全 文 ：园艺学报，2016，43 (3)：473–484.
Acta Horticulturae Sinica
doi：10.16420/j.issn.0513-353x.2015-0919；http：//www. ahs. ac. cn 473
收稿日期：2015–12–30；修回日期：2016–03–04
基金项目：国家自然科学基金项目（31360506）；南宁市科学研究与技术开发计划项目（20132313）；广西农业科学院广西甘蔗遗传改
良重点实验室开放课题（12-K-05-02）
* 通信作者 Author for correspondence（E-mail：ysd706@gxu.edu.cn）
低磷胁迫对番茄根系生长及根际土壤细菌多样
性的影响
李荣坦 1，姚华开 1，刘岳飞 1，杨尚东 1,2,*
（1 广西大学农学院园艺系，南宁 530004；2 广西农业科学院，广西甘蔗遗传改良重点实验室，南宁 530007）
摘 要：以低磷胁迫和平衡施肥处理的番茄根系及根际土壤为研究对象，采用 WinRHIZO 根系分析
系统、稀释平板法、PCR-DGGE 等分析技术，研究低磷胁迫对番茄根系生长、根际土壤生物学特性以及
细菌多样性的影响。结果表明：低磷胁迫导致番茄根系总根长、总根表面积、总根体积和根尖数减少；
导致根际土壤中可培养微生物（细菌、真菌和放线菌）数量、酶活性、微生物生物量（C、N、P）以及细
菌的多样性指数（H）、丰富度（S）和均匀度指数（Eh）等表征土壤肥力及健康状态的指标下降；导致部
分诸如甲基杆菌属（Methylobacterium sp.）等具有溶磷功能的菌群缺失；平衡施肥对番茄的正常生长和提
升土壤肥力以及维护土壤健康具有极其重要的作用。
关键词：番茄；低磷胁迫；根系；土壤细菌多样性；PCR-DGGE
中图分类号：S 641.2 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2016）03-0473-12

Effect of Low Phosphorus Stress on Root Growth and Soil Bacterial
Diversity in Rhizosphere of Tomatoes
LI Rong-tan1，YAO Hua-kai1，LIU Yue-fei1，and YANG Shang-dong1,2,*
（1Department of Horticulture，Guangxi University，Nanning 530004，China；2Guangxi Key Laboratory of Sugarcane
Genetic Improvement，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning 530007，China）
Abstract：Based on the traditional and modern analyzed techniques，such as WinRHIZO root analysis
system，dilution-plate method，PCR-DGGE etc.，the effect of low phosphorus stress on root growth，soil
microbial properties and bacterial diversity under low phosphorus stress were analyzed. The results
showed that the root length，surface area，volume and tip number were all decreased under low phosphorus
stress. Additionally，soil microbial biomass，enzyme activities，microbial biomass（C，N，P）and soil
bacterial diversity index（H），richness（S）and evenness index（Eh）were all also decreased under low
phosphorus stress. However，some bacteria groups，such as Methyl bacterium（sp.），which have the
function of soluble phosphorus，disappear in rhizosphere soil under low phosphorus stress condition.
Moreover，it indicated that the degradation of soil fertility and soil bacterial community structure in
rhizosphere were the main reason for the poor growth of tomatoes. The balance fertilization has an
important function in improving the growth of tomatoes，soil fertility and health.

Li Rong-tan，Yao Hua-kai，Liu Yue-fei，Yang Shang-dong.
Effect of low phosphorus stress on root growth and soil bacterial diversity in rhizosphere of tomatoes.
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Key words：tomato；low phosphorus stress；root；soil bacterial diversity；PCR-DGGE

