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大豆是我国重要的粮油作物,在华南地区种植大豆对改善我国当前大豆供需矛盾具有重要作用,同时大豆共生固氮也具有良好的生态效应。华南地区的土壤主要为酸性,酸性土壤中缺磷和铝毒同时存在,势必影响大豆生长和结瘤,但有关的研究还鲜见报道。本研究首先在培养基上设置了一系列酸铝浓度,从细菌水平研究酸铝对大豆根瘤菌生长的影响。此外,还通过低氮营养液试验,设置不同磷铝水平,从植株水平上探讨磷铝交互作用对大豆生长及结瘤性状的影响。最后进一步通过对大豆根瘤蛋白的提取、纯化以及双向电泳技术,分离和鉴定与大豆铝毒胁迫相关的根瘤蛋白。主要研究结果如下:
(1)pH处理的培养基试验表明,pH值显著影响大豆根瘤菌的生长,其最适生长的pH值范围为6-7。供试的4株根瘤菌菌株都具有一定的耐酸能力,但pH值过低显著抑制根瘤菌的生长,pH值低于4时根瘤菌不能生长。不同根瘤菌菌株耐酸能力差异显著,其中BDYD1和BXYD3的耐酸能力高于USDA110和BXBL9。
(2)铝处理的培养基试验表明,铝毒显著影响大豆根瘤菌的生长。在酸性条件下,随着铝浓度的增加,根瘤菌生长受到抑制;铝浓度为400μmol/L时,菌株的对数生长期和最大生长期延迟24小时。不同菌株耐铝能力差异显著,其中BDYD1和BXYD3的耐铝能力高于LISDA110和BXBL9。菌株自身生长显著影响培养基的pH值,在铝处理下随着培养时间的增加,培养基的pH值逐渐升高至中性,从而降低铝毒的危害。
(3)铝处理水培试验发现,供铝和接种根瘤菌显著影响大豆生长并存在明显的交互作用。高浓度铝处理严重抑制大豆生长,在铝浓度为100μmol/L时,大豆地上部干重、叶绿素含量、根长和根重分别降低为对照的83％、73%、80%和88%。高浓度铝也明显抑制根瘤的形成、生长和固氮能力,但接种根瘤菌能显著减轻铝对大豆根瘤生长的毒害作用。在铝浓度为100μmol/L时,大豆根瘤数、根瘤干重、固氮酶活性和地上部氮含量分别减少到对照的58%、57%、43%和78.8%。
(4)磷铝交互处理水培试验发现,磷和铝对大豆生长有显著的影响并存在交互作用,高磷能减轻铝毒对大豆生长的抑制作用。在铝浓度为100μmol/L,高磷处理的大豆地上部干重比低磷处理的增加约60%,其中接种LJSDA110、BDYD1、BXBL9、BXYD3分别提高69%、74%、48%、70%;磷铝对大豆结瘤性状也存在交互作用,表现在高磷能减轻铝毒对大豆结瘤的抑制作用。加铝条件下,高磷处理的大豆根瘤数、根瘤干重、固氮酶活性和地上部含氮量分别比低磷处理的增加34%、64%、36%和80%。此外,与低磷处理相比,高磷处理的大豆地上部、根中和根瘤中铝的浓度,分别降低了55%、38%和42%。
(5)磷铝交互处理水培试验还发现,接种不同根瘤菌株系,大豆结瘤性状对磷铝的响应具有显著的差异。从根瘤数、根瘤生物量、根瘤固氮酶活性和地上部吸氮量看,从酸性、低磷高铝土壤分离的根瘤菌株系BDYD1和BXYD3比BXBL9和USDA110接种效果好,说明BDYD1和BXYD3比BXBL9和LJSDA110更耐酸、耐低磷、耐铝毒,更适合用于酸性土壤上大豆的生产。
(6)通过对大豆根瘤蛋白组学研究发现,铝处理显著影响大豆根瘤蛋白的组成。铝毒胁迫的根瘤蛋白双向电泳图谱与对照相比,共有17个蛋白的表达情况存在差异,包括6个上调点和11个下调点。其中根瘤苹果酸脱氢酶蛋白点(MDH)在加铝后上调,暗示苹果酸合成与分泌可能与大豆根瘤的耐铝毒能力相关。
综上所述,本文探讨了磷铝交互作用对大豆生长、结瘤性状的影响及其可能机制,为筛选适合华南酸性、低磷高铝毒土壤的大豆品种及高效根瘤菌菌株,进而为提高我国南方大豆生产提供了实验依据。