磁化水處理對(duì)桑樹硬枝扦插生根生理的影響

畢思圣， 張志浩， 劉秀梅， 朱 紅， 孟詩原， 張 瑛， 王華田

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 山東省高校森林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，山東泰安 271018）

生物磁學(xué)（biomagnetism）是研究外磁場(chǎng)對(duì)生物體的影響以及生物磁性與生命活動(dòng)關(guān)系的磁學(xué)和生物學(xué)相互滲透的新興交叉學(xué)科，得到國內(nèi)外各領(lǐng)域?qū)＜业闹匾?，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、食品以及生物工程等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，其中磁化水處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)問題之一。磁化水是指灌溉水流經(jīng)特定磁場(chǎng)后，受洛倫茲力的作用，水分子氫鍵斷裂，液態(tài)水分子的締結(jié)結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)發(fā)生改變，造成分子間作用力減弱、聚合度降低，水密度增大，水的黏度和表面張力減小，pH值升高，電導(dǎo)率升高，溶氧量提高等［1－3］。研究發(fā)現(xiàn)：磁化水能提高鹽漬化土壤的脫鹽效果，顯著減輕鹽害對(duì)植物的傷害；提高土壤礦質(zhì)營養(yǎng)元素利用率、減少化肥使用量；提高水分利用效率、節(jié)約水資源；有效提高種子萌發(fā)率，加快生長發(fā)育速度，增加作物的產(chǎn)量和干物質(zhì)積累量，提高堿消值等［4-7］。關(guān)于不同磁強(qiáng)度處理的磁化水對(duì)植物生理生化影響的研究報(bào)道較少。不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁場(chǎng)，可能對(duì)水的物理化學(xué)性質(zhì)的影響程度不相同，與此同時(shí)，植物對(duì)不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁化水產(chǎn)生的生物學(xué)響應(yīng)也有所不同。桑樹Morus alba是中國重要的經(jīng)濟(jì)樹種，是飼養(yǎng)家蠶的唯一優(yōu)質(zhì)飼料，具有很高的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。桑樹生產(chǎn)多采用扦插，或者播種育苗培育砧木，然后進(jìn)行嫁接育苗技術(shù)繁育。扦插生產(chǎn)中多施加植物生長調(diào)節(jié)劑或生根粉提高生根成活率。由于扦插育苗在實(shí)際扦插過程中會(huì)受到桑樹品種、扦插時(shí)間、扦插部位、外部環(huán)境條件以及扦插管理技術(shù)等影響，可能導(dǎo)致桑樹育苗生產(chǎn)效率不穩(wěn)定，育苗周期延長［8-9］。試驗(yàn)所選用桑樹品種為山東省蠶業(yè)科學(xué)研究所通過雜交育種的三倍體桑樹成苗 ‘魯插1號(hào)’Morus alba‘Lucha-1’，該品種在扦插育苗生產(chǎn)中生根率偏低［10］。本研究采用磁處理技術(shù)對(duì)硬枝扦插育苗的噴淋水進(jìn)行磁化處理，以探索不同磁感應(yīng)強(qiáng)度處理對(duì)扦插苗生根生理的影響，為提高桑樹扦插育苗效率提供更簡潔有效的技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

試驗(yàn)設(shè)置于山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)實(shí)驗(yàn)站（36°11′N，117°08′E）進(jìn)行，于3月下旬桑樹芽膨大前，采集山東農(nóng)業(yè)大學(xué)蠶學(xué)實(shí)驗(yàn)站 ‘魯插1號(hào)’桑樹母樹外圍生長健壯、無病蟲害、粗度為（1.5±0.1）cm的1年生木質(zhì)化枝條，剪截成長度為15.0 cm的扦插苗。剪截扦插苗時(shí)上、下切口平滑，不裂口，不撕皮，各扦插苗保留2～3個(gè)飽滿芽。扦插前進(jìn)行插床基質(zhì)消毒，栽培基質(zhì)為草炭土、蛭石和珍珠巖的混合基質(zhì)，混合比例為V（泥炭土）∶V（蛭石）∶V（珍珠巖）＝1∶4∶1。 扦插前期不做生根藥物處理， 扦插后澆透水， 保持棚內(nèi)空氣相對(duì)濕度為85%～95%，溫度25～28℃。

試驗(yàn)采用內(nèi)徑25 mm的PP-25-ADS磁化器，在0.06，0.14和0.22 T等3種磁感應(yīng)強(qiáng)度下磁化飲用自來水，以未磁化自來水為對(duì)照（ck）。設(shè)置2次噴淋間隔期為5 min，噴淋時(shí)長為10 s·次－1；采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，重復(fù)5次·處理－1；共20個(gè)扦插小區(qū)，扦插苗數(shù)量為200條·小區(qū)－1。