番茄生长过程中缺磷会导致生长缓慢，早期叶片背面出现紫红色，茎细长，叶片小，开花结果
期延迟等。由于缺磷直接影响番茄根系对土壤中氮的吸收，植株后期表现出卷叶现象（Kalaji et al.，
2014）。番茄生产的限制因素很多，土壤缺磷是其中重要的障碍因子之一（Lynch & Brown，2008）。
植物吸收磷素的化学形态主要是 H2PO4-和 HPO42-，土壤溶液中游离的无机磷酸根在植物磷素营养循
环中起着重要作用（Pradhan & Sukla，2005）。在中国南方主要为酸性红壤，其铁、铝等含量较高，
如果通过传统方法施用磷肥，磷极易被土壤固定达不到增加土壤有效磷的目的。研究表明，植物根
系分布与磷的分布呈现较强的正相关性，植物根际土壤的 pH 值和肥料施用对磷的分布有显著影响
（Vu et al.，2009）；植物响应低磷胁迫的差别主要表现在物种和基因上，而植物响应低磷胁迫主要
方式是通过抑制主根内部细胞的分裂和分化来抑制主根的生长（Tyburski et al.，2012）。其次，在低
磷条件下，植物根系将分泌一定量的有机酸和酸性磷酸酶，它能降解土壤中的有机磷，如核酸、磷
脂和糖脂等，使有机磷转变为无机磷被吸收（Hoffland & Nelemans，1989）。在土壤生态系统物质分
解循环利用中，微生物活动起着至关重要的作用。解磷微生物在土壤中普遍存在，它可以分泌有机
酸和磷酸酶，使土壤中不能被植物利用的磷化物转变成可被利用的可溶性磷化物，从而为植物提供
可吸收的无机磷（Khan et al.，2007）。20 世纪 50 年代，解磷微生物作为生物有机肥已经被广泛应
用到农业生产中，不仅能够增加作物磷素的吸收量，提高作物产量，还能大大提高磷肥的利用率，
减少农业污染（Khan et al.，2013）。
前人关于低磷胁迫的研究主要局限于植物根系形态构型的改变，解磷微生物的分解功能和培育
耐低磷品种等（Richardson & Simpson，2011），而对番茄根际土壤微生物群落结构影响的研究甚少。
低磷条件下，化感水稻根际培养液中可培养的细菌、真菌数量明显高于正常磷素处理水平（陈良生，
2011）。低磷胁迫如何影响番茄根际土壤微生物群落结构的变化尚不明确。根际是土壤—根系—微生
物相互作用的微域，根际界面决定了氮磷养分的供应强度和有效性。针对根系—土壤和根系—微生
物界面的养分活化和运输机制已有系统研究，但目前对土壤—根系—微生物之间在氮磷养分利用过
程中的规律并不清楚（Philippot et al.，2013）。本试验旨在通过运用 WinRHIZO 根系分析系统、稀
释平板法、PCR-DGGE 等分析技术，研究低磷胁迫对番茄根系生长以及根际土壤生物学特性和微生
物群落结构的影响，为进一步培育耐低磷番茄品种、发挥有益微生物的解磷功能及平衡施肥提供理
论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料与处理
番茄品种‘金玉 11’、‘美国红冠’、‘红宝石 1 号’的种子均购于广西南宁市蔬菜种子市场。试
验中采用的土壤类型为赤红壤，全氮 0.48 g · kg-1，全磷 0.69 g · kg-1，全钾 7.14 g · kg-1，碱解氮 12.96
mg · kg-1，速效磷 0.66 mg · kg-1，速效钾 54.00 mg · kg-1，有机质 8.56 g · kg-1，pH 5.65。根据中国第
二次土壤普查制定的养分分级标准和土壤质量评价标准（全国土壤普查办公室，1998），试验采用的
土壤符合试验要求。
试验采用盆栽（直径 24 cm，高 30 cm）的方法，于 2015 年在广西大学农学院蔬菜生产基地（东
经 108º18′，北纬 22º51.2′）温室内进行。施肥处理根据赵斌等（2004）的施肥方案稍加改良。番茄
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低磷胁迫对番茄根系生长及根际土壤细菌多样性的影响.
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品种均设 3 个处理：（1）NK 处理，不施 P 肥，只施 N 120 mg · kg-1 和 K2O 230 mg · kg-1 的低磷胁迫
处理；（2）NPK 处理，N 120 mg · kg-1、P2O5 110 mg · kg-1 和 K2O 230 mg · kg-1 兼施的平衡施肥处理；
（3）对照，既不种植番茄，也不施肥的处理。番茄品种内不同处理采用完全随机区组设计，每处理
12 盆，每盆 1 株，重复 3 次，每次重复 108 盆。番茄定植后进行搭架绑蔓、整枝打芽、除草灌溉、
病虫害防治等常规管理。
1.2 样品采集及分析
1.2.1 样品采集
根系样品：番茄定植 45 d 后，用流水缓缓冲洗根系，在根系下面放置 100 目筛，收集被水流冲
掉的根系。每个重复每个处理随机采集 5 株，分别进行根系指标测定，取 5 个数据的平均值进行方
差和显著性分析。
根际土壤样品：番茄开花结果期，每个重复每个处理采用抖根法（Riley & Barber，1970）随机
采集 5 株番茄根际土壤，混合均匀后作为 1 份土壤样品，共 27 份土壤样品。剔除番茄残根等杂物
后，用无菌塑料袋装好，带回实验室后，将每份土壤样品分为 3 部分：一部分室内自然风干后过 40
目筛，用于土壤理化性状测定；另一部分过 10 目筛后，置于 4 ℃冰箱保存，用于土壤生物学性状
分析；第 3 部分过 10 目筛后，将每个番茄品种每个处理的 3 个平行土壤样品混合均匀，得到 7 份土
壤样品，置于–80 ℃冰箱保存，用于细菌群落结构分析。
1.2.2 根系形态分析
通过根系扫描仪（Founder Z2400）获得根系图像，经专用数字化软件（WinRHIZO Pro 2009c）
分析后获得根长、根表面积、根体积和根尖数等形态指标（Wang & Qiang，2009）。根冠比（R / S，
干质量比）测定采用烘干法（105 ℃杀青，70 ℃）。
1.2.3 土壤理化性状分析
土壤 pH 值采用 PHS-3C 型精密酸度计，有机质采用重铬酸钾容量法，全氮采用半微量凯氏法，
全磷采用氢氧化钠碱熔融——钼锑抗比色法，全钾采用氢氧化钠熔融——火焰光度法，碱解性氮采
用碱解扩散法，速效磷采用 0.5 mol · L-1 NaHCO3 浸提——钼蓝钼锑抗比色法，速效钾采用 1 mol · L-1
NH4OAc 浸提——火焰光度法（鲍士旦，2011）测定。
1.2.4 土壤生物学性状分析
土壤可培养微生物数量测定采用稀释平板法（林先贵，2010），其中细菌培养采用牛肉膏蛋白
胨琼脂培养基，真菌培养采用马丁氏琼脂培养基，放线菌培养采用改良高氏一号琼脂培养基。
土壤中 C、N、P 循环相关酶 β–葡糖苷酶（β-glucosidase）活性测定采用 Hayano（1973）的方
法，氨肽酶（Aminopeptidases）活性测定采用 Ladd（1972）的方法，磷酸酶（Phosphatase）活性测
定采用 Tabatabai 和 Bremner（1969）的方法。
微生物生物量碳测定采用氯仿熏蒸提取——容量分析法（Vance et al.，1987）；微生物生物量氮
测定采用氯仿熏蒸提取——茚三酮比色法（Joergensen & Brookes，1990）；微生物生物量磷测定采
用氯仿熏蒸提取——磷钼蓝比色法（吴金水 等，2003）。
1.2.5 土壤细菌群落结构分析
土壤微生物基因组总 DNA 提取参照 Krsek 和 Welington（1999）的方法稍加改良：称取 5.0 g
土壤，加 5.0 mL 0. 1 mol · L-1 pH 8.0 磷酸缓冲液，加细微玻璃珠于室温下剧烈震荡 10 min；加入 25
mg溶菌酶，震荡 5 min，37 ℃水浴锅中 1 h；加 500 µL 20% SDS，于恒温摇床震荡 15 min（200 r · min-1，
37 ℃），6 000 r · min-1离心 10 min；取上清液分装，每个 1.5 mL 离心管装 1. 0 mL，加 200 µL 8 mol · L-1
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乙酸钾，颠倒混匀 1 min，12 000 r · min-1 离心 10 min；取 1 mL 上清液于 2 mL 离心管中，加等体积
酚—氯仿—异戊醇抽提两次，混匀后 12 000 r · min-1 离心 10 min；取上清液于 1.5 mL 离心管中，加
入 0.6 倍体积冰冷的异丙醇，混匀后置于–20 ℃冰箱中沉降 30 min，12 000 r · min-1 离心 10 min；
倒掉离心管中的液体，加入 1 mL 的 70%乙醇清洗两次；离心管中酒精挥发后，加 35 µL TE 溶解；
采用 SanPrep 柱式 DNA 胶回收试剂盒（Sangon Biotech，产品号：SK8132）对 DNA 粗提液进行纯
化。粗提和纯化结果均进行 1.8%琼脂糖凝胶电泳检测。纯化后的 DNA 样品用超微量分光光度计
（IMPLEN，型号：P-330-31）检测，将符合试验要求的样品于–20 ℃冰箱保存备用。
土壤细菌 16S rDNA V3 可变区的 PCR 扩增采用降落 PCR（Touchdown PCR）的方法。上游引
物序列为 GC-F338：5′-CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGGACTCCTA
CGGGAGGCAGCAG-3′；下游引物为 R518：5′-ATTACCGCGGCTGCTGG-3′（Lambais et al.，2008）。
PCR 反应体系为：DNA 模板 1 μL，10 × PCR Buffer 5 μL（Mg2+ plus），dNTPs Mix 1 μL（10 mmol · L-1），
上、下游引物各 2 μL（10 μmol · L-1），rTaq 酶 1 μL（5 U · μL-1），用灭菌去离子水补足至 50 μL。
PCR 反应条件为：94 ℃ 预变性 5 min；94 ℃ 变性 45 s，65 ~ 55 ℃（每个循环降低 0.5 ℃）退
火 30 s，72 ℃ 延伸 1 min，共 20 个循环；94 ℃ 变性 45 s，55 ℃ 退火 30 s，72 ℃延伸 1 min，
共 15 个循环；72 ℃ 延伸 10 min。PCR 产物用 1.5%琼脂糖凝胶电泳检测。
采用 Bio-Rad 公司 DCodeTM 基因突变检测系统（DCode Universal Mutation Detection System，
Bio-Rad）对 PCR 反应产物进行分离。变性剂浓度 30% ~ 60%（100%变性胶为 7 mol · L-1 尿素和 40%
去离子甲酰胺的混合物）；PCR 产物加样量 40 μL；60 ℃，120 V 的恒定电压条件下，电泳 6 h。电
泳完毕后银染 20 ~ 30 min 后用 Bio-Rad 公司 GS-800TM Calibrated Densitometer 观察并扫描成图像。
细菌 16S rDNA 片段的克隆和测序：切下目的条带，用聚丙烯酰胺凝胶 DNA 回收试剂盒进行胶
回收，以不含 GC 片段的引物对 F338 和 R518 再次进行 PCR 扩增。扩增产物进行琼脂糖凝胶中检
测，将含有目的片段的 PCR 产物纯化后，与 PMD18-T 载体（Takara，产品号：K6701AA）连接进
行克隆，将含有目的条带的菌液送上海生工测序。
测序结果于 NCBI（http：//www. ncbi. nlm. nih. gov/）进行序列同源性比对与分析。
1.2.6 数据处理
试验数据采用 Excel 2010 和 SPSS 19.0 统计软件对试验数据进行统计分析，平均数据以“平均
数 ± 标准差（S.D.）”表示，多重比较采用邓肯氏新复极差检验法（Duncan’s Multiple Ranger Test，
DMRT）。使用 Quantity one（V4.6.9）分析软件对 DGGE 图谱进行分析，多样性指数（H）、丰富度
（S）和均匀度（Eh）的计算参照马宁宁和李天来（2013）的方法进行。
2 结果与分析
2.1 低磷胁迫对番茄根系生长的影响
从表 1 可知，与平衡施肥相比，低磷胁迫处理的 3 个番茄品种的总根长、总跟表面积、总根体
积和根尖数均不同程度的降低。3 个番茄品种的总根长分别降低了 65.1%、47.8%和 66.6%，总根表
面积分别降低了 62.4%、31.9%和 43.1%，总根体积分别降低了 55.8%、19.8%和 29.6%，根尖数分别
降低了 85.6%、66.8%和 82.0%，而根冠比分别增加了 18.1%、27.5%和 26.3%。说明低磷胁迫导致番
茄根系生长受到抑制。

