稳定性 (另文发表) 。本试验结果表明 ,使用联合固氮
工程菌能有效提高水稻品种的耐盐性 ,这说明采取一定的技术措施 ,可以改善和提高水稻对逆
境的适应能力 ,达到水稻高产稳产的目的。
联合固氮菌可诱导宿主植物增加植株含氮量[4 ] ,增强根系对矿物质的吸收利用能力 ,提
高植株的抗病性[7 ] 。本试验结果表明 ,联合固氮菌对水稻耐盐性改善和盐渍条件下水稻产量
及光合性能的提高也有一定的诱导效应 ,说明联合固氮菌对植物能产生诸多有益的效果。合
理和有效使用联合固氮菌 ,阐明联合固氮菌这些功效的作用机理值得进一步探讨 ,这也将是我
们下一步的研究重点。
942　4 期 联合固氮工程菌诱导水稻耐盐性效应研究
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EFFECTS OF ENGINEERED DIAZOTROPHS( Alcaligenes f aecalis)
ON SALT TOL ERANCE OF RICE
YAN Jian2min1 ,3 　L IN Min2 　ZHAI Hu2qu1 　YU Qiu2cheng3
ZHAN G Rong2xian1 　ZHAN G Hong2sheng1
(11 Instit ute of Rice Reseach , Nanjing A gricult ural U niversity , Nanjing , Jiangsu prov . 　210095 ;
21 Instit ute f or A pplication of A tomic Energy , Chinese Academy of A gricult ural Sciences , Beiji ng , 100094 ;
31 Instit ute of A pplication of A tomic Energy in A gricult ure , Jiangsu Academy of
A gricult ural sciences , Nanjing , Jiangsu prov 　210014)
ABSTRACT :Effects of engineered diazotrophs( Alcal ing enes faecal is) on salt tolerance of rice in
f ield and pot were studied. The results indicated that engineered diazotrophs increased SOD ac2
tivity and photosynthetic rate and decreased MDA content of rice leaves under salt stress. The
yield of rice in sal inized f ield was promoted over 17 % when inoculated with engineered dea2
zotrophs. The basic theory on improvement of salt tolerance in rice by using engineered dia2
zotrophs is also presented in this paper.
Key words :engineered diazotrophs ; rice ; salt tolerance ; SOD ; MDA
052 Acta Agriculturae Nucleatae Sinica
2000 ,14 (4) :246～250