全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2016, 52 (3): 285–292　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0615 285
收稿 2015-11-18　　修定 2016-01-30
资助 国家自然科学基金项目(31222053和31172256)和中央高校
基本科研业务费项目(lzujbky-2014-m01和lzujbky-2015-194)。
* 通讯作者(E-mail: jlzhang@lzu.edu.cn)。
枯草芽孢杆菌GB03与保水剂互作对小花碱茅生长和耐盐性的影响
牛舒琪1, 何傲蕾1, 丁新宇1, 韩庆庆1, 杨浩2, 吕昕培1, 赵祺1, 冯玉兰1, 张金林1,*
1兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室草地农业科技学院, 兰州730020; 2珠海农神生物科技有限公司, 广东珠海
519040
摘要: 本文将枯草芽孢杆菌菌株GB03和保水剂结合在一起, 研究其对盐生牧草小花碱茅生长和耐盐性的促进作用。结果
发现, 在正常条件下, 添加保水剂和GB03的幼苗比对照地上部干重增加53.5%, Na+含量降低56.7%, K+含量增加64.3%, K+/
Na+提高157.5%; 比单独添加GB03的幼苗地上部干重增加116.8%, Na+含量降低49.2%, K+含量增加119.1%, K+/Na+提高2.3
倍。在400 mmol·mL-1 NaCl盐胁迫下, 添加保水剂和GB03的幼苗比对照地上部Na+含量降低19.6%, K+含量增加119.6%, K+/
Na+提高162.7%, 渗透势降低44.7%; 比单独添加GB03幼苗地上部K+增加107.4%, K+/Na+提高120.7%, 渗透势降低10.2%。
结果表明, 保水剂与枯草芽孢杆菌GB03结合能显著促进正常条件和盐逆境下小花碱茅的生长, 显著降低地上部Na+含量,
增加K+含量, 提高K+/Na+, 并降低了叶片渗透势, 从而有利于小花碱茅幼苗适应盐逆境。
关键词: 小花碱茅; 枯草芽孢杆菌; 保水剂; 促生作用; 耐盐性
随着生态环境不断恶化和土地的不合理利用,
土壤盐碱化不断加深扩大, 威胁着人类赖以生存
的土地资源, 引起世界范围内作物大面积减产, 土
壤盐碱化治理已成为21世纪世界农业最重要的问
题之一(Flowers 1999; Tester和Daveport 2003;
Zhang等2010a; Zhang和Shi 2013)。因此, 研究植物
的耐盐性对改良和利用盐渍化土地和农业生产都
具有重要意义。目前生物改良盐碱地已被广泛应
用, 通过生物途径使植物充分适宜盐渍环境, 从而
提高植物在盐渍土壤上的生产力是近年来国内外
盐渍土改良的新方向(贺学礼等2005)。降低盐对
植物的毒害或提高植物的耐盐胁迫能力是盐渍土
生物改良中的核心问题, 目前利用微生物提高植
物的耐盐能力已成为农业研究中的一个热点。
枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)是芽孢杆菌属
的一类分布广泛的细菌, 可以产生内生芽孢, 具有
耐热抗逆性强, 对人畜无毒无害, 不污染环境, 环
境兼容性好等优点(曹春霞2011; 王晓阁2012)。枯
草芽孢杆菌作为植物根际有益微生物, 可通过分
泌激素类物质、多种酶和抗菌类物质促进植物根
系及植株生长(姜莉莉2009; 黄曦等2010), 增强植
物的抗病、抗干旱、抗盐碱等逆境的能力, 从而
改善植株生长发育(Stein等2002; 张霞等2007; 王晓
阁2012; 韩庆庆等2014; Han等2014; Zhang等2014;
Wu等2015)。保水剂(water retaining agent)作为一
种化学抗旱节水材料, 在农业生产中已得到广泛
的应用。保水剂不仅能在短时间内吸收自身质量
几百倍甚至几千倍的水并具有良好的保水性, 而
且能缓慢释放水, 使植物可吸收利用, 同时也可吸
附土壤中的无机离子和养分(尤晶等2012)。保水