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表 1 低磷胁迫对不同番茄品种根系的响应
Table 1 Root response of different tomato cultivars under low phosphorus stress
品种
Cultivar
施肥处理
Treatment
总根长/cm
Length
总根表面积/cm2
Surf area
总根体积/cm3
Root volume
根尖数
Tip
根冠比
Root/shoot ratio
NK 775.0 ± 41.8 b 127.3 ± 8.5 b 1.82 ± 0.13 b 1 572 ± 29 b 0.1759 ± 0.0014 a 金玉 11 Jinyu 11
NPK 2 222.4 ± 71.6 a 338.4 ± 9.4 a 4.12 ± 0.17 a 10 888 ± 438 a 0.1489 ± 0.0018 b
NK 1 299.7 ± 63.7 b 241.6 ± 6.6 b 3.33 ± 0.19 b 3 402 ± 245 b 0.1782 ± 0.0058 a 美国红冠 American Hongguan
NPK 2 491.9 ± 75.3 a 354.7 ± 10.2 a 4.15 ± 0.09 a 10 236 ± 328 a 0.1398 ± 0.0010 b
红宝石 1 号 Hongbaoshi 1 NK 989.6 ± 73.2 b 228.9 ± 12.2 b 3.16 ± 0.34 b 2 695 ± 143 b 0.1714 ± 0.0026 a
NPK 2 961.9 ± 102.6 a 402.4 ± 18.0 a 4.49 ± 0.32 a 14 997 ± 1161 a 0.1357 ± 0.0011 b
N：N 120 mg · kg-1；P：P2O5 110 mg · kg-1；K：K2O 230 mg · kg-1。同列中同一品种不同小写字母表示显著水平为 0.05，下同。
N：N 120 mg · kg-1；P：P2O5 110 mg · kg-1；K：K2O 230 mg · kg-1. Values followed by different lowercase letters in the same row for the same
variety are significantly different at 0.05 levels. The same below.

