低壓直流電場對沙打旺生長及根系土壤酶活的影響

成新艷，凌 夢，鄧流陽，杜夢琳，楊瀅瀅，王 陳，陳 珂

（西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

沙打旺（Astragalus adsurgensPall.）為豆科黃芪屬多年生草本。根系發(fā)達，主根粗壯?？鼓嫘詮姡m應(yīng)性廣，具有抗旱、抗寒、抗風(fēng)沙、耐貧瘠等特性，且較耐鹽堿，但不耐澇。另外，沙打旺具有重金屬耐受性，并能提供有機質(zhì)和氮源，有明顯的土壤改良作用，高產(chǎn)并且飼用價值高［1］。

對植物施加適宜的電場處理能促進其生長發(fā)育。有研究表明，He 等［2］指出低壓電場能夠提高玉米超氧化物歧化酶（SOD）活性，降低丙二醛（MDA）含量，促進植株生長。Quagliariello 等［3］提出脈沖電場能夠提高水稻細胞質(zhì)膜的活性和抗氧化酶的含量。汪結(jié)明等［4］研究發(fā)現(xiàn)，對紅梅插穗進行適當(dāng)強度的電場處理，能顯著提高其根系活力、單株生根數(shù)、根鮮重、根系均長以及扦插成活率等。在施加電場的過程中，其土壤理化性質(zhì)也會發(fā)生一定程度的變化（如土壤的酸堿化），進而影響植物的生長。同時，合適的外加電場還可以加強土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的流動與釋放，提高微生物細胞與營養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)水平，這些微生物的代謝活動也會在一定程度上影響植物根系土壤酶活，由此促進植物的生長［5］。此外，對土壤施加電場也有助于土壤重金屬（或污染物）的植物修復(fù)過程，它能夠加速重金屬（或污染物）的遷移轉(zhuǎn)化，提高污染物的可溶性，將重金屬（或污染物）集中在植物根系及其周圍，從而提高植物對重金屬（或污染物）的富集［6-8］。因此，本研究主要開展對沙打旺的外加電場試驗，初步探究低壓直流電場對豆科植物沙打旺生長及其根際土壤酶活的影響，以期為后續(xù)電動修復(fù)與豆科植物修復(fù)的聯(lián)合應(yīng)用提供一定的試驗基礎(chǔ)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取飽滿的沙打旺種子，用0.1%KMnO4溶液浸泡消毒15 min，取出用去離子水沖洗3 次，然后將其播種至育苗盆中，育苗2 周后，選取長勢基本一致的沙打旺幼苗待試。試驗土壤為0～20 cm 的表層田園土，風(fēng)干后過20 目篩（直徑50 cm，篩孔0.85 mm）。試驗盆栽容器為40 cm×13 cm×17 cm（長×高×寬）的花盆，每盆裝6 kg 土壤，在盆兩端插入柱狀石墨電極（直徑5 mm，長15 cm），兩電極間的距離為30 cm，電極插入土壤的深度為10 cm，試驗時在兩極通電。

1.2 試驗設(shè)計

采用土壤盆栽模式進行試驗。通過對花盆兩側(cè)電極施加直流電場，將花盆均勻分為3 個區(qū)域，即陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)，分別在3 個區(qū)域里移栽上4 株沙打旺幼苗。設(shè)置直流電場強度分別為0、0.2、0.4、0.8 V/cm，其中 0 V/cm 為對照組（CK），每個處理組設(shè)置3 個重復(fù)。每天加電時間為4 h（8：00—10：00加電2 h；15：00—17：00 加電2 h）。

試驗處理30 d 后，不同處理組不同區(qū)域（陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)）植株的葉綠素?zé)晒鈪?shù)使用MPEA 植物效率分析儀進行測定；葉綠素含量采用乙醇丙酮混合液常溫浸提比色法進行測定；SOD 活性采用氮藍四唑（NBT）法，POD 活性采用愈創(chuàng)木酚法，CAT 活性采用紫外吸收法進行測定；株高、根長使用卷尺（mm）測量，株莖使用游標(biāo)卡尺（0～125 mm）測量，生物量（鮮重、干重）使用電子天平測量。植株根際土壤的脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，酸性/堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS statistics 22 和GraphPad Prism 8 軟件進行處理與繪圖，顯著性檢驗采用單因素方差檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 低壓電場對沙打旺葉綠素的影響