剂能增强土壤保水性, 改良土壤结构, 减少土壤水
分养分流失, 提高水肥利用率(黄占斌等2003; 陈宝
玉2003; 庄文化等2007)。
小花碱茅是一种典型的多年生拒盐型禾本科
碱茅属的盐生草本植物, 广泛分布在我国北方地
区, 是一种重要的优良牧草, 根系发达, 最大的特点
是具有较强的耐盐碱能力, 也是改良盐渍化土壤的
极佳物种, 近年来对盐生牧草小花碱茅生长及耐盐
机制等方面研究较多(阉秀峰和孙国荣1994; Wang
等2004, 2009; Guo等2012; 李剑等2012, 2013)
综上所述, 关于土壤有益细菌枯草芽孢杆菌与
植物互作方面的研究仅见模式植物和农作物, 将枯
草芽孢杆菌和保水剂结合在一起对作物抗逆性方面
的研究鲜见报道。本文将枯草芽孢杆菌和保水剂结
合在一起, 研究其对盐生牧草小花碱茅生长和耐盐
性的促进作用, 研究结果将对改良和利用盐渍化土
地提供一条全新的途径, 具有广阔的应用前景。
材料与方法
1 试验材料
枯草芽孢杆菌GB03菌株由美国德州理工大
学(Texas Tech University) Paul W. Paré教授提供, 小
植物生理学报286
花碱茅[Puccinellia tenuiflora (Griseb.) Scribn. et
Merr.]种子采自甘肃省张掖市临泽县。本文采用
的保水剂为丙烯酸/丙烯酸钾/聚乙二醇二丙烯酸
酯交联形成的高分子吸水树脂, 由珠海农神生物
科技有限公司提供。
2 枯草芽孢杆菌GB03菌液的制备及处理
按照5 g∙L-1 NaCl、10 g∙L-1胰蛋白胨和5 g∙L-1
酵母粉的比例配制LB液体培养基, 用标准型pH计
(PB-10, 北京赛多利斯)将pH调到7.2, 使用立式压
力蒸汽灭菌锅(LDZX-50KBS, 上海申安)高温灭菌
待冷却后, 每100 mL的LB液体培养基添加50 μL的
GB03菌液, 在转速为180 r∙min-1下、温度为28 ℃
的恒温培养摇床(THZ-300, 上海一恒科技)上培养
过夜后, 使用核酸检测仪(NanoDrop 1000, 德国)测
定菌液浓度OD600=0.90时取出备用。
实验采用盆栽, 每盆装细沙和蛭石(体积比
1:1)共1 800 g。小花碱茅幼苗生长至2周时, 每盆
留30株幼苗, 将材料分为2组, 一组是GB03处理组,
每株幼苗添加600 μL的GB03菌液; 另外一组是LB
对照组, 添加等体积的LB液体培养基。植株生长
至第3周时, 各自重复再添加一次GB03菌液和LB
液体培养基。同时从GB03处理组和LB对照组中
各设置添加保水剂的处理(3 g·盆-1)和对照, 添加保
水剂后立即浇灌400 mmol·L-1NaCl溶液和蒸馏水,
每盆浇灌400 mL。故本实验总共8个处理, 分别重
复10次。试验处理方案见表1。
4 数据统计分析
所有数据均采用Excel 2003进行数据分析处
理, 采用SPSS 17.0对数据进行方差分析及差异显
著性检验。
实验结果
1 枯草芽孢杆菌GB03与保水剂互作对小花碱茅幼
苗地上部生长的影响
在正常条件下, 添加保水剂的小花碱茅幼苗比
对照更绿, 更高, 且长势更好; 添加保水剂和GB03
的幼苗比单独添加GB03菌液的幼苗叶片更厚, 植
株更高, 长势更好(图1)。
在400 mmol·L-1 NaCl处理条件下, 添加保水剂
的幼苗比对照好, 植株更高; 添加保水剂和GB03菌
液的植株长势优于其他三个处理, 植株更高。可
见, 保水剂和GB03共同作用更显著促进小花碱茅
生长和耐盐性(图1)。
2 枯草芽孢杆菌GB03与保水剂互作对小花碱茅幼
苗地上部生物量的影响
在正常条件下, 单独添加保水剂的幼苗比对
照地上部鲜重提高了70.2%; 添加保水剂和GB03
处理的幼苗比对照地上部鲜重提高了48.4%; 添加
保水剂和GB03处理的幼苗比单独添加GB03菌液
的幼苗地上部鲜重提高了125.3%。在400 mmol·L-1
NaCl盐胁迫下, 4个不同处理的幼苗均比正常条件
下幼苗的地上部鲜重有下降趋势, 但添加保水剂
和GB03的处理比单独添加GB03处理的幼苗地上