2.2 低磷胁迫对番茄根际土壤理化性状的影响
由表 2 可知，不同施肥处理对‘美国红冠’根际土壤中全氮含量的影响并不显著。与平衡施肥
处理相比，低磷胁迫处理的‘红宝石 1 号’根际土壤中全氮含量降低了 16.2%。与平衡施肥处理相
比，低磷胁迫处理的‘金玉 11’和‘红宝石 1 号’根际土壤中碱解氮含量分别增加了 17.4%和 49.6%。
不同番茄品种根际土壤中全钾含量表现为：对照 > 低磷胁迫 > 平衡施肥，而速效钾含量却表现为
低磷胁迫处理显著高于对照和平衡施肥处理，其中‘金玉 11’根际土壤中速效钾含量最高，为对照
的 1.74 倍。与平衡施肥相比，低磷胁迫处理的 3 个番茄品种根际土壤中全磷和速效磷含量显著性降
低。3 个番茄品种根际土壤全磷含量分别降低了 13.5%、10.2%和 11.2%，速效磷含量分别降低了
70.2%、36.5%和 81.0%。与平衡施肥相比，低磷胁迫处理的‘金玉 11’和‘红宝石 1 号’根际土壤
中有机质含量分别降低了 43.5%和 35.1%。同时，两种施肥模式均导致番茄根际土壤 pH 显著降低，