1.2 測(cè)定方法

扦插后第10天和第20天，隨機(jī)抽取扦插苗，5株·小區(qū)－1，采用苯酚法和考馬斯亮藍(lán)染色法［11］分別測(cè)定扦插苗扦插端以上3 cm皮部的可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。扦插后第10天采集植物樣品并采用酶聯(lián)免疫法（ELISA）測(cè)定吲哚乙酸（IAA），吲哚丁酸（IBA），玉米素（ZT）和脫落酸（ABA）4種內(nèi)源激素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。扦插后第30天隨機(jī)抽取扦插苗，5株·小區(qū)－1，清洗干凈后用于根系形態(tài)分析（WinRHIZO）。測(cè)定完畢后所有根系烘干（105℃殺青1 h，80℃烘干24 h），稱取干質(zhì)量，依據(jù)章家恩［12］的方法測(cè)定礦質(zhì)養(yǎng)分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用單因素方差分析（one-way ANOVE），多重比較采用Duncan新復(fù)極差法（P＜0.05）。圖表中數(shù)據(jù)均為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，重復(fù)3次·處理－1。采用SPSS 22.0進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 磁化水處理對(duì)桑樹扦插生根和根系活力的影響

由表1可知：0.22 T處理的桑樹扦插苗生根率最高，平均達(dá)66.00%，較對(duì)照高16.7%，0.06和0.14 T處理生根率則較對(duì)照高出7.0%和12.3%，各處理組與對(duì)照之間均呈顯著差異（P＜0.05）。扦插后第10天取樣觀察愈傷組織發(fā)生情況發(fā)現(xiàn)：0.22 T處理有部分出現(xiàn)愈傷組織，并能觀察到不定根原基明顯膨大，而對(duì)照沒有出現(xiàn)愈傷組織；0.06和0.14 T處理則有少部分植株出現(xiàn)愈傷組織。從不定根發(fā)生時(shí)間來看，0.06，0.14和0.22 T處理分別較對(duì)照提前3，6和8 d；于第30天時(shí)取樣觀察一級(jí)根發(fā)生數(shù)量，0.14和0.22 T處理一級(jí)根發(fā)生數(shù)量顯著高于對(duì)照（P＜0.05）。通過對(duì)不同生根部位根系發(fā)生數(shù)量的觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)：皮部生根根系發(fā)生數(shù)量都較對(duì)照呈現(xiàn)顯著差異（P＜0.05）；愈傷組織根系發(fā)生數(shù)量較對(duì)照沒有顯著差異；對(duì)根系活力的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，各磁化水處理都高于對(duì)照且呈顯著差異（P＜0.05），其中0.22 T處理根系活力水平最高。

表1 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度處理對(duì)桑樹扦插苗根系的影響Table 1 Influence on taking roots of mulberry seedlings under different intensity of magnetic field treatments

2.2 磁化水處理對(duì)根系礦物質(zhì)元素積累影響

由表2可知：氮、磷、鉀在根系組織中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小依次為氮，磷，鉀。與對(duì)照相比，磁化水處理的氮、鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著差異（P＜0.05），其中0.06，0.14和0.22 T處理氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對(duì)照分別提高23.2%，28.7%和36.5%；鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別提高24.1%，25.0%和25.9%；磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著。

與對(duì)照相比，磁化水處理中微量元素鐵、鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有顯著差異（P＜0.05），其中0.06，0.14和0.22 T處理鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于對(duì)照，分別為對(duì)照的19.1%，41%和61.2%；鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理組均高于對(duì)照，分別提高98.6%，97.3%和156.7%。而錳、銅2種微量元素差異不顯著。

表2 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度處理對(duì)桑樹扦插苗根系礦質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 2 Root parameters of mulberry cutting under different intensities of magnetic field conditions

2.3 磁化水處理對(duì)根系形態(tài)特征的影響

由表3可知：磁化水處理桑樹扦插苗總根長、總表面積、總體積、平均直徑、根系生物量均高于對(duì)照，總根長、總表面積、總體積、平均直徑、根系生物量等5項(xiàng)指標(biāo)由高到低均為0.22 T，0.14 T，0.06 T處理，對(duì)照。其中，0.06，0.14和0.22 T磁化水處理總根長分別較對(duì)照提高13.4%，27.7%和103.8%，均呈顯著差異（P＜0.05）；總表面積分別提高44.1%，72.8%和105.7%，均呈顯著差異（P＜0.05）；根系總體積分別升高86.0%，108.3%和136.1%，均呈顯著差異（P＜0.05）。0.14和0.22 T處理根系平均直徑分別較對(duì)照提高33.3%和27.8%，呈顯著差異（P＜0.05），0.06 T磁化水處理差異不顯著。0.06，0.14和0.22 T處理中根系生物量較對(duì)照提高40.2%，64.6%和101.2%，均呈顯著差異（P＜0.05）。可以看出，磁化水處理的桑樹扦插苗根系形態(tài)各指標(biāo)均高于對(duì)照，特別是0.22 T中根系形態(tài)指標(biāo)為對(duì)照2倍。