部鲜重提高24.4%; 添加保水剂和GB03的幼苗比
单独添加保水剂处理的幼苗地上部鲜重提高
51.9% (图2)。
在正常条件下, 单独添加保水剂的幼苗地上
部干重比对照提高了60.2%; 添加保水剂和GB03
处理的幼苗地上部干重比对照提高了53.5%; 添加
保水剂和GB03的幼苗比单独添加GB03的幼苗地
上部干重提高了116.8%。在400 mmol·L-1NaCl盐
胁迫下, 添加保水剂和GB03的幼苗比单独添加保
水剂处理的幼苗地上部干重提高34.6% (图2)。
3 枯草芽孢杆菌GB03与保水剂互作对小花碱茅幼
苗地上部Na+含量的影响
在正常条件下, 单独添加保水剂的幼苗比对
照地上部Na+含量降低了124.7%; 添加保水剂和
GB03处理的幼苗比对照地上部Na+含量降低了
表1 实验设计方案
Table 1 The experimental design scheme
编号 处理
1 0 mmol·L-1 NaCl+LB液体培养基(正常条件对照)
2 0 mmol·L-1 NaCl+LB液体培养基+GB03菌液
3 0 mmol·L-1 NaCl+LB液体培养基+保水剂
4 0 mmol·L-1 NaCl+LB液体培养基+GB03菌液+保水剂
5 400 mmol·L-1 NaCl+LB液体培养基(盐胁迫对照)
6 400 mmol·L-1 NaCl+LB液体培养基+GB03菌液
7 400 mmol·L-1 NaCl+LB液体培养基+保水剂
8 400 mmol·L-1 NaCl+LB液体培养基+GB03菌液+保水剂
3 样品采集及测定分析
处理2周后采取植株地上部, 立即测定鲜重和
叶片渗透势。80°C烘至恒重测定干重, 用植株干
样测定K+和Na+离子含量, 并计算K+/Na+ (Wang等
2007, 2009; Zhang等2014)。
牛舒琪等: 枯草芽孢杆菌GB03与保水剂互作对小花碱茅生长和耐盐性的影响 287
56.7%; 添加保水剂和GB03菌液的幼苗比单独添
加GB03菌液的幼苗地上部Na+含量降低了49.2%。
在400 mmol·L-1 NaCl胁迫下, 单独添加GB03菌液
的幼苗比对照的Na+含量降低了12.4%, 添加有保
水剂和GB03菌液比对照的Na+含量降低19.6%, 添
加有保水剂和GB03菌液比单独添加保水剂的幼苗
Na+含量降低33.6%。可见, GB03菌液和保水剂相
互作用可降低植株Na+含量, 减少了Na+对植株的
伤害, 提高了植株的耐盐性, 保证其能在盐胁迫下,
可以继续生长发育(图3)。
4 枯草芽孢杆菌GB03与保水剂互作对小花碱茅幼
苗地上部K+含量的影响
在正常条件下, 单独添加保水剂的幼苗地上
部K+含量比对照提高了78.6%; 添加保水剂和GB03
图2 GB03和保水剂对小花碱茅幼苗地上部生物量的影响
Fig.2 Effects of GB03 and water retaining agent on shoot biomass of P. tenuiflora seedlings
每个处理重复10次。不同字母表示不同处理幼苗之间差异显著(P<0.05)。下图同此。
图1 GB03与保水剂对小花碱茅幼苗生长的影响
Fig.1 Effects of GB03 and water retaining agent on the growth of P. tenuiflora seedlings
植物生理学报288
处理的幼苗地上部K+含量比对照提高了64.3%; 添加
保水剂和GB03的幼苗地上部K+含量比单独添加
GB03的幼苗提高了119.1%。在400 mmol·L-1 NaCl
胁迫下, 单独添加保水剂的幼苗地上部K+含量比
对照提高37.3%; 添加保水剂和GB03地上部K+含
量比对照提高119.6%; 添加保水剂和GB03的幼苗
地上部K+含量比单独添加GB03提高107.4%, 添加
保水剂和GB03的幼苗地上部K+含量比单独添加保
水剂提高了60.0%。可见, 在盐胁迫条件下, 保水
剂和GB03均对小花碱茅维持较高K+含量起着重要
的作用, 而保水剂和GB03共同作用对提高植株K+
含量的效果更好(图4)。
5 枯草芽孢杆菌GB03与保水剂互作对小花碱茅幼