表 2 低磷胁迫下番茄根际土壤理化性状
Table 2 Physical and chemical properties of soil under low phosphorus stress
品种
Cultivar
施肥处理
Treatment
全氮/（g · kg-1）
Total N
全磷/（g · kg-1）
Total P
全钾/（g · kg-1）
Total K
pH
– 对照 Control 0.87 ± 0.03 a 0.54 ± 0.01 a 15.36 ± 0.15 a 5.64 ± 0.02 a
NK 0.83 ± 0.02 ab 0.47 ± 0.01 b 14.64 ± 0.12 b 5.50 ± 0.01 c 金玉 11 Jinyu 11
NPK 0.82 ± 0.03 b 0.54 ± 0.02 a 12.55 ± 0.01 c 5.61 ± 0.01 b
– 对照 Control 0.87 ± 0.03 a 0.54 ± 0.01 a 15.36 ± 0.15 a 5.64 ± 0.02 a
NK 0.88 ± 0.01 a 0.50 ± 0.01 b 14.95 ± 0.13 b 5.46 ± 0.02 c 美国红冠 American Hongguan
NPK 0.87 ± 0.02 a 0.56 ± 0.01 a 14.20 ± 0.15 c 5.53 ± 0.01 b
– 对照 Control 0.87 ± 0.03 b 0.54 ± 0.01 a 15.36 ± 0.15 a 5.64 ± 0.02 a
红宝石 1 号 Hongbaoshi 1 NK 0.79 ± 0.03 c 0.50 ± 0.01 b 14.61 ± 0.15 b 5.28 ± 0.04 c
NPK 0.95 ± 0.03 a 0.56 ± 0.02 a 13.95 ± 0.14 c 5.36 ± 0.02 b
品种
Cultivar
施肥处理
Treatment
碱解氮/（mg · kg-1）
Available N
速效磷/（mg · kg-1）
Available P
速效钾/（mg · kg-1）
Available K
有机质/（g · kg-1）
Organic matter
– 对照 Control 56.67 ± 3.06 b 3.10 ± 0.20 b 67.67 ±1.15 b 5.94 ± 0.39 b
NK 63.00 ± 1.73 a 1.50 ± 0.10 c 117.67 ±11.55 a 3.81 ± 0.10 c 金玉 11
Jinyu 11 NPK 53.67 ± 2.08 b 5.03 ± 0.12 a 52.00 ± 0.50 c 6.75 ± 0.17 a
– 对照 Control 56.67 ± 3.06 b 3.10 ± 0.20 b 67.67 ± 1.15 b 5.94 ± 0.39 c
NK 68.00 ± 1.73 a 2.37 ± 0.23 c 109.67 ± 1.15 a 7.98 ± 0.16 a 美国红冠 American Hongguan
NPK 68.33 ± 2.31 a 5.30 ± 0.26 a 61.00 ± 0.55 c 6.94 ± 0.12 b
– 对照 Control 56.67 ± 3.06 a 3.10 ± 0.20 b 67.67 ± 1.15 c 5.94 ± 0.39 b
红宝石 1 号 Hongbaoshi 1 NK 55.33 ± 0.58 a 1.37 ± 0.12 c 105.00 ± 2.70 a 4.94 ± 0.10 c
NPK 37.00 ± 4.00 b 7.20 ± 0.20 a 78.00 ± 1.50 b 7.60 ± 0.20 a
注：–表示未种植，对照表示不施肥。下同。
Note：–means no planting. Control means no fertilization. The same below.

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尤其低磷胁迫处理对番茄根际土壤 pH 影响更显著；与对照相比，低磷胁迫处理的 3 个番茄品种根
际土壤 pH 分别降低了 2.5%、3.2%和 5.0%。总体说，平衡施肥处理在不同程度水平提高了番茄根际
土壤肥力。
2.3 低磷胁迫对番茄根际土壤生物学性状的影响
2.3.1 低磷胁迫对番茄根际土壤可培养微生物的影响
由表 3 可知，不同番茄品种根际土壤中可培养的细菌、真菌和放线菌数量均表现为：平衡施肥 >
低磷胁迫 > 对照。除‘红宝石’番茄品种外，低磷胁迫条件下番茄根际土壤中可培养细菌、真菌
和放线菌数量均显著低于对应的平衡施肥处理。低磷胁迫处理条件下，‘红宝石 1 号’根际土壤中
可培养细菌、放线菌数量最多，分别为对照的 3.99 倍和 4.03 倍，‘美国红冠’根际土壤中可培养真
菌数量最多，为对照的 2.99 倍。

表 3 低磷胁迫下根际土壤可培养微生物数量
Table 3 Numbers of microorganisms in the rhizosphere soil under low phosphorus stress
品种
Cultivar
施肥处理
Treatment
细菌/（106 CFU · g-1）
Bacteria
真菌/（104 CFU · g-1）
Fungi
放线菌/（106 CFU · g-1）
Actinomycetes
– 对照 Control 10.11 ± 0.38 c 2.61 ± 0.24 c 6.34 ± 0.72 c
NK 28.11 ± 0.95 b 6.15 ± 0.46 b 19.20 ± 2.08 b 金玉 11
Jinyu 11 NKP 35.53 ± 0.15 a 7.87 ± 0.82 a 29.27 ± 1.22 a
– 对照 Control 10.11 ± 0.38 c 2.61 ± 0.24 c 6.34 ± 0.72 c
NK 29.29 ± 0.99 b 7.80 ± 0.43 b 17.22 ± 1.15 b 美国红冠
American Hongguan NKP 63.10 ± 0.19 a 12.81 ± 0.43 a 33.43 ± 0.98 a
– 对照 Control 10.11 ± 0.38 b 2.61 ± 0.24 b 6.34 ± 0.72 c
红宝石 1 号 NK 40.32 ± 0.30 a 5.86 ± 0.57 a 25.50 ± 1.22 b
Hongbaoshi 1 NKP 42.73 ± 0.13 a 6.23 ± 0.30 a 29.79 ± 0.68 a

2.3.2 低磷胁迫对番茄根际土壤 C、N、P循环相关酶活性的影响
由表 4 可知，不同施肥处理的 3 个番茄根际土壤中 β–葡糖苷酶活性均表现为：平衡施肥 > 低
磷胁迫 > 对照。平衡施肥处理的不同番茄品种均显著提高了氨肽酶的活性，分别为对照的 1.11 倍、
1.10 倍和 1.11 倍；低磷胁迫处理的‘美国红冠’根际土壤中氨肽酶活性与对照相比差异不显著。不
同处理对 3 个番茄品种根际土壤中磷酸酶的活性影响趋势与 β–葡糖苷酶相同。与平衡施肥处理相
比，低磷胁迫处理的 3 个番茄品种根际土壤磷酸酶活性分别降低了 50.4%、35.1%和 54.5%。

