高壓靜電場處理緩解高粱種子快速脫水傷害的生理機制

李 宸，楊小環(huán)，吳冬梅，李 穎，劉 朦，魯一微，馬金虎

（1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學工學院，山西太谷030801）

高粱（Sorghum bicolor L.Moench）屬禾本科高梁屬一年生草本植物，根系發(fā)達，耐逆性強，具有抗旱、抗?jié)场⒛望}堿、耐瘠薄等特點。高粱是世界五大類作物之一，也是我國最早栽培的禾谷類作物[1]。山西是我國高粱生產(chǎn)的主要省區(qū)之一，年種植面積在6.67 萬hm2左右，是山西旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要栽培作物[2]。

種子質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響農(nóng)作物生長后期的產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。目前，高粱種子生產(chǎn)在成熟收獲期脫水時，常采用自然干燥脫水的方法，費工、費時。而采用工廠化高溫、快速烘干的方法進行種子干燥脫水，可節(jié)約大量勞動力，也利于種子標準化生產(chǎn)，但種子在進行高溫、快速脫水前，由于種子的成熟度、種子的大小很難均勻一致，導(dǎo)致種子的含水量也不一致。因此，當種子含水量相對較高時，對種子進行高溫快速脫水處理會對種子造成傷害。如何運用科學的種子處理技術(shù)，在種子進行快速脫水處理前對種子進行預(yù)處理，緩解高溫快速脫水對種子的傷害值得深入研究。

電場處理對植物種子有明顯的生物效應(yīng)[3-5]。張作偉等[6]研究表明，電場處理能促進種子的萌發(fā)，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)與對照相比，分別提高20.7%、3.0%、13.0%、25.9%。胡建芳等[7]研究發(fā)現(xiàn)，高粱種子經(jīng)500 kV/m、30 min 高壓電場處理后，種子在萌發(fā)過程中α-淀粉酶、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性均比對照有所提高。陳建中等[8]研究表明，用340 kV/m、14 min 高壓靜電場處理谷子種子，可誘導(dǎo)種子在萌發(fā)過程中吲哚乙酸、玉米素核苷和赤霉素含量增加，抑制脫落酸含量增加。蔡興旺等[9]研究表明，采用不同時間和電場強度的高壓靜電對黃瓜種子進行電場處理，可提高種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率，促進幼苗生長發(fā)育。王宣高等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在3 200 kV/m 高壓靜電場中，處理棉花陳年種子0～60 s，隨著處理時間的增加，陳年棉種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、活力指數(shù)以及脫氫酶的活性顯著提高。陳花等[11]研究表明，用4 kV/cm、15 min 和4 kV/cm、25 min 電場強度處理蕎麥種子，能夠促進苗期水分脅迫條件下脯氨酸、可溶性糖的積累，提高體內(nèi)SOD、POD 活性、減少膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 的積累。用高壓靜電場對種子進行預(yù)處理，緩解高溫快速脫水對種子傷害的研究未見有報道，電場預(yù)處理緩解高溫快速脫水對種子傷害的機制也尚不清楚。

本試驗以收獲期的晉雜30 號高粱雜交種、恢復(fù)系種子為材料，采用高壓靜電場對種子進行高溫快速脫水干燥前預(yù)處理，研究高壓靜電場預(yù)處理對種子萌發(fā)、早期幼苗生長以及種胚膜透性、保護酶活性、可溶性糖含量等的影響，旨在研究清楚高壓靜電場處理緩解種子高溫快速脫水傷害的生理機制，為高粱種子工廠化加工，提高種子質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試高粱品種為晉雜30 號，雜交種和親本恢復(fù)系種子均采自山西農(nóng)業(yè)大學金谷農(nóng)業(yè)科技園區(qū)高粱制種基地。于2018 年8 月25 日，在早播高粱制種田分別選取授粉后50 d 的結(jié)實飽滿、無病蟲害的雜交種和恢復(fù)系果穗20 穗，立即帶回實驗室，進行脫粒，取少量種子測定種子的含水量（雜交種種子含水量22.7%，恢復(fù)系種子含水量24.4%），其余種子備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子自然干燥脫水和高溫快速干燥脫水處理 種子自然干燥脫水處理（CK）：取適量種子，置網(wǎng)袋中，室溫下自然干燥脫水。種子高溫快速干燥脫水處理（T1）：取適量種子，置墊有2 層濾紙的瓷盤中，將瓷盤放入鼓風干燥箱中，設(shè)置45 ℃烘干24～48 h（種子含水量達到14%左右為止）。