苗地上部K+/Na+的影响
在正常条件下, 单独添加保水剂的幼苗地上
部K+/Na+比对照提高了3.0倍; 添加保水剂和GB03
处理的幼苗比对照地上部提高了157.5%; 添加保
水剂和GB03的幼苗地上部K +/Na +比单独添加
GB03提高了2.3倍。在400 mmol·L-1 NaCl胁迫下,
添加保水剂的幼苗地上部K+/Na+比对照提高了
22.9%; 添加保水剂和GB03的处理幼苗地上部K+/
Na+比对照提高了162.7%; 添加保水剂和GB03处
理幼苗地上部K +/Na +比单独添加GB03提高了
120.7%; 添加保水剂和GB03的幼苗地上部K+/Na+
比单独添加保水剂的提高了113.7%。可见, 在盐
胁迫条件下, 保水剂和GB03均对小花碱茅维持较
高的K+/Na+起着重要作用, 而保水剂和GB03二者
共同作用对提高植株K+/Na+效果更好(图5)。
图3 GB03和保水剂对小花碱茅幼苗地上部Na+含量的影响
Fig.3 Effects of GB03 and water retaining agent on shoot Na+
content in P. tenuiflora seedlings
图4 GB03和保水剂对小花碱茅幼苗地上部K+含量的影响
Fig.4 Effects of GB03 and water retaining agent on shoot K+
content in P. tenuiflora seedlings
图5 GB03和保水剂对小花碱茅幼苗地上部
K+/Na+比的影响
Fig.5 Effects of GB03 and water retaining agent on
shoot K+/Na+ in P. tenuiflora seedlings
6 枯草芽孢杆菌GB03与保水剂互作对小花碱茅幼
苗地上部渗透势的影响
在正常条件下, 单独添加GB03的幼苗地上部
渗透势比对照低32.7%; 单独添加保水剂的幼苗地
上部渗透势比对照降低38.6%; 添加保水剂和
GB03的幼苗地上部渗透势比对照低41.0%。在400
mmol·L-1 NaCl胁迫条件下, 单独添加GB03的幼苗
地上部渗透势比对照降低31.4%; 单独添加保水剂
的幼苗地上部渗透势比对照降低39.8%; 添加保水
剂和GB03的幼苗地上部渗透势比对照降低44.7%;
添加保水剂和GB03的幼苗地上部渗透势比单独添
加GB03幼苗降低了10.2%。可见, 在盐胁迫下枯草
芽孢杆菌GB03和保水剂互作对降低小花碱茅幼苗
地上部渗透势有着更佳的效果(图6)。
牛舒琪等: 枯草芽孢杆菌GB03与保水剂互作对小花碱茅生长和耐盐性的影响 289
研究发现枯草芽孢杆菌菌株GB03释放物可
以调控拟南芥26 000多个基因的转录, 显著调控其
中600多个有关细胞壁修复、逆境响应、激素代
谢、铁营养代谢等的基因, 从而对拟南芥的生长
起到促进作用(Ryu等2005; Zhang等2008a, 2008b,
2009, 2010a; Xie等2009; Banchio等2009; Paré等
2011; 韩庆庆等2014)。Zhang等(2008a)研究发现
GB03可以调控AtHKT1;1基因的组织特异性表达,
从而显著提高了拟南芥的耐盐能力, 与对照相比,
GB03处理使得拟南芥的根部减少了对Na+的吸收,
并增强了幼苗地上部到根的Na+再循坏, 从而降低
了植株体内Na+的积累, 使得整株幼苗的K+/Na+比
对照提高了2倍多。进一步研究表明枯草芽孢杆
菌GB03可降低拟南芥光合器官对葡萄糖的敏感性
并降低脱落酸的含量, 从而提高其光合速率(Zhang
等2008b); GB03可增强拟南芥对铁的吸收, 从而提
高了叶绿素含量、光合速率 , 促进植株的生长
(Zhang等2009)。 韩庆庆等(2014)研究发现GB03
显著提高了不同盐浓度处理下种子的发芽势与发
芽率, 对株高、根长和生物量均有不同程度的提
升作用, 说明在不同盐浓度的处理下GB03菌液可
促进紫花苜蓿的生长, 并明显提高紫花苜蓿的耐
盐性。另有研究发现, GB03可以增加小麦的生物