表 4 不同处理根际土壤相关酶活性
Table 4 Soil enzyme activity in the rhizosphere soil under low phosphorus stress
品种
Cultivar
施肥处理
Treatment
β–葡萄糖苷酶/（nmol · g-1 · min-1）
β-glucosidase
氨肽酶/（nmol · g-1 · min-1）
Aminopeptidase
磷酸二酯酶/（nmol · g-1 · min-1）
Phosphatase
– 对照 Control 0.34 ± 0.15 c 15.58 ± 0.07 c 0.28 ± 0.09 c
NK 1.86 ± 0.09 b 16.13 ± 0.18 b 0.66 ± 0.04 b 金玉 11
Jinyu 11 NKP 2.57 ± 0.01 a 17.26 ± 0.11 a 1.33 ± 0.02 a
– 对照 Control 0.34 ± 0.15 c 15.58 ± 0.07 b 0.28 ± 0.08 c
NK 2.15 ± 0.03 b 15.40 ± 0.19 b 0.51 ± 0.03 b 美国红冠
American Hongguan NKP 2.74 ± 0.13 a 17.03 ± 0.21 a 0.79 ± 0.06 a
– 对照 Control 0.34 ± 0.15 c 15.58 ± 0.07 c 0.28 ± 0.08 c
红宝石 1 号 NK 1.94 ± 0.03 b 16.45 ± 0.19 b 0.48 ± 0.03 b
Hongbaoshi 1 NKP 3.37 ± 0.03 a 17.28 ± 0.15 a 1.06 ± 0.04 a

2.3.3 低磷胁迫对番茄根际土壤微生物生物量 C、N、P的影响
由表 5 可知，低磷胁迫下番茄根际土壤微生物生物量碳、氮和磷，虽然极显著高于对照土壤，
李荣坦，姚华开，刘岳飞，杨尚东.
低磷胁迫对番茄根系生长及根际土壤细菌多样性的影响.
园艺学报，2016，43 (3)：473–484. 479

却极显著低于对应的平衡施肥处理。与平衡施肥相比，低磷胁迫处理的 3 个番茄品种根际土壤微生
物生物量碳含量分别降低了 36.2%、25.3%和 25.2%；微生物生物量氮含量分别降低了 55.3%，27.9%
和 11.0%；微生物生物量磷含量分别降低了 45.0%、46.0%和 26.0%。

表 5 低磷胁迫对根际土壤微生物生物量的影响
Table 5 Effects of low phosphorus stress on microbial biomass C，N and P in rhizosphere soil
品种
Cultivar
施肥处理
Treatment
生物量碳/（mg · kg-1）
Microbial biomass C
生物量氮/（mg · kg-1）
Microbial biomass N
生物量磷 /（mg · kg-1）
Microbial biomass P
– 对照 Control 35.99 ± 3.67 c 4.63 ± 0.15 c 72.76 ± 2.4 c
NK 88.24 ± 6.95 b 7.31 ± 0.09 b 123.68 ± 4.01 b 金玉 11 Jinyu 11
NPK 138.37 ± 16.65 a 16.37 ± 0.24 a 225.01 ± 1.29 a
– 对照 Control 35.99 ± 3.67 c 4.63 ± 0.15 c 72.76 ± 2.40 c
NK 115.43 ± 9.46 b 10.10 ± 0.34 b 208.68 ± 7.50 b 美国红冠 American Hongguan
NPK 154.59 ± 12.36 a 14.01 ± 0.88 a 386.70 ± 4.57 a
– 对照 Control 35.99 ± 3.67 c 4.63 ± 0.15 c 72.76 ± 2.40 c
红宝石 1 号 Hongbaoshi 1 NK 132.57 ± 7.06 b 8.30 ± 0.27 b 321.74 ± 4.11 b
NPK 177.19 ± 9.54 a 9.33 ± 0.07 a 434.78 ± 4.17 a

2.4 低磷胁迫对番茄根际土壤细菌群落结构的影响
2.4.1 土壤细菌 16S rDNA基因 V3区 PCR扩增
提取的土壤微生物总 DNA 为模板，GC-F338 和 R518 为扩增引物，对 16S rDNA V3 可变区进
行 PCR 扩增。如图 1 所示，16S rDNA 扩增后的 DNA 片段长度为 250 bp 左右，特异性好，无杂带，
与理论值相符，PCR 扩增效果良好，扩增产物可以进行 DGGE 试验。


图 1 PCR 扩增产物的琼脂糖凝胶电泳图谱
Fig. 1 Agarose gel electrophoresis of PCR amplification products

2.4.2 土壤细菌群落 DGGE图谱分析
应用 DGGE 技术分离 16S rDNA V3 区片段 PCR 产物，可分离到数目不等、位置各异的电泳条
带（图 2）。整个 DGGE 图谱有 56 个带型，各泳道条带数为 24 ~ 45 条不等。其中对照泳道的条带
数最少；平衡施肥处理下‘红宝石 1 号’泳道的条带数最多，且出现 4 条优势条带（4、5、6、7）。
各泳道之间条带数和位置差异比较明显，个别条带在灰度值上也有一定的差异，且 3 个番茄品种低
磷胁迫处理的泳道条带数比平衡施肥处理泳道条带数均有减少。与各处理泳道相比较，对照泳道的
灰度明显偏低。1、4、5、7、9、10、11、16、17 条带，虽然在每个泳道的灰度不同，但是所有处
理共有条带；与对照相比，不同施肥处理下 3 个番茄根际土壤泳道都增加了 2、3、6、13、14 条带，
这可能与番茄根系活动可以提高土壤微生物丰富度有关；8、12、15 条带是 3 个番茄品种平衡施肥
处理的特有条带（且对照中不存在），这些条带代表平衡施肥处理的特有细菌种群。
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图 2 低磷胁迫下番茄根际土壤细菌 DGGE 图谱
1 ~ 17 为优势条带。
Fig. 2 DGGE profile of the soil bacteria in the rhizosphere soils under low phosphorus stress
1–17 are the major bands.

