成新艷，凌 夢(mèng)，鄧流陽，杜夢(mèng)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(dá)，主根粗壯。抗逆性強(qiáng)，適應(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(jī)質(zhì)和氮源，有明顯的土壤改良作用，高產(chǎn)并且飼用價(jià)值高［1］。

對(duì)植物施加適宜的電場(chǎng)處理能促進(jìn)其生長發(fā)育。有研究表明，He 等［2］指出低壓電場(chǎng)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(jìn)植株生長。Quagliariello 等［3］提出脈沖電場(chǎng)能夠提高水稻細(xì)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(duì)紅梅插穗進(jìn)行適當(dāng)強(qiáng)度的電場(chǎng)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(chǎng)的過程中，其土壤理化性質(zhì)也會(huì)發(fā)生一定程度的變化（如土壤的酸堿化），進(jìn)而影響植物的生長。同時(shí)，合適的外加電場(chǎng)還可以加強(qiáng)土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng)與釋放，提高微生物細(xì)胞與營養(yǎng)物質(zhì)的傳質(zhì)水平，這些微生物的代謝活動(dòng)也會(huì)在一定程度上影響植物根系土壤酶活，由此促進(jìn)植物的生長［5］。此外，對(duì)土壤施加電場(chǎng)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(duì)重金屬（或污染物）的富集［6-8］。因此，本研究主要開展對(duì)沙打旺的外加電場(chǎng)試驗(yàn)，初步探究低壓直流電場(chǎng)對(duì)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(dòng)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(yàn)基礎(chǔ)與理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)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(shì)基本一致的沙打旺幼苗待試。試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)時(shí)在兩極通電。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

試驗(yàn)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(jìn)行測(cè)定；葉綠素含量采用乙醇丙酮混合液常溫浸提比色法進(jìn)行測(cè)定；SOD 活性采用氮藍(lán)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(jìn)行測(cè)定；株高、根長使用卷尺（mm）測(cè)量，株莖使用游標(biāo)卡尺（0～125 mm）測(cè)量，生物量（鮮重、干重）使用電子天平測(cè)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(cè)定，酸性/堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

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

2 結(jié)果與分析

2.1 低壓電場(chǎng)對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度的增加，3 個(gè)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(duì)照（P＜0.05），受到明顯的促進(jìn)作用；電場(chǎng)強(qiáng)度為0.2 V/cm 時(shí)，陽極區(qū)和陰極區(qū)沙打旺的Fv/Fm均有最大值，分別比對(duì)照（CK）提高了2.45%、3.27%，其中間區(qū)Fv/Fm也比對(duì)照提高了2.60%。結(jié)果表明，對(duì)沙打旺施加一定強(qiáng)度的電場(chǎng)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(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度的增加，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個(gè)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(shì)。在電場(chǎng)強(qiáng)度為 0.2、0.4 V/cm 時(shí)，其葉綠素 a、b 的含量均顯著大于對(duì)照，合成光合色素的能力也隨之達(dá)到最強(qiáng)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.8 V/cm 時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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(hù)色素，它能夠清除任何單線態(tài)氧，進(jìn)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(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個(gè)區(qū)域的類胡蘿卜素總含量基本呈下降趨勢(shì)。不過在0～0.4 V/cm 時(shí)，其下降趨勢(shì)不顯著（P＞0.05）。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為0.8 V/cm 時(shí)，陽極區(qū)和陰極區(qū)的類胡蘿卜素總含量均顯著低于對(duì)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(chǎng)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(chǎng)對(duì)沙打旺抗氧化酶活性的影響

圖2 不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的升高，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個(gè)區(qū)域的沙打旺CAT、SOD 酶活均呈先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為0.2 V/cm 時(shí)，與對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度在0.8 V/cm 時(shí)，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(xì)胞內(nèi)SOD、PDO 等保護(hù)酶組成了活性氧酶促防御系統(tǒng)，可以清除活性氧保護(hù)細(xì)胞免受傷害［11］，而對(duì)其施加電場(chǎng)則使得植物體防御機(jī)制被破壞，從而在體內(nèi)積累大量的活性氧自由基，對(duì)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(chǎng)造成其體內(nèi)累積的活性氧自由基，從而增強(qiáng)了活性氧酶促防御系統(tǒng)。

2.3 直流電場(chǎng)對(duì)根際土壤酶活的影響

從圖3a、圖3b、圖3c 可以看出，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為0～0.4 V/cm 時(shí)，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū) 3 個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而升高。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.8 V/cm時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度為0～0.2 V/cm時(shí)，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個(gè)區(qū)域的堿性磷酸酶活性隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而升高。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.4～0.8 V/cm 時(shí)，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(duì)土壤施加一定強(qiáng)度的直流電場(chǎng)會(huì)刺激根際土壤微生物的生長繁殖，并且合適的電場(chǎng)條件也有助于增加土壤微生物群落的多樣性［13］。從本試驗(yàn)的結(jié)果也可以看出，一定強(qiáng)度的電場(chǎng)能夠增強(qiáng)植物根際的土壤酶活性。但過高的電場(chǎng)強(qiáng)度（0.8 V/cm）會(huì)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(duì)根際土壤酶活造成了一定程度的影響，進(jìn)而影響植株的生長發(fā)育。

2.4 直流電場(chǎng)對(duì)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(duì)不同電場(chǎng)強(qiáng)度處理沙打旺植株的各項(xiàng)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(chǎng)強(qiáng)度為0.2～0.4 V/cm 時(shí)，與對(duì)照（CK）相比，其陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個(gè)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(jìn)（P＜0.05）。在電場(chǎng)強(qiáng)度為0.4 V/cm 時(shí)，與其對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度為0.4 V/cm 時(shí)，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(shí)，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3個(gè)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(qiáng)度的低壓直流電場(chǎng)可以促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂和增生，提高細(xì)胞膜的通透性，增強(qiáng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，刺激植物生長［14，15］。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.8 V/cm 時(shí)，與0.4 V/cm 處理相比，陽極區(qū)、中間區(qū)、陰極區(qū)3 個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度會(huì)一定程度上抑制沙打旺的生長。

表1 不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)沙打旺各項(xiàng)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(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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(chǎng)促進(jìn)植株生長、提高光合作用能力、增強(qiáng)根系土壤酶活性的最佳電場(chǎng)強(qiáng)度范圍為0.2～0.4 V/cm。