量, 并在一定的盐胁迫下, 通过增加生物量、降低
幼苗体内Na+含量以及提高K+/Na+, 从而提高小麦
的耐盐能力(Zhang等2014)。目前最新研究发现
GB03可以增加铁在木薯体内的积累, 从而提高其
光合作用效率(Freitas等2015); GB03可以促进草本
作物党参的种子萌发、幼苗生长和光合作用(Wu
等2015)。本实验研究发现盐胁迫条件下, 单独添
加GB03菌液可以降低幼苗体内Na+含量, 维持较高
水平的K+含量和K+/Na+值, 降低幼苗地上部渗透
势, 从而提高小花碱茅幼苗的耐盐能力, 使其在一
定的盐胁迫条件下继续生长。
保水剂的施用可以促进作物根系发育, 提高
出苗率和移栽成活率, 提高作物水分利用效率(黄
占斌等2003; 刘殿红等2007; 武继承等2007), 使作
物增产(Gehring和Levis 1980)。梁砚清等(2007)使
用保水剂处理仙客来, 发现保水剂能延缓土壤的
干旱出现时间, 且使用保水剂的仙客来的植株叶
片比未使用保水剂的更厚绿。并有研究发现, 在
讨　　论
土壤盐渍化是影响农业生产和可持续发展的
重大限制条件和障碍因素(Zhang等2013)。应用微
生物治理盐碱地、防治土地盐碱化和提高植物耐
盐性逐渐成了一种有效的策略(郭英等2009; 韩庆
庆等2014)。
枯草芽孢杆菌能够产生类似细胞分裂素、植
物生长激素的物质 , 促进植物的生长 (张霞等
2007)。蔡学清等(2005)结果表明内生枯草芽孢杆菌
Bs-2的菌体或外分泌物均能通过提高水稻体内的叶
绿素含量, 减缓幼苗的膜脂过氧化, 促进体内吲哚
乙酸的产生, 从而促进水稻的生长; 之后研究发现
Bs-2对辣椒苗有明显的促生作用, 即该菌株还可诱
导辣椒体内吲哚乙酸等促进植物生长的激素含量
提高 , 而降低脱落酸等抑制植物生长激素的形
成。张霞等(2007)通过得到枯草芽孢杆菌B931突
变体, 可以产生生长素和细胞分裂素, 从而对甘薯
苗的生根有显著的促进作用。尹汉文等(2006)研
究发现枯草芽孢杆菌可在一定程度提高黄瓜植株
的耐盐性。在盐胁迫下, 根际微生物加强了植物
对营养物质的吸收, 抑制过量Na+在幼苗地上部的
积累, 从而促进植物的生长(姜学艳和黄艺2003)。
Giri等(2007)研究在一定盐胁迫范围内, 接种聚生
球囊菌的合欢植株体内Na+含量伴随盐浓度的增
加而降低, K+含量随着盐浓度的增加而增加, 通过
抑制过量Na+在植物体内的积累, 增加其对营养元
素的吸收, 从而缓解盐离子对植物的毒害作用。
图6 GB03和保水剂对小花碱茅幼苗叶片
渗透势含量的影响
Fig.6 Effects of GB03 and water retaining agent on shoot
osmotic potential in P. tenuiflora seedlings
植物生理学报290
土壤中施入保水剂能够促进土壤中微生物活动,
提高土壤养分的利用率(Sojka等2006), 但保水剂应
用于植物抗盐方面的研究还未见报道。本实验研
究发现添加保水剂可以促进小花碱茅生物量的积
累, 且比未添加保水剂的植株叶片长势更好; 在盐
胁迫条件下, 添加保水剂可以显著提高小花碱茅
幼苗地上部K+含量、K+/Na+值并降低其渗透势, 从
而可以提高小花碱茅应对盐胁迫的能力。
本研究将枯草芽孢杆菌GB03和保水剂结合
在一起对小花碱茅生长及耐盐性进行研究。研究
发现GB03和保水剂互作显著提高幼苗的生物量,
并使得幼苗长势更好, 植株更高; 因此, GB03和保
水剂互作显著促进小花碱茅的生长。在盐胁迫的
条件下, GB03和保水剂互作可以维持小花碱茅幼
苗生物量的稳定, 并与对照相比显著提高幼苗地
上部K+含量和K+/Na+值, 并显著降低了幼苗地上部
渗透势和Na+含量; 从而表明, GB03和保水剂互作
可以提高小花碱茅的耐盐性。该研究通过小花碱
茅生理指标的测定, 揭示枯草芽孢杆菌GB03和保
水剂互作促生和提高植株耐盐胁迫能力的生理机
制。这将对改良和利用盐渍化土地提供一条全新
的途径, 具有广阔的应用前景。
