低压直流电场对沙打旺生长及根系土壤酶活的影响

2021-05-11成新艳邓流阳杜梦琳杨滢滢

湖北农业科学 2021年8期

成新艳，凌梦，邓流阳，杜梦琳，杨滢滢，王陈，陈珂

（西南科技大学生命科学与工程学院，四川绵阳 621010）

沙打旺（Astragalus adsurgensPall.）为豆科黄芪属多年生草本。根系发达，主根粗壮。抗逆性强，适应性广，具有抗旱、抗寒、抗风沙、耐贫瘠等特性，且较耐盐碱，但不耐涝。另外，沙打旺具有重金属耐受性，并能提供有机质和氮源，有明显的土壤改良作用，高产并且饲用价值高［1］。

对植物施加适宜的电场处理能促进其生长发育。有研究表明，He 等［2］指出低压电场能够提高玉米超氧化物歧化酶（SOD）活性，降低丙二醛（MDA）含量，促进植株生长。Quagliariello 等［3］提出脉冲电场能够提高水稻细胞质膜的活性和抗氧化酶的含量。汪结明等［4］研究发现，对红梅插穗进行适当强度的电场处理，能显著提高其根系活力、单株生根数、根鲜重、根系均长以及扦插成活率等。在施加电场的过程中，其土壤理化性质也会发生一定程度的变化（如土壤的酸碱化），进而影响植物的生长。同时，合适的外加电场还可以加强土壤中营养物质的流动与释放，提高微生物细胞与营养物质的传质水平，这些微生物的代谢活动也会在一定程度上影响植物根系土壤酶活，由此促进植物的生长［5］。此外，对土壤施加电场也有助于土壤重金属（或污染物）的植物修复过程，它能够加速重金属（或污染物）的迁移转化，提高污染物的可溶性，将重金属（或污染物）集中在植物根系及其周围，从而提高植物对重金属（或污染物）的富集［6-8］。因此，本研究主要开展对沙打旺的外加电场试验，初步探究低压直流电场对豆科植物沙打旺生长及其根际土壤酶活的影响，以期为后续电动修复与豆科植物修复的联合应用提供一定的试验基础与理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取饱满的沙打旺种子，用0.1%KMnO4溶液浸泡消毒15 min，取出用去离子水冲洗3 次，然后将其播种至育苗盆中，育苗2 周后，选取长势基本一致的沙打旺幼苗待试。试验土壤为0～20 cm 的表层田园土，风干后过20 目筛（直径50 cm，筛孔0.85 mm）。试验盆栽容器为40 cm×13 cm×17 cm（长×高×宽）的花盆，每盆装6 kg 土壤，在盆两端插入柱状石墨电极（直径5 mm，长15 cm），两电极间的距离为30 cm，电极插入土壤的深度为10 cm，试验时在两极通电。

1.2 试验设计

采用土壤盆栽模式进行试验。通过对花盆两侧电极施加直流电场，将花盆均匀分为3 个区域，即阳极区、中间区、阴极区，分别在3 个区域里移栽上4 株沙打旺幼苗。设置直流电场强度分别为0、0.2、0.4、0.8 V/cm，其中 0 V/cm 为对照组（CK），每个处理组设置3 个重复。每天加电时间为4 h（8：00—10：00加电2 h；15：00—17：00 加电2 h）。

试验处理30 d 后，不同处理组不同区域（阳极区、中间区、阴极区）植株的叶绿素荧光参数使用MPEA 植物效率分析仪进行测定；叶绿素含量采用乙醇丙酮混合液常温浸提比色法进行测定；SOD 活性采用氮蓝四唑（NBT）法，POD 活性采用愈创木酚法，CAT 活性采用紫外吸收法进行测定；株高、根长使用卷尺（mm）测量，株茎使用游标卡尺（0～125 mm）测量，生物量（鲜重、干重）使用电子天平测量。植株根际土壤的脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定，酸性/碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定。

1.3 数据处理

试验数据使用SPSS statistics 22 和GraphPad Prism 8 软件进行处理与绘图，显著性检验采用单因素方差检验。

2 结果与分析

2.1 低压电场对沙打旺叶绿素的影响

Fv/Fm反映了叶片中PSⅡ的最大光化学转化效率。从图1a 可以看出，随着电场强度的增加，3 个区域（阳极区、中间区、阴极区）沙打旺的Fv/Fm都显著高于对照（P＜0.05），受到明显的促进作用；电场强度为0.2 V/cm 时，阳极区和阴极区沙打旺的Fv/Fm均有最大值，分别比对照（CK）提高了2.45%、3.27%，其中间区Fv/Fm也比对照提高了2.60%。结果表明，对沙打旺施加一定强度的电场能降低天线色素的热耗散，提高PSⅡ的光能转化效率以及增强其利用弱光的能力［9］。

光合色素（叶绿素a 和叶绿素b）能吸收、传递和转化光能，叶绿素含量的变化能间接反映植物的光合能力［10］。图 1b、图 1c 结果显示，随着电场强度的增加，阳极区、中间区、阴极区3 个区域沙打旺的叶绿素a 和叶绿素b 的含量均呈先上升后下降的趋势。在电场强度为 0.2、0.4 V/cm 时，其叶绿素 a、b 的含量均显著大于对照，合成光合色素的能力也随之达到最强。当电场强度达到0.8 V/cm 时，其叶绿素a、b的含量均显著低于0.4 V/cm 加电处理，受到一定程度上的抑制。