Fv/Fm反映了葉片中PSⅡ的最大光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率。從圖1a 可以看出，隨著電場強度的增加，3 個區(qū)域（陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)）沙打旺的Fv/Fm都顯著高于對照（P＜0.05），受到明顯的促進作用；電場強度為0.2 V/cm 時，陽極區(qū)和陰極區(qū)沙打旺的Fv/Fm均有最大值，分別比對照（CK）提高了2.45%、3.27%，其中間區(qū)Fv/Fm也比對照提高了2.60%。結(jié)果表明，對沙打旺施加一定強度的電場能降低天線色素的熱耗散，提高PSⅡ的光能轉(zhuǎn)化效率以及增強其利用弱光的能力［9］。

光合色素（葉綠素a 和葉綠素b）能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化光能，葉綠素含量的變化能間接反映植物的光合能力［10］。圖 1b、圖 1c 結(jié)果顯示，隨著電場強度的增加，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個區(qū)域沙打旺的葉綠素a 和葉綠素b 的含量均呈先上升后下降的趨勢。在電場強度為 0.2、0.4 V/cm 時，其葉綠素 a、b 的含量均顯著大于對照，合成光合色素的能力也隨之達到最強。當(dāng)電場強度達到0.8 V/cm 時，其葉綠素a、b的含量均顯著低于0.4 V/cm 加電處理，受到一定程度上的抑制。

圖1 不同電場強度對沙打旺Fv/Fm（a）、葉綠素a 含量（b）、葉綠素b 含量（c）、類胡蘿卜素總含量（d）的影響

類胡蘿卜素是一種光保護色素，它能夠清除任何單線態(tài)氧，進而防止葉綠素的光氧化破壞［10］。圖1d 結(jié)果表明，在 0～0.8 V/cm 電場強度范圍內(nèi)，隨著電場強度的增加，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個區(qū)域的類胡蘿卜素總含量基本呈下降趨勢。不過在0～0.4 V/cm 時，其下降趨勢不顯著（P＞0.05）。當(dāng)電場強度為0.8 V/cm 時，陽極區(qū)和陰極區(qū)的類胡蘿卜素總含量均顯著低于對照（CK）（P＜0.05），分別為CK 的86.41%、82.78%。此結(jié)果表明，在葉綠素合成過程中，低壓直流電場處理使類胡蘿卜素的合成受到了抑制，一定程度上難以避免葉綠素的光氧化破壞。

2.2 直流電場對沙打旺抗氧化酶活性的影響

圖2 不同電場強度對沙打旺CAT 活性（a）、SOD 活性（b）、POD 活性（c）的影響

從圖 2a、圖 2c 可知，在 0～0.4 V/cm 電場強度范圍內(nèi)，隨著電場強度的升高，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個區(qū)域的沙打旺CAT、SOD 酶活均呈先升高后降低的趨勢。當(dāng)電場強度為0.2 V/cm 時，與對照（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 活性則提高了4.20%～14.45%；電場強度在0.8 V/cm 時，其CAT、POD、SOD活性也受到一定程度上的抑制。

正常情況下，由于植物細胞內(nèi)SOD、PDO 等保護酶組成了活性氧酶促防御系統(tǒng)，可以清除活性氧保護細胞免受傷害［11］，而對其施加電場則使得植物體防御機制被破壞，從而在體內(nèi)積累大量的活性氧自由基，對正常的植物組織造成過氧化脅迫，生理代謝紊亂［12］。于是，植株為了清除低壓直流電場造成其體內(nèi)累積的活性氧自由基，從而增強了活性氧酶促防御系統(tǒng)。