1.2.2 種子電場處理 高壓電場發(fā)生裝置如圖1所示。電場發(fā)生器采用閉環(huán)調(diào)整高頻脈寬調(diào)制技術(shù)，將頻率為50 Hz 的交流電壓，經(jīng)多級倍壓整流得到直流高壓，輸出電壓在0～30 kV。種子電場處理時，將種子平鋪在金屬板上進行處理。經(jīng)前期預(yù)試驗，雜交種和恢復(fù)系種子均用4.0 kV/cm、60 min的處理條件對種子進行電場預(yù)處理。種子電場預(yù)處理之后再進行高溫快速脫水處理（T2）。

1.2.3 種子萌發(fā)和幼苗生長試驗 挑選飽滿、整齊一致的不同處理的雜交種和恢復(fù)系種子，采用沙床發(fā)芽的方法，取發(fā)芽盒，在發(fā)芽盒底部平鋪300 mL洗凈烘干消毒后的河沙，均勻噴灑45 mL 蒸餾水，每盒取50 粒不同處理的種子均勻擺放在沙床上，種子上再蓋500 mL 河沙（厚約1 cm），均勻噴灑75 mL蒸餾水。將發(fā)芽盒置培養(yǎng)箱中，設(shè)置晝溫20 ℃、夜溫10 ℃條件進行培養(yǎng)，待幼苗頂出沙床時，給以光照（12 h）并及時補水。幼苗頂出沙床時每天統(tǒng)計種子的發(fā)芽數(shù)，至種子萌發(fā)生長15 d 時結(jié)束試驗。不同處理取長勢均勻一致的幼苗20 株，用自來水洗去沙子，濾紙吸干幼苗表面水分，測定幼苗的鮮質(zhì)量，將幼苗置烘箱中烘干，測定干質(zhì)量。

同上述方法進行材料培養(yǎng)，在種子萌發(fā)和幼苗生長過程中，分別在3、6、9、12 d 取完整的萌發(fā)的種子和幼苗用于各項生理指標的測定。所有試驗設(shè)3 次重復(fù)。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 種子發(fā)芽指標的測定 雜交種、恢復(fù)系種子分別從第9 天和第10 天開始統(tǒng)計發(fā)芽勢；種子發(fā)芽試驗結(jié)束（15 d）時統(tǒng)計發(fā)芽率。

其中，Ga 表示初次統(tǒng)計的發(fā)芽種子數(shù)；Gn 表示供試種子數(shù)；Gb 表示試驗結(jié)束時發(fā)芽種子數(shù)；Gt表示t d 內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)；Dt 表示發(fā)芽天數(shù)；W 表示20 株幼苗鮮質(zhì)量。

1.3.2 生理指標測定 超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用氮藍四唑法，過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創(chuàng)木酚法，過氧化氫酶（CAT）活性測定采用H2O2紫外吸收法，丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸法，可溶性糖含量測定采用硫酸蒽酮法[12]。超氧陰離子（O2·-）自由基含量測定參照李忠光等[13]的方法進行。膜透性測定使用BEC—6800 實驗室精密型多參數(shù)電導(dǎo)率儀。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均采用SAS 軟件進行，并利用Excel 2003 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 電場處理對高粱種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