表3 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度處理對(duì)桑樹扦插苗根系形態(tài)特征的影響Table 3 Morphological characteristics of mulberry seedlings under different intensity of magnetic field conditions

2.4 磁化水處理對(duì)可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

由圖1A可知：各處理可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)在噴淋過程中均呈上升趨勢(shì)。在第10天時(shí)，與對(duì)照相比，0.22 T處理中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，呈顯著差異（P＜0.05），較對(duì)照提高50.8%，0.06和0.14 T處理無顯著差異；在第20天時(shí)，0.22 T處理中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，高出對(duì)照約83.7%，呈顯著差異（P＜0.05），0.06和0.14 T處理較對(duì)照呈顯著差異（P＜0.05），并較對(duì)照分別高出41.4%和64.9%。由此看出，0.22 T磁化水處理的桑樹扦插苗中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，且差異顯著（P＜0.05）。

從圖1B可知：各個(gè)處理中可溶蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在噴淋過程中均呈上升趨勢(shì)。在處理第10天時(shí)，0.06，0.14和0.22 T中可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對(duì)照，呈顯著差異（P＜0.05），其中0.22 T處理中可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，較對(duì)照提高84.1%；0.06和0.14 T處理較對(duì)照分別高出31.8%和45.0%。處理第20天時(shí)，0.06，0.14和0.22 T處理較對(duì)照呈顯著差異（P＜0.05），0.22 T處理的扦插苗可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，較對(duì)照高出83.7%；0.06和0.14 T處理分別高出32.5%和34.0%。因此，0.22 T磁化水處理對(duì)桑樹扦插苗可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響最大。

圖1 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度處理的桑樹扦插苗可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Figure 1 Contents of soluble sugar and soluble protein in mulberry cutting under different intensity of magnetic field conditions

2.5 磁化水處理對(duì)內(nèi)源激素的影響

從圖2A和2D可知：脫落酸（ABA）和玉米素（ZT）質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平分別從對(duì)照、低磁感應(yīng)強(qiáng)度到高磁感應(yīng)強(qiáng)度依次減少，且各磁化水處理較對(duì)照都呈顯著差異（P＜0.05）。其中，0.22 T磁化水處理ABA和ZT質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，分別較對(duì)照降低37.9%和26.1%?？梢钥闯觯珹BA和ZT質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磁感應(yīng)強(qiáng)度大小呈負(fù)相關(guān)。

從圖2B和2C可知：吲哚丁酸（IBA）和吲哚乙酸（IAA）質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平分別從對(duì)照，低磁感應(yīng)強(qiáng)度到高磁感應(yīng)強(qiáng)度依次增加，且與對(duì)照相比均呈顯著差異（P＜0.05）。其中，0.22 T磁化水處理中IBA和IAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別較對(duì)照高出46.3%和47.3%。可以看出，IBA和IAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磁感應(yīng)強(qiáng)度呈正相關(guān)。

圖2 磁化水處理對(duì)第10天桑樹扦插苗內(nèi)源激素的影響Figure 2 Levels of abscisic acid,indolebutyric acid,indoleacetic acidand zeatinon the 10th under different intensity of magnetic field conditions

3 討論與結(jié)論

3.1 磁化水處理對(duì)扦插苗營養(yǎng)物質(zhì)、激素和生根的影響

水是植物細(xì)胞重要組成部分，是代謝過程的反應(yīng)物質(zhì)，參與植物體的各項(xiàng)生理反應(yīng)和反應(yīng)介質(zhì)的運(yùn)輸。與對(duì)照相比，磁化水處理的桑樹扦插苗維持了更高水平的可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這是因?yàn)榇呕幚硐滤肿哟剡M(jìn)入細(xì)胞壁的概率增加，蛋白質(zhì)與水分子的相互作用增強(qiáng)，促使了植物體內(nèi)淀粉的分解轉(zhuǎn)運(yùn)和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)的積累；磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，灌溉植株可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增長越明顯，這是由于不同磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)植物生物膜通透性的影響不同，同時(shí)磁感應(yīng)改變了水的滲透力、溶解力與締合度［13］，提高了扦插苗根系活力、根系從外界吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力，從而促進(jìn)了愈傷根、不定根的生長，增加植株的生物量積累。這與張建民等［14］用磁化水澆灌番茄Lycopersicon esculentum及張新宇等［15］對(duì)絨毛白蠟Fraxinus velutina的研究結(jié)果相似。