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Effects of Bacillus subtilis GB03 and water retaining agent on growth and salt
tolerance in Puccinellia tenuiflora
NIU Shu-Qi1, HE Ao-Lei1, DING Xin-Yu1, HAN Qing-Qing1, YANG Hao2, LÜ Xin-Pei1, Zhao Qi1, FENG Yu-Lan1, ZHANG Jin-Lin1,*
1State Key Laboratory of Grassland Agro-Ecosystems, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou Univer-
sity, Lanzhou 730020, China; 2Zhuhai Shennong Biotechnology Company Limited, Zhuhai, Guangdong 519040, China
Abstract: In this work, the regulation of Bacillus subtilis GB03 and water retaining agent to growth and salt
tolerance of halophytic grass Puccinellia tenuiflora was investigated. The results showed that, under normal
conditon water retaining agent together with B. subtilis GB03 increased shoot dry weight by 53.5%, decreased
Na+ content by 56.7%, increased K+ content by 64.3% and K+/Na+ by 157.5%, Compared to control; increased
shoot dry weight by 116.8%, decreased Na+ content by 49.2 %, and increased K+ content by 119.1% and K+/Na+
by 2.3 folds, compared to GB03 treatment. Under 400 mol·L-1 NaCl condition, water retaining agent together
with B. subtilis GB03 decreased Na+ content by 19.6%, increased K+ content by 119.6% and K+/Na+ by 162.7%,
decreased osmotic potential by 44.7%, compared to control; increased K+ content by 107.4% and K+/Na+ by
120.7%, and decreased osmotic potential by 10.2%, compared to GB03 treatment.
Key words: Puccinellia tenuiflora; Bacillus subtilis; water retaining agent; growth promotion; salt tolerance
Received 2015-11-18 Accepted 2016-01-30
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 31222053 and 31172256), the Fundamental Research
Funds for the Central Universities (Grant Nos. lzujbky-2014-m01 and lzujbky-2015-194).
*Corresponding author (E-mail: jlzhang@lzu.edu.cn).