利用 DGGE 图谱数字化结果计算各处理根际土壤细菌多样性指数如表 6 所示，对照的细菌群落
结构丰富度最低，多样性指数最小，但是均匀度最高；与平衡施肥处理相比，低磷胁迫导致 3 个番
茄品种根际土壤细菌多样性指数（H）、丰富度（S）和均匀度（Eh）均不同程度的降低。3 个番茄品
种根际土壤细菌多样性指数分别降低了 3.4%、7.1%和 11.2%，丰富度分别降低了 10.8%、18.9%和
28.9%，均匀度分别降低了 0.1%、1.4%和 2.4%。

表 6 低磷胁迫下番茄根际土壤细菌多样性
Table 6 Diversity of soil bacterial communities in Rhizosphere under low phosphorus stress
品种
Cultivar
施肥处理
Treatment
多样性指数（H）
Shannon diversity index
丰富度（S）
Margalef richness index
均匀度（E）
Pielou evenness index
– 对照 Control 3.16 24 0.996
NK 3.43 33 0.981 金玉 11
Jinyu 11 NPK 3.55 37 0.982
NK 3.26 30 0.958 美国红冠
American Hongguan NPK 3.51 37 0.972
红宝石 1 号 NK 3.33 32 0.960
Hongbaoshi 1 NPK 3.75 45 0.984

2.4.3 细菌 16S rDNA片段的序列分析
在 DGGE 分离后的条带中选取灰度值较高，且比较清晰可辨的条带进行切胶回收、重新 PCR
扩增和测序，获得 17 条测序结果（图 2）。将 17 个序列于 NCBI GenBank 数据库中进行检索和同源
性比对，选择与测序序列相似性最高的一条序列为参考对象，结果如表 7 所示。测序序列与已发表
序列的相似度达到 96% ~ 100%。有 11 个条带测序序列为不可培养的细菌，占到总序列数的 65%，
条带 10 和 11 测序序列与已发表的序列比对，最相似序列均属于鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas sp.）
的细菌。条带 3、7、8、13、14 和 16 测序序列比对结果分别与鞘氨醇杆菌属（Sphingobacterium sp.）、
鞘脂单胞属（Sphingopyxis sp.）、甲基杆菌属（Methylobacterium sp.）、金黄杆菌属（Chryseobacterium
李荣坦，姚华开，刘岳飞，杨尚东.
低磷胁迫对番茄根系生长及根际土壤细菌多样性的影响.
园艺学报，2016，43 (3)：473–484. 481