由表1 可知，高溫快速脫水處理（T1）對雜交種和恢復(fù)系種子均有明顯的傷害，高溫快速脫水處理下雜交種和恢復(fù)系種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均顯著低于對照。其中，雜交種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別比對照降低了40.98%、31.76%、49.57%和71.80%；恢復(fù)系種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別比對照降低了46.27%、34.79%、49.84%和59.69%。高壓電場處理（T2）可明顯緩解高溫快速脫水處理對種子的傷害。電場預(yù)處理，雜交種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別比高溫快速脫水處理高55.11%、37.91%、93.52%和175.00%；恢復(fù)系種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別比高溫快速脫水處理高69.78%、43.15%、78.06%和101.00%。

表1 電場處理對高粱種子發(fā)芽指標的影響

2.2 電場處理對高粱種子膜透性的影響

由圖2 可知，高溫快速脫水處理（T1）對種胚的細胞膜有明顯的傷害，高溫快速脫水處理雜交種和恢復(fù)系種子的膜透性均顯著高于對照。其中，雜交種的膜透性比對照升高了27.91%，恢復(fù)系種子的膜透性比對照升高了41.46%。而高壓電場處理可明顯緩解高溫快速脫水處理對種子細胞膜的傷害。電場預(yù)處理，雜交種的膜透性比高溫快速脫水處理降低了16.36%，恢復(fù)系種子的膜透性比高溫快速脫水處理降低了18.37%。

2.3 電場處理對高粱種子萌發(fā)過程中保護酶活性的影響

由圖3 可知，雜交種種子在萌發(fā)生長過程中，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）種胚SOD 活性均高于直接高溫快速脫水處理（T1）。電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，種子萌發(fā)生長3、6、9 d 時，SOD 活性分別比高溫快速脫水處理（T1）升高20.01%、13.87%和16.15%，達到顯著差異水平。恢復(fù)系種子種胚SOD 活性變化和雜交種種子相似，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，種子萌發(fā)生長3、6、9、12 d 時，SOD活性分別比高溫快速脫水處理（T1）升高23.85%、27.77%、30.47%和27.58%，均達到顯著差異水平。

由圖4 可知，雜交種種子在萌發(fā)生長過程中，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）種胚POD 活性均高于直接高溫快速脫水處理（T1）。電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，種子萌發(fā)生長3、6、9、12 d 時，POD 活性分別比高溫快速脫水處理（T1）升高27.32%、11.09%、12.39%和10.58%，均達到顯著差異。恢復(fù)系種子種胚POD 活性變化和雜交種種子相似，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，種子萌發(fā)生長3、6、9、12 d時，POD 活性分別比高溫快速脫水處理（T1）升高15.34%、15.80%、17.62%和12.26%，也均達顯著差異。

由圖5 可知，雜交種種子在萌發(fā)生長過程中，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）種胚CAT 活性均高于直接高溫快速脫水處理（T1）。電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2），雜交種種子萌發(fā)生長3、6、9、12 d 時，CAT 活性分別比高溫快速脫水處理（T1）高42.06%、46.53%、40.51%和34.93%，達顯著差異。恢復(fù)系種子種胚CAT 活性變化和雜交種種子相似，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，種子萌發(fā)生長3、6、9、12 d 時，CAT 活性分別比高溫快速脫水處理（T1）高20.24%、31.47%、18.68%和20.84%，也均達到顯著差異。

2.4 電場處理對高粱種子萌發(fā)過程中丙二醛（MDA）和超氧陰離子（O2·-）含量的影響

從圖6 可以看出，雜交種種子在萌發(fā)生長過程中，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）種胚MDA 含量均低于直接高溫快速脫水處理（T1）。電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，種子萌發(fā)生長3、6、9、12 d時，MDA 含量分別比高溫快速脫水處理（T1）降低15.39%、8.03%、11.91%和12.34%，達顯著差異。恢復(fù)系種子種胚MDA 含量變化和雜交種種子相似，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，種子萌發(fā)生長3、6、9、12 d 時，MDA 含量分別比高溫快速脫水處理（T1）降低5.47%、9.93%、13.53%和11.84%，也均達到顯著差異。

