科微說|從蒙古黃芪中“尋寶”：申氏桿菌助力小麥減施化肥
從蒙古黃芪中“尋寶”：申氏桿菌助力小麥減施化肥小時候幫父母往地里背化肥的場景給我們的童年留下了深刻的印象。那時我們就忍不住好奇：為什么化肥越施越多，地里的收成卻未必節(jié)節(jié)攀升？長大后才明白，這背后藏著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中2個棘手的難題——連作障礙與化肥濫用。
隨著全球人口膨脹，糧食需求不斷增加，禾本科主糧作物在種植過程中的連作現(xiàn)象普遍存在，從而導(dǎo)致作物減產(chǎn)。我國連作重災(zāi)區(qū)面積超過10%，其中20%以上位于規(guī)模化種植區(qū)。為了挽回產(chǎn)量，農(nóng)民只能不斷增加化肥施用量，形成“連作減產(chǎn)→多施化肥→土壤更差→再增化肥”的惡性循環(huán)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對化肥的過度依賴，帶來的問題遠(yuǎn)比想象中嚴(yán)重。禾本科作物對含氮化肥的需求量很大，而禾本科作物無法直接利用大氣中的氮元素，因此禾本科植物嚴(yán)重依賴化肥施用。研究表明，植物只會吸收30%?40%的氮肥，過度使用化肥不僅會導(dǎo)致肥力下降，還會導(dǎo)致土壤酸化，有機(jī)質(zhì)含量下降，水體富營養(yǎng)化，地下水和飲用水中硝酸鹽污染，危害人體健康。
近年來，微生物技術(shù)的發(fā)展為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了新曙光。有研究發(fā)現(xiàn)，增施微生物菌肥和土壤修復(fù)劑可以促進(jìn)連作辣椒生長，改善辣椒品質(zhì)，辣椒單果質(zhì)量和可溶性糖含量顯著增加，同時降低土壤鹽度，提高土壤微生物含量，減少辣椒連作障礙。因此，利用微生物菌劑，減少化肥用量是解決連作障礙的方法之一。其中，固氮菌作為一類能將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為植物可利用氮素的微生物，成為減少化肥依賴的核心力量。
固氮菌的固氮方式主要有2種：一種是豆科植物通過與根瘤菌的共生關(guān)系獲得氮，稱為共生固氮，另一種是聯(lián)合固氮，聯(lián)合固氮是指固氮菌與植物形成一種松散的互利共生關(guān)系，但不形成類似豆科植物共生固氮的根瘤結(jié)構(gòu)。雖然聯(lián)合固氮的效率不及共生固氮，但禾本科作物的種植面積遠(yuǎn)超豆科作物，因此篩選高效聯(lián)合固氮菌，對農(nóng)業(yè)減肥增效具有重要意義。
而想要找到性能優(yōu)異的固氮菌，合適的“篩選源”至關(guān)重要。蒙古黃芪(Astragalus membranaceus var. mongholicus)是豆科黃芪屬多年生草本藥用植物，豆科植物的根是固氮菌生存的重要場所，固氮菌種豐富，此外，隴西黃芪多生長在較為干旱、貧瘠的土壤中，其生長環(huán)境決定了黃芪內(nèi)生固氮菌抗逆性強(qiáng)，如耐鹽堿、耐干旱等。
圖1 2個新品系蒙古黃芪中內(nèi)生菌的分離
圖2 通過選擇培養(yǎng)基從新品系蒙古黃芪的內(nèi)生菌中定向篩選出5株優(yōu)良固氮菌
基于這一思路，我們從甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)陳垣團(tuán)隊(duì)育成的新品系蒙古黃芪(‘甘芪1號’和‘甘芪2號’)中分離得到5株優(yōu)良固氮菌，其中1株能夠顯著提高連作小麥幼苗生長指標(biāo)，經(jīng)鑒定為申氏桿菌，對減少化肥用量和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展有重要意義，不僅為破解連作困局提供了新方案，更讓我們看到了微生物技術(shù)在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中的巨大潛力。