sp.）、红螺菌科（Rhodospirillaceae）和大肠杆菌属（Escherichia coli）相似度最高。

表 7 部分条带 16S rDNA PCR-DGGE 片段测序分析结果
Table 7 Sequenced 16S rDNA fragments in different treatments of rhizosphere soil
条带
Band
序列长度/bp
Fragment length
最相似序列
Strain of most identity sequence
推测类群
Putative phylum
相似度/%
Identity
1 204 不可培养的细菌 Uncultured bacterium（KF785170） 96
2 199 不可培养的细菌 Uncultured bacterium（JX647709） 98
3 193 不可培养的鞘氨醇杆菌属
Uncultured Sphingobacterium sp.（JQ071856）
鞘氨醇杆菌属 Sphingobacterium sp. 100
4 176 不可培养的细菌 Uncultured bacterium（KF596604） 97
5 192 不可培养的细菌 Uncultured bacterium（LN572791） 100
6 207 不可培养的细菌 Uncultured bacterium（EU134061） 98
7 211 鞘脂单胞属 Sphingopyxis sp.（CP009452） 鞘脂单胞属 Sphingopyxis sp. 100
8 174 甲基杆菌属 Methylobacterium sp.（KT757684） 甲基杆菌属 Methylobacterium sp. 100
9 198 不可培养的细菌 Uncultured bacterium（KJ633686） 99
10 211 鞘氨醇单胞菌属 Sphingomonas sp.（KT343857） 鞘氨醇单胞菌属 Sphingomonas sp. 100
11 204 鞘氨醇单胞菌属 Sphingomonas sp.（NR132664） 鞘氨醇单胞菌属 Sphingomonas sp. 99
12 177 不可培养的细菌 Uncultured bacterium（JF325963） 100
13 194 金黄杆菌属 Chryseobacterium sp.（HQ154575） 金黄杆菌属 Chryseobacterium sp. 99
14 174 不可培养的红螺菌科细菌
Uncultured Rhodospirillaceae bacterium（LN680487）
红螺菌科 Rhodospirillaceae 100
15 177 不可培养的细菌 Uncultured bacterium（LN736139） 100
16 199 大肠杆菌 Escherichia coli（CP011938） 大肠杆菌 Escherichia coli 100
17 199 不可培养的细菌 Uncultured bacterium（KP156314） 99
3 讨论
植物根形态构型具有可塑性，植物可以通过调节自身形态、构型来适应外界环境条件（Tyburski
et al.，2012）。在养分（如氮、磷）充足的土壤区域，根系生长快速，根系分支多（Hodge et al.，1999）；
在土壤缺磷环境时，植物可以通过减少主根生长，促进侧根生长，以利于适应环境胁迫（Tyburski et
al.，2012）。磷作为重要的营养元素显著影响植株的生长与代谢（Abel et al.，2002）。本研究中发现，
低磷胁迫导致番茄根系长度、根表面积、根体积和根尖的数量显著下降，而且低磷胁迫对不同番茄
品种根系生长影响程度不一致，这可能与不同番茄品种的耐低磷能力大小有关。此外，平衡施肥不
仅具有促进根系生长，增大根系吸收面积与空间的作用，而且还促进了番茄地上部分的生长，使根
冠比下降，这与前人的研究结果（Lynch & Brown，2001）一致。
低磷胁迫条件下，番茄植株根系分泌的有机酸和磷酸酶促进土壤磷素转化为可利用的磷，被吸
收利用，导致根际土壤磷含量减少。低磷胁迫处理下番茄根系可以吸收的磷有限，直接抑制根系对
氮、钾的吸收，表现为低磷胁迫处理的根际土壤中氮和钾的持有量显著高于对照和平衡施肥处理，
番茄根系的生长也因营养供应不足受到抑制。这一结果与陈建国等（2011）研究平衡施肥对缺磷红
壤水稻土肥力的影响结果类似。
土壤微生物种群的组成和数量变化可以反映土壤质量优劣和肥力水平（李秀英 等，2005）。土
壤微生物数量受土壤养分含量、作物类型以及感病与否等理化及生态因素影响（杨尚东 等，2013）。
除个别番茄品种外，低磷胁迫导致番茄根际土壤中可培养的细菌、真菌、放线菌数量显著低于平衡
施肥处理。这一现象表明番茄根际土壤中可培养微生物数量不仅受土壤矿质元素含量的影响，而且
还与品种间根系的生理活动强弱密切相关（王俊华 等，2015）。
土壤酶在土壤碳、氮、磷循环中发挥着重要的作用。土壤 β–葡糖苷酶作为参与土壤中碳水化
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Effect of low phosphorus stress on root growth and soil bacterial diversity in rhizosphere of tomatoes.
482 Acta Horticulturae Sinica，2016，43 (3)：473–484.
合物水解的一类重要的酶，与土壤有机质的转化关系密切；氨肽酶能水解由氨基酸组成的肽和酰肽，
为异养微生物提供所需氮源；磷酸酶则是一类催化土壤有机磷化合物矿化的酶，其活性高低直接影
响着土壤中有机磷的分解转化及其生物有效性（赵超 等，2010）。因此土壤酶活性是评价土壤健康
和肥力水平的重要指标（Ahamadou et al.，2009）。土壤微生物生物量是植物矿质养分的源和汇，微
生物生物量越大，土壤保肥作用越强，并使土壤养分趋于积累（Powlson et al.，1987）。本研究发现：
低磷胁迫处理的番茄根际土壤中 β–葡糖苷酶、氨肽酶和磷酸酶活性，以及土壤微生物生物量均极
显著低于对应的平衡施肥处理。陈波浪等（2014）研究发现施用磷肥可以显著增加土壤中磷酸酶的
活性，王俊华等（2015）研究发现平衡施肥处理的土壤酶活性和土壤生物量碳、氮、磷含量显著高
于缺磷施肥的处理。
PCR-DGGE技术是从微生物基因多样性角度研究微生物群落结构的方法。自从Muyzer等（1993）
首次将这项技术应用于微生物生态学研究以来，已越来越多地将其用于研究微生物群落结构、多样
性以及种群的动态变化（Sakurai et al.，2007；马宁宁和李天来，2013）。根据 DGGE 的分析原理，
每 1 个条带大致与群落中的 1 个优势菌群或操作分类单元（Operational taxonomic unit，OTU）相对
应，DGGE 条带数量基本体现了微生物种群数量，而条带亮度则反映了该菌类数量的多少（Muyzer
& Smalla，1998）。刘俊杰等（2008）研究发现，缺磷处理的大豆根际土壤中细菌多样性显著低于平
衡施肥处理。由本试验 DGGE 图谱可以看出，与平衡施肥相比，低磷胁迫处理番茄根际土壤细菌多
样性指数（H）、丰富度（S）和均匀度指数（Eh）均不同程度降低。进一步对不同施肥处理番茄根
际土壤 DGGE 图谱中优势条带回收、克隆及测序发现：65%为不可培养细菌种属，如鞘氨醇杆菌属
（Sphingobacterium sp.）、红螺菌科（Rhodospirillaceae）等细菌属；同时亦有鞘脂单胞属（Sphingopyxis
sp.）、甲基杆菌属（Methylobacterium sp.）、金黄杆菌属（Chryseobacterium sp.）以及大肠杆菌属
（Escherichia coli）等可培养细菌种属。研究表明：鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas sp.）、金黄杆菌
属（Chryseobacterium sp.）与大肠杆菌属（Escherichia coli）属于有溶磷功能的细菌种属（Chen et al.，
2006；黄腾，2009；Ahemad，2014）。这一结果表明：低磷胁迫条件下，番茄根际土壤中虽然富集
了部分具有溶磷功能的细菌种属，但同时亦会导致部分诸如甲基杆菌属（Methylobacterium sp.）等
具有溶磷功能的细菌种属缺失。究其原因，还需进一步研究。

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