磁化水處理對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.山東農業大學 山東省高校森林培育重點實驗室，山東 泰安271018；2.山東農業大學 林學院，山東泰安 271018）

生物磁學（biomagnetism）是研究外磁場對生物體的影響以及生物磁性與生命活動關系的磁學和生物學相互滲透的新興交叉學科，得到國內外各領域專家的重視，在農業、醫學、環保、食品以及生物工程等領域均有廣泛應用，其中磁化水處理技術在農業中應用成為研究的熱點問題之一。磁化水是指灌溉水流經特定磁場后，受洛倫茲力的作用，水分子氫鍵斷裂，液態水分子的締結結構和理化性質發生改變，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，電導率升高，溶氧量提高等［1－3］。研究發現：磁化水能提高鹽漬化土壤的脫鹽效果，顯著減輕鹽害對植物的傷害；提高土壤礦質營養元素利用率、減少化肥使用量；提高水分利用效率、節約水資源；有效提高種子萌發率，加快生長發育速度，增加作物的產量和干物質積累量，提高堿消值等［4-7］。關于不同磁強度處理的磁化水對植物生理生化影響的研究報道較少。不同磁感應強度的磁場，可能對水的物理化學性質的影響程度不相同，與此同時，植物對不同磁感應強度的磁化水產生的生物學響應也有所不同。桑樹Morus alba是中國重要的經濟樹種，是飼養家蠶的唯一優質飼料，具有很高的經濟利用價值。桑樹生產多采用扦插，或者播種育苗培育砧木，然后進行嫁接育苗技術繁育。扦插生產中多施加植物生長調節劑或生根粉提高生根成活率。由于扦插育苗在實際扦插過程中會受到桑樹品種、扦插時間、扦插部位、外部環境條件以及扦插管理技術等影響，可能導致桑樹育苗生產效率不穩定，育苗周期延長［8-9］。試驗所選用桑樹品種為山東省蠶業科學研究所通過雜交育種的三倍體桑樹成苗 ‘魯插1號’Morus alba‘Lucha-1’，該品種在扦插育苗生產中生根率偏低［10］。本研究采用磁處理技術對硬枝扦插育苗的噴淋水進行磁化處理，以探索不同磁感應強度處理對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。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

試驗設置于山東農業大學林學實驗站（36°11′N，117°08′E）進行，于3月下旬桑樹芽膨大前，采集山東農業大學蠶學實驗站 ‘魯插1號’桑樹母樹外圍生長健壯、無病蟲害、粗度為（1.5±0.1）cm的1年生木質化枝條，剪截成長度為15.0 cm的扦插苗。剪截扦插苗時上、下切口平滑，不裂口，不撕皮，各扦插苗保留2～3個飽滿芽。扦插前進行插床基質消毒，栽培基質為草炭土、蛭石和珍珠巖的混合基質，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， 保持棚內空氣相對濕度為85%～95%，溫度25～28℃。

試驗采用內徑25 mm的PP-25-ADS磁化器，在0.06，0.14和0.22 T等3種磁感應強度下磁化飲用自來水，以未磁化自來水為對照（ck）。設置2次噴淋間隔期為5 min，噴淋時長為10 s·次－1；采用隨機區組試驗設計，重復5次·處理－1；共20個扦插小區，扦插苗數量為200條·小區－1。

1.2 測定方法

扦插后第10天和第20天，隨機抽取扦插苗，5株·小區－1，采用苯酚法和考馬斯亮藍染色法［11］分別測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質量分數。扦插后第10天采集植物樣品并采用酶聯免疫法（ELISA）測定吲哚乙酸（IAA），吲哚丁酸（IBA），玉米素（ZT）和脫落酸（ABA）4種內源激素質量分數。扦插后第30天隨機抽取扦插苗，5株·小區－1，清洗干凈后用于根系形態分析（WinRHIZO）。測定完畢后所有根系烘干（105℃殺青1 h，80℃烘干24 h），稱取干質量，依據章家恩［12］的方法測定礦質養分。