2.3 直流電場對根際土壤酶活的影響

從圖3a、圖3b、圖3c 可以看出，當(dāng)電場強度為0～0.4 V/cm 時，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū) 3 個區(qū)域的脲酶活性、蔗糖酶活性以及酸性磷酸酶活性均隨著電場強度的增強而升高。當(dāng)電場強度達到0.8 V/cm時，陽極區(qū)的脲酶活性和陰極區(qū)的酸性磷酸酶活性都受到一定程度的抑制，顯著低于其他加電處理，與0.4 V/cm 處理相比，分別下降了60.43%、36.28%。

從圖3d 可以看出，當(dāng)電場強度為0～0.2 V/cm時，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個區(qū)域的堿性磷酸酶活性隨著電場強度的增強而升高。當(dāng)電場強度達到0.4～0.8 V/cm 時，陽極區(qū)和中間區(qū)的堿性磷酸酶活性受到了一定程度的抑制。

有研究表明，對土壤施加一定強度的直流電場會刺激根際土壤微生物的生長繁殖，并且合適的電場條件也有助于增加土壤微生物群落的多樣性［13］。從本試驗的結(jié)果也可以看出，一定強度的電場能夠增強植物根際的土壤酶活性。但過高的電場強度（0.8 V/cm）會使得電極兩端區(qū)域（陽極區(qū)、陰極區(qū)）土壤發(fā)生酸化和堿化，可能使得土壤微生物群落的多樣性發(fā)生了變化，對根際土壤酶活造成了一定程度的影響，進而影響植株的生長發(fā)育。

2.4 直流電場對沙打旺生長指標(biāo)和生物量的影響

植物的生長指標(biāo)和生物量可以直觀地反映其生長狀況。通過對不同電場強度處理沙打旺植株的各項生長指標(biāo)以及生物量的比較可以發(fā)現(xiàn)（表1），當(dāng)電場強度為0.2～0.4 V/cm 時，與對照（CK）相比，其陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個區(qū)域的沙打旺株高、根長、株莖、鮮重、地上生物量、地下生物量大部分受到了顯著的促進（P＜0.05）。在電場強度為0.4 V/cm 時，與其對照（CK）相比，陽極區(qū)的株高增長了20.88%，中間區(qū)的株高則增長了35.50%；陽極區(qū)的根長增長了8.77%，陰極區(qū)的根長增長了35.07%；中間區(qū)的株莖增長了9.72%，陽極區(qū)的株莖增長了27.40%。

圖3 不同電場強度對沙打旺脲酶活性（a）、蔗糖酶活性（b）、酸性磷酸酶活性（c）、堿性磷酸酶活性（d）的影響

在電場強度為0.4 V/cm 時，陽極區(qū)和陰極區(qū)沙打旺的株高、根長、株莖均大于其他處理，大部分差異顯著（P＜0.05）。同時，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3個區(qū)域沙打旺的鮮重分別增長了31.82%、31.92%、65.00%；地上生物量分別增長了50.00%、36.05%、62.82%；地下生物量則分別增長了114.29%、131.25%、120.00%。該結(jié)果表明，外加一定強度的低壓直流電場可以促進植物細胞的分裂和增生，提高細胞膜的通透性，增強物質(zhì)的轉(zhuǎn)運能力，刺激植物生長［14，15］。當(dāng)電場強度達到0.8 V/cm 時，與0.4 V/cm 處理相比，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個區(qū)域沙打旺的株高、根長、株莖、鮮重、地上生物量、地下生物量均受到一定程度的抑制，表明過高的電場強度會一定程度上抑制沙打旺的生長。

表1 不同電場強度對沙打旺各項生長指標(biāo)和生物量的影響

3 小結(jié)

綜合分析不同大小的電場強度對沙打旺植株熒光參數(shù)、光合色素含量、抗氧化酶活性、根際土壤酶活、生長指標(biāo)和生物量的影響后可得，使用低壓直流電場促進植株生長、提高光合作用能力、增強根系土壤酶活性的最佳電場強度范圍為0.2～0.4 V/cm。