植物激素IAA和IBA在不定根形成中起關(guān)鍵作用。ABA一般被認(rèn)為是植物體內(nèi)的抑制性植物激素，低濃度的ABA和細(xì)胞分裂素（CTK）有促進(jìn)植物生根的作用，高濃度ABA抑制IAA的運(yùn)輸和離體器官的生長，抑制愈傷組織的形成［16］。研究發(fā)現(xiàn)：較對(duì)照而言，磁化水處理明顯降低了扦插苗不定根誘導(dǎo)期的ABA和ZT水平，提高了IAA和IBA的水平，這與植物生根數(shù)量測(cè)定表現(xiàn)一致，即磁化作用對(duì)桑樹扦插苗根系形成有明顯的促進(jìn)效果。不同磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)植物影響不同，磁場(chǎng)對(duì)于植物的效應(yīng)與磁場(chǎng)的分布及頻率有關(guān)，所以磁場(chǎng)作用對(duì)植物生長的影響是有多種機(jī)制共同決定［17-18］。本研究發(fā)現(xiàn)：不同磁感應(yīng)強(qiáng)度磁化水噴淋處理均可提高桑樹扦插苗可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，影響內(nèi)源激素（如ABA，IAA，IBA，ZT等）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平，即磁感應(yīng)強(qiáng)度越高扦插苗生根作用越明顯，更能增強(qiáng)細(xì)胞代謝活動(dòng)，促進(jìn)愈傷組織的形成及不定根的產(chǎn)生，使根系發(fā)生提前、皮部生根數(shù)量增多。

3.2 磁化水處理對(duì)扦插苗根系形態(tài)發(fā)育及礦質(zhì)吸收的影響

磁化水處理顯著提高了根系中氮、鉀和鋅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明磁化效應(yīng)可以促進(jìn)扦插苗根系對(duì)氮、鉀、鋅的吸收積累，這跟張鳳娟等［19］對(duì)磁化水處理番茄后氮、鉀吸收量增加的研究結(jié)果一致。鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)從對(duì)照、低磁感應(yīng)強(qiáng)度到高磁感應(yīng)強(qiáng)度依次降低，這是因?yàn)殍F元素的吸收和運(yùn)輸與植物質(zhì)外體調(diào)節(jié)pH值相關(guān)。磁化水處理通過影響扦插苗質(zhì)外體對(duì)pH值調(diào)節(jié)從而影響鐵元素在植物體內(nèi)的跨膜運(yùn)輸［20］，并且磁感應(yīng)強(qiáng)度越高對(duì)鐵積累的抑制作用越明顯。磁場(chǎng)效應(yīng)下，磷、錳、銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)沒有發(fā)生顯著變化，說明短期磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)磷、錳、銅等元素影響不明顯，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化可能是一個(gè)長期而緩慢的過程；也可能是因?yàn)榱?、錳、銅等元素與其他礦質(zhì)元素之間存在交互作用；因此，磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)磷、錳、銅等礦質(zhì)元素的作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

根系形態(tài)特征反映了根系吸收營養(yǎng)物質(zhì)的能力［21］，研究發(fā)現(xiàn)磁化水處理導(dǎo)致根系形態(tài)各項(xiàng)指標(biāo)均高于對(duì)照，可能是由于磁化水處理提高了氮、鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而后者能提高分生組織、薄壁細(xì)胞的活躍程度，使根尖分生區(qū)長度加長，側(cè)根形成數(shù)目增多，使根系總體積、平均直徑、總長度和總表面積增大，促進(jìn)根系生長。與趙黎明等［22］用磁化水處理作物生根的研究結(jié)果相似。磁化水處理通過影響礦物質(zhì)吸收，繼而影響了扦插苗根系分化與形態(tài)建成，促進(jìn)不定根發(fā)生。

磁化水處理強(qiáng)度與扦插苗形成愈傷組織時(shí)間、生根時(shí)間以及提升根系質(zhì)量和扦插成活率呈正比，高磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁化水處理技術(shù)在扦插繁育中起到有效的促進(jìn)作用，能夠加強(qiáng)植物根系對(duì)外界營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用，同時(shí)影響了內(nèi)源激素成分，提高了對(duì)礦質(zhì)元素吸收效率，對(duì)根系形態(tài)發(fā)育，礦物質(zhì)元素積累也有一定的促進(jìn)作用。這與之前的一些磁化水處理植物研究成果相一致［23-24］。也有研究發(fā)現(xiàn)：磁化水處理后亞麻Linum usitatissimum的細(xì)胞增殖活性減弱，增殖周期減緩［25］。這需要對(duì)磁感應(yīng)的作用機(jī)理做進(jìn)一步研究，以期促進(jìn)該技術(shù)在農(nóng)林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。