图1 不同电场强度对沙打旺Fv/Fm（a）、叶绿素a 含量（b）、叶绿素b 含量（c）、类胡萝卜素总含量（d）的影响

类胡萝卜素是一种光保护色素，它能够清除任何单线态氧，进而防止叶绿素的光氧化破坏［10］。图1d 结果表明，在 0～0.8 V/cm 电场强度范围内，随着电场强度的增加，阳极区、中间区、阴极区3 个区域的类胡萝卜素总含量基本呈下降趋势。不过在0～0.4 V/cm 时，其下降趋势不显著（P＞0.05）。当电场强度为0.8 V/cm 时，阳极区和阴极区的类胡萝卜素总含量均显著低于对照（CK）（P＜0.05），分别为CK 的86.41%、82.78%。此结果表明，在叶绿素合成过程中，低压直流电场处理使类胡萝卜素的合成受到了抑制，一定程度上难以避免叶绿素的光氧化破坏。

2.2 直流电场对沙打旺抗氧化酶活性的影响

图2 不同电场强度对沙打旺CAT 活性（a）、SOD 活性（b）、POD 活性（c）的影响

从图 2a、图 2c 可知，在 0～0.4 V/cm 电场强度范围内，随着电场强度的升高，阳极区、中间区、阴极区3 个区域的沙打旺CAT、SOD 酶活均呈先升高后降低的趋势。当电场强度为0.2 V/cm 时，与对照（CK）相比，其CAT 活性提高了9.69%～40.33%，POD 活性提高了5.30%～9.02%，SOD 活性则提高了4.20%～14.45%；电场强度在0.8 V/cm 时，其CAT、POD、SOD活性也受到一定程度上的抑制。

正常情况下，由于植物细胞内SOD、PDO 等保护酶组成了活性氧酶促防御系统，可以清除活性氧保护细胞免受伤害［11］，而对其施加电场则使得植物体防御机制被破坏，从而在体内积累大量的活性氧自由基，对正常的植物组织造成过氧化胁迫，生理代谢紊乱［12］。于是，植株为了清除低压直流电场造成其体内累积的活性氧自由基，从而增强了活性氧酶促防御系统。

2.3 直流电场对根际土壤酶活的影响

从图3a、图3b、图3c 可以看出，当电场强度为0～0.4 V/cm 时，阳极区、中间区、阴极区 3 个区域的脲酶活性、蔗糖酶活性以及酸性磷酸酶活性均随着电场强度的增强而升高。当电场强度达到0.8 V/cm时，阳极区的脲酶活性和阴极区的酸性磷酸酶活性都受到一定程度的抑制，显著低于其他加电处理，与0.4 V/cm 处理相比，分别下降了60.43%、36.28%。

从图3d 可以看出，当电场强度为0～0.2 V/cm时，阳极区、中间区、阴极区3 个区域的碱性磷酸酶活性随着电场强度的增强而升高。当电场强度达到0.4～0.8 V/cm 时，阳极区和中间区的碱性磷酸酶活性受到了一定程度的抑制。

有研究表明，对土壤施加一定强度的直流电场会刺激根际土壤微生物的生长繁殖，并且合适的电场条件也有助于增加土壤微生物群落的多样性［13］。从本试验的结果也可以看出，一定强度的电场能够增强植物根际的土壤酶活性。但过高的电场强度（0.8 V/cm）会使得电极两端区域（阳极区、阴极区）土壤发生酸化和碱化，可能使得土壤微生物群落的多样性发生了变化，对根际土壤酶活造成了一定程度的影响，进而影响植株的生长发育。

2.4 直流电场对沙打旺生长指标和生物量的影响

植物的生长指标和生物量可以直观地反映其生长状况。通过对不同电场强度处理沙打旺植株的各项生长指标以及生物量的比较可以发现（表1），当电场强度为0.2～0.4 V/cm 时，与对照（CK）相比，其阳极区、中间区、阴极区3 个区域的沙打旺株高、根长、株茎、鲜重、地上生物量、地下生物量大部分受到了显著的促进（P＜0.05）。在电场强度为0.4 V/cm 时，与其对照（CK）相比，阳极区的株高增长了20.88%，中间区的株高则增长了35.50%；阳极区的根长增长了8.77%，阴极区的根长增长了35.07%；中间区的株茎增长了9.72%，阳极区的株茎增长了27.40%。

图3 不同电场强度对沙打旺脲酶活性（a）、蔗糖酶活性（b）、酸性磷酸酶活性（c）、碱性磷酸酶活性（d）的影响

在电场强度为0.4 V/cm 时，阳极区和阴极区沙打旺的株高、根长、株茎均大于其他处理，大部分差异显著（P＜0.05）。同时，阳极区、中间区、阴极区3个区域沙打旺的鲜重分别增长了31.82%、31.92%、65.00%；地上生物量分别增长了50.00%、36.05%、62.82%；地下生物量则分别增长了114.29%、131.25%、120.00%。该结果表明，外加一定强度的低压直流电场可以促进植物细胞的分裂和增生，提高细胞膜的通透性，增强物质的转运能力，刺激植物生长［14，15］。当电场强度达到0.8 V/cm 时，与0.4 V/cm 处理相比，阳极区、中间区、阴极区3 个区域沙打旺的株高、根长、株茎、鲜重、地上生物量、地下生物量均受到一定程度的抑制，表明过高的电场强度会一定程度上抑制沙打旺的生长。