1.3 數據處理

數據分析采用單因素方差分析（one-way ANOVE），多重比較采用Duncan新復極差法（P＜0.05）。圖表中數據均為平均數±標準差，重復3次·處理－1。采用SPSS 22.0進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 磁化水處理對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66.00%，較對照高16.7%，0.06和0.14 T處理生根率則較對照高出7.0%和12.3%，各處理組與對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生情況發現：0.22 T處理有部分出現愈傷組織，并能觀察到不定根原基明顯膨大，而對照沒有出現愈傷組織；0.06和0.14 T處理則有少部分植株出現愈傷組織。從不定根發生時間來看，0.06，0.14和0.22 T處理分別較對照提前3，6和8 d；于第30天時取樣觀察一級根發生數量，0.14和0.22 T處理一級根發生數量顯著高于對照（P＜0.05）。通過對不同生根部位根系發生數量的觀察結果發現：皮部生根根系發生數量都較對照呈現顯著差異（P＜0.05）；愈傷組織根系發生數量較對照沒有顯著差異；對根系活力的測定發現，各磁化水處理都高于對照且呈顯著差異（P＜0.05），其中0.22 T處理根系活力水平最高。

表1 不同磁感應強度處理對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 磁化水處理對根系礦物質元素積累影響

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

與對照相比，磁化水處理中微量元素鐵、鋅質量分數均有顯著差異（P＜0.05），其中0.06，0.14和0.22 T處理鐵質量分數均低于對照，分別為對照的19.1%，41%和61.2%；鋅質量分數處理組均高于對照，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 不同磁感應強度處理對桑樹扦插苗根系礦質元素質量分數的影響Table 2 Root parameters of mulberry cutting under different intensities of magnetic field conditions

2.3 磁化水處理對根系形態特征的影響

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照，總根長、總表面積、總體積、平均直徑、根系生物量等5項指標由高到低均為0.22 T，0.14 T，0.06 T處理，對照。其中，0.06，0.14和0.22 T磁化水處理總根長分別較對照提高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照提高40.2%，64.6%和101.2%，均呈顯著差異（P＜0.05）?？梢钥闯?，磁化水處理的桑樹扦插苗根系形態各指標均高于對照，特別是0.22 T中根系形態指標為對照2倍。

表3 不同磁感應強度處理對桑樹扦插苗根系形態特征的影響Table 3 Morphological characteristics of mulberry seedlings under different intensity of magnetic field conditions

2.4 磁化水處理對可溶性糖和可溶性蛋白質質量分數的影響

由圖1A可知：各處理可溶性糖質量分數在噴淋過程中均呈上升趨勢。在第10天時，與對照相比，0.22 T處理中可溶性糖質量分數最高，呈顯著差異（P＜0.05），較對照提高50.8%，0.06和0.14 T處理無顯著差異；在第20天時，0.22 T處理中可溶性糖質量分數最高，高出對照約83.7%，呈顯著差異（P＜0.05），0.06和0.14 T處理較對照呈顯著差異（P＜0.05），并較對照分別高出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量分數最高，且差異顯著（P＜0.05）。

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

圖1 不同磁感應強度處理的桑樹扦插苗可溶性糖和可溶性蛋白質質量分數Figure 1 Contents of soluble sugar and soluble protein in mulberry cutting under different intensity of magnetic field conditions

2.5 磁化水處理對內源激素的影響

從圖2A和2D可知：脫落酸（ABA）和玉米素（ZT）質量分數水平分別從對照、低磁感應強度到高磁感應強度依次減少，且各磁化水處理較對照都呈顯著差異（P＜0.05）。其中，0.22 T磁化水處理ABA和ZT質量分數最低，分別較對照降低37.9%和26.1%?？梢钥闯?，ABA和ZT質量分數與磁感應強度大小呈負相關。

從圖2B和2C可知：吲哚丁酸（IBA）和吲哚乙酸（IAA）質量分數水平分別從對照，低磁感應強度到高磁感應強度依次增加，且與對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質量分數最高，分別較對照高出46.3%和47.3%?？梢钥闯?，IBA和IAA質量分數與磁感應強度呈正相關。

