大氣壓冷等離子體持續和間隔處理對燕麥種子萌發的影響

任棚， 呂曉桂， 石磊

（內蒙古農業大學理學院，呼和浩特 010018）

冷等離子體種子處理技術是一種刺激種子萌發、提高作物產量的現代生態農業技術，具有環保經濟、方便快捷的特點[1?2]；相比于輻射育種，冷等離子體處理能夠在種子不發生基因突變的情況下激發其活力，所以不存在遺傳風險[3]。目前，關于冷等離子體種子處理技術已經有了大量的研究，這些研究均證實了冷等離子體種子處理技術能夠提高種子發芽率、改善作物生長、提升作物抗逆性以及增加產量[4-8]。

裸燕麥不僅是重要的糧食作物，也是優質飼料的來源之一[9?10]，研究表明燕麥具有預防心血管疾病、調節血糖、抗腫瘤等藥用功效[11?12]。但是，由于微生物污染、環境脅迫、種子品質低等因素的影響，目前燕麥種子萌發率普遍較低且產量不高[7]。因此，尋找合適的處理手段來解決以上問題就顯得很有必要。考慮到冷等離子體處理技術的優勢，對燕麥種子進行冷等離子體處理，并探究冷等離子體對其萌發的影響規律具有重要意義。本試驗探究大氣壓冷等離子體持續與間隔處理對燕麥種子萌發的影響規律，在前期試驗選定合適處理電壓的基礎上，在總處理時間不變的條件下，分別對燕麥種子進行了單組持續處理和多組間隔處理，比較了二者對種子萌發的影響，并對機理進行了討論，為下一步研究及應用奠定了基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗采用自制的大氣壓介質阻擋放電等離子體射流裝置（圖1），該裝置包括等離子體發生、傳送、檢測3 部分。等離子體發生部分由高壓交流電源、高壓電極（包裹于扁口狀石英管外壁的鋁箔，其中石英管管口規格為50 mm×5 mm）、陰極（銅片）、99.999%的高純氬氣、LZB 轉子流量計組成。上下電極間距9 mm，流量計控制不同流量的氬氣由石英管側壁的進氣口進入石英管，在高壓電極附近被電離形成等離子體，等離子體在氣流作用下噴向石英管開口附近區域，形成等離子體射流區。傳送部分由可調速動力裝置、絕緣膠皮傳送履帶組成，低壓電極置于2 層絕緣履帶之間并與大地相連，試驗時將種子平鋪于履帶上層，通過改變傳送速度來控制種子經過等離子體射流區的時間。檢測部分主要由高壓探頭和數字示波器組成，用來檢測放電電壓。

圖1 等離子體射流裝置Fig.1 Plasma jet device

1.2 種子處理

供試燕麥品種為‘壩莜一號’，種子由內蒙古農業大學燕麥產業研究中心提供。將種子用自來水沖洗20 min，蒸餾水沖洗2 遍后，濾紙吸凈種子表面水分，然后在35 ℃下烘24 h，使種子含水量一致，最后進行等離子體處理。各組等離子體處理參數如表1 所示，其中以不進行處理為對照組（CK），設40和60 s共2個處理總時間，在2個處理總時間內又設間隔處理和持續處理，即40 s處理總時間內分別設40 s 處理1 次（A1）、20 s 處理2 次（A2）、10 s 處理4 次（A3）；60 s 處理總時間內分別設60 s處理1次（B1）、30 s處理2次（B2）、20 s處理3 次（B3）和10 s 處理6 次（B4）。處理時氣流量為150 L·h-1、電壓為4 kV，每2 次處理間隔時間為2 min。