從圖7 可以看出，雜交種種子在萌發(fā)生長過程中，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）種胚超氧陰離子（O2·-）含量均低于直接高溫快速脫水處理（T1）。電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，雜交種種子萌發(fā)生長3、6、9 d 時，超氧陰離子（O2·-）含量分別比高溫快速脫水處理（T1）降低9.5%、17.82%和18.85%，達顯著差異。恢復(fù)系種子種胚MDA 含量變化和雜交種種子相似，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，種子萌發(fā)生長3、6、9、12 d 時，超氧陰離子（O2·-）含量分別比高溫快速脫水處理（T1）降低10.6%、16.6%、18.59%和19.34%，也達到顯著差異。

2.5 電場處理對高粱種子萌發(fā)過程中可溶性糖含量的影響

從圖8 可以看出，雜交種種子在萌發(fā)生長過程中，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）種子可溶性糖含量均高于直接高溫快速脫水處理（T1）。電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，雜交種種子萌發(fā)生長6、9、12 d 時，可溶性糖含量分別比高溫快速脫水處理（T1）高9.1%、12.28%和12.82%，達顯著差異。恢復(fù)系種子可溶性糖含量變化和雜交種種子相似，電場預(yù)處理高溫快速脫水（T2）下，種子萌發(fā)生長3、9、12 d 時，可溶性糖含量分別比高溫快速脫水處理（T1）高7.85%、11.0%和14.58%，達到顯著差異。

3 結(jié)論與討論

楊體強等[14]研究發(fā)現(xiàn)，電場處理油葵種子可顯著提高水分脅迫下油葵幼苗SOD、POD、CAT 的活性。楊體強等[15]研究表明，電場處理降低了檸條種子對干旱脅迫的敏感性，使發(fā)芽勢、發(fā)芽率、SOD 活性和POD 活性提高，MDA 含量降低。電場處理作用可明顯增強種子對干旱脅迫的耐受性。本試驗結(jié)果表明，用高壓電場對高粱雜交種和恢復(fù)系種子預(yù)處理后再進行快速脫水干燥，種子的膜透性顯著低于其快速脫水處理。種子在萌發(fā)生長過程中，SOD、POD、CAT 等保護酶活性均明顯高于快速脫水處理，而種胚MDA 和超氧陰離子（O2·-）含量均明顯低于高溫快速脫水處理。說明，高壓電場預(yù)處理可能從減輕高溫快速脫水對種子膜系統(tǒng)的傷害、誘導(dǎo)種子保護酶的活性，增強了種子抗氧化系統(tǒng)的能力，提高了高粱雜交種和恢復(fù)系種子對高溫快速脫水的耐受性，從而使種子在萌發(fā)和早期幼苗生長過程中維持了較高的抗逆酶活性。

陳建中[16]研究發(fā)現(xiàn)，用高壓電場對谷子進行處理，提高了干旱脅迫下谷子孕穗期葉片可溶性總糖含量、可溶性蛋白含量。表明高壓電場處理在一定程度上促進了干旱條件下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累。本試驗結(jié)果表明，高壓電場處理種子后，種子在萌發(fā)和早期幼苗生長過程中，可溶性糖含量均高于高溫快速脫水處理。說明，高壓電場處理誘導(dǎo)了種子內(nèi)可溶性糖含量的增加，使種子在萌發(fā)和早期幼苗生長過程中，種胚可溶性糖含量維持在一個較高的水平，促進了細胞正常的代謝。

本試驗結(jié)果表明，高壓電場預(yù)處理，雜交種和恢復(fù)系種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)4 項發(fā)芽指標均顯著高于其高溫快速脫水處理。說明，高壓電場預(yù)處理可有效緩解高溫快速脫水干燥對雜交種和恢復(fù)系種子的傷害，促進種子萌發(fā)和早期幼苗生長。其可能的生理機制是，電場預(yù)處理減輕高溫快速脫水對種胚膜的破壞，誘導(dǎo)種子萌發(fā)和早期幼苗生長過程中幼苗保護酶活性和可溶性糖含量升高，降低了幼苗MDA 和超氧陰離子（O2·-）含量，從而緩解高溫快速脫水對種子的傷害。