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        低壓直流電場對(duì)沙打旺生長及根系土壤酶活的影響

        2021-05-11 01:36:26成新艷鄧流陽杜夢琳楊瀅瀅
        湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:沙打旺陰極陽極

        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(dá),主根粗壯??鼓嫘詮?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(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)沙打旺的外加電場試驗(yàn),初步探究低壓直流電場對(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,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(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。在電場強(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 電場強(qiáng)度范圍內(nèi),隨著電場強(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。不過在0~0.4 V/cm 時(shí),其下降趨勢不顯著(P>0.05)。當(dāng)電場強(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(duì)沙打旺抗氧化酶活性的影響

        圖2 不同電場強(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 電場強(qiáng)度范圍內(nèi),隨著電場強(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。當(dāng)電場強(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強(qiáng)度的增強(qiáng)而升高。當(dāng)電場強(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強(qiáng)度的增強(qiáng)而升高。當(dāng)電場強(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)度的直流電場會(huì)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(yàn)的結(jié)果也可以看出,一定強(qiáng)度的電場能夠增強(qiáng)植物根際的土壤酶活性。但過高的電場強(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,表明過高的電場強(qiáng)度會(huì)一定程度上抑制沙打旺的生長。

        表1 不同電場強(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強(qiáng)度范圍為0.2~0.4 V/cm。

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