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

3 討論與結論

3.1 磁化水處理對扦插苗營養物質、激素和生根的影響

水是植物細胞重要組成部分，是代謝過程的反應物質，參與植物體的各項生理反應和反應介質的運輸。與對照相比，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質量分數，這是因為磁化水處理下水分子簇進入細胞壁的概率增加，蛋白質與水分子的相互作用增強，促使了植物體內淀粉的分解轉運和蛋白質等大分子物質的積累；磁感應強度越高，灌溉植株可溶性糖和可溶性蛋白質質量分數增長越明顯，這是由于不同磁感應強度對植物生物膜通透性的影響不同，同時磁感應改變了水的滲透力、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物質的能力，從而促進了愈傷根、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］對絨毛白蠟Fraxinus velutina的研究結果相似。

植物激素IAA和IBA在不定根形成中起關鍵作用。ABA一般被認為是植物體內的抑制性植物激素，低濃度的ABA和細胞分裂素（CTK）有促進植物生根的作用，高濃度ABA抑制IAA的運輸和離體器官的生長，抑制愈傷組織的形成［16］。研究發現：較對照而言，磁化水處理明顯降低了扦插苗不定根誘導期的ABA和ZT水平，提高了IAA和IBA的水平，這與植物生根數量測定表現一致，即磁化作用對桑樹扦插苗根系形成有明顯的促進效果。不同磁場強度對植物影響不同，磁場對于植物的效應與磁場的分布及頻率有關，所以磁場作用對植物生長的影響是有多種機制共同決定［17-18］。本研究發現：不同磁感應強度磁化水噴淋處理均可提高桑樹扦插苗可溶性蛋白質和可溶性糖質量分數，影響內源激素（如ABA，IAA，IBA，ZT等）的質量分數水平，即磁感應強度越高扦插苗生根作用越明顯，更能增強細胞代謝活動，促進愈傷組織的形成及不定根的產生，使根系發生提前、皮部生根數量增多。

3.2 磁化水處理對扦插苗根系形態發育及礦質吸收的影響

磁化水處理顯著提高了根系中氮、鉀和鋅的質量分數，說明磁化效應可以促進扦插苗根系對氮、鉀、鋅的吸收積累，這跟張鳳娟等［19］對磁化水處理番茄后氮、鉀吸收量增加的研究結果一致。鐵質量分數從對照、低磁感應強度到高磁感應強度依次降低，這是因為鐵元素的吸收和運輸與植物質外體調節pH值相關。磁化水處理通過影響扦插苗質外體對pH值調節從而影響鐵元素在植物體內的跨膜運輸［20］，并且磁感應強度越高對鐵積累的抑制作用越明顯。磁場效應下，磷、錳、銅的質量分數沒有發生顯著變化，說明短期磁場效應對磷、錳、銅等元素影響不明顯，其質量分數變化可能是一個長期而緩慢的過程；也可能是因為磷、錳、銅等元素與其他礦質元素之間存在交互作用；因此，磁場效應對磷、錳、銅等礦質元素的作用機制有待進一步研究。

根系形態特征反映了根系吸收營養物質的能力［21］，研究發現磁化水處理導致根系形態各項指標均高于對照，可能是由于磁化水處理提高了氮、鉀的質量分數，而后者能提高分生組織、薄壁細胞的活躍程度，使根尖分生區長度加長，側根形成數目增多，使根系總體積、平均直徑、總長度和總表面積增大，促進根系生長。與趙黎明等［22］用磁化水處理作物生根的研究結果相似。磁化水處理通過影響礦物質吸收，繼而影響了扦插苗根系分化與形態建成，促進不定根發生。

磁化水處理強度與扦插苗形成愈傷組織時間、生根時間以及提升根系質量和扦插成活率呈正比，高磁感應強度的磁化水處理技術在扦插繁育中起到有效的促進作用，能夠加強植物根系對外界營養物質的吸收與利用，同時影響了內源激素成分，提高了對礦質元素吸收效率，對根系形態發育，礦物質元素積累也有一定的促進作用。這與之前的一些磁化水處理植物研究成果相一致［23-24］。也有研究發現：磁化水處理后亞麻Linum usitatissimum的細胞增殖活性減弱，增殖周期減緩［25］。這需要對磁感應的作用機理做進一步研究，以期促進該技術在農林業領域的應用。