表1 各組燕麥種子等離子體處理參數Table 1 Plasma treatment parameters of each group oat seeds

1.3 發芽試驗

等離子體處理后的種子在2% NaClO 溶液中浸種消毒5 min，用蒸餾水沖洗干凈并浸泡6 h 催芽。在發芽盒內鋪2 層芽紙作為芽床，浸種后種子腹溝向下均勻擺放在濕潤的芽床上，每組3 個重復，每個重復100 粒種子。將發芽盒放置于人工氣候箱中，晝24 ℃/夜18 ℃、晝16 h/夜8 h 進行培養，每天噴灑適量蒸餾水使芽紙保持濕潤。從培養第2 天開始，每24 h 統計1 次發芽種子數，以芽長不短于種子長的50%作為發芽標準。

1.4 表面接觸角和吸水率試驗

使用Kino 光學法接觸角儀（型號SL150E，美國科諾工業有限公司）測量種子表面接觸角。吸水率測量使用Roy 等[13]的方法，將種子置于純水中，在25 ℃環境中靜置，每隔60 min測定1次種子重量直至恒重為止。每組3次重復。

1.5 幼苗生長指標測量

在培養的第8 天，每組隨機挑選15 棵幼苗（3 個重復，每個重復5 棵），從根結處分離。用毫米尺直接測量幼苗根結至葉尖的長度記作芽長，根結至根尖的長度記作根長。將幼苗放置在65 ℃下烘干，用電子天平每隔2 h分別測量1次芽和根的重量，直至恒重。

1.6 可溶性蛋白含量和α-淀粉酶活性測定

采用考馬斯亮藍染色法測定可溶性蛋白含量，3,5-二硝基水楊酸比色法測定α-淀粉酶活性[14]。分別測定第3、第5、第7天的可溶性蛋白含量和α-淀粉酶活性。

1.7 數據統計分析

使用SPSS 25.0 軟件對數據進行單因素方差分析（Duncan’s test、P<0.05），圖表中數據以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同處理下表面接觸角和種子吸水率的變化

一般而言，種子表面接觸角越小，其親水性越高。不同處理下種子表面接觸角和吸水率的變化如圖2 所示，與CK 相比，各處理組種子表面接觸角均變小，表明親水性均顯著增加（P<0.05）。吸水率變化方面，除了B1 處理略有增加外，其他處理組均有所降低，其中B4處理下降最顯著。間隔處理的種子與持續處理相比，在親水性變化上，A2、A3 處理組的親水性較A1 顯著增加，其中A3處理變化最大，與A1相比提高約39.07%；與B1相比，B2、B4 處理組親水性有所下降，而B3 有所上升，但變化均不顯著。在吸水率變化方面，種子吸水率隨著間隔處理次數的增加而降低，A1、A2、A3處理組之間差異不明顯，但是B3、B4組與B1組相比吸水率顯著下降。2 種處理方式對親水性和吸水率的影響差異可能與總處理時間的不同有關，當總處理時間為40 s 時，間隔處理對親水性影響較大；當總處理時間延長為60 s時，間隔處理對親水性影響變小，對吸水率的影響變大。

2.2 不同處理下種子發芽勢和發芽率的變化

不同處理對燕麥種子發芽勢的影響如圖3 所示，除了A1 外，處理組種子發芽勢均高于CK。隨著間隔處理次數的增加，種子發芽勢逐漸提高，當總處理時間為40 s 時，與持續處理的A1 相比，間隔處理的A2 和A3 組種子發芽勢依次提高，并且A3 增加顯著（P<0.05），與A1 相比提高約27.16%。同樣，當總處理時間為60 s 時，間隔處理的B2、B3、B4 組種子發芽勢不但比持續處理的B1 有所提升，而且與CK 相比顯著提升。發芽率方面，與持續處理相比間隔處理提高了種子發芽率，但不具有顯著性。由此說明，間隔處理對燕麥種子的發芽勢促進作用更強，對于發芽率暫未發現明顯影響。

圖3 不同處理對燕麥種子發芽勢和發芽率的影響Fig.3 Effects of different treatments on germination potential and rate of oat seeds

2.3 不同處理下燕麥幼苗生長情況

圖4表示不同處理對燕麥幼苗生長的影響。當總處理時間為40 s 時，間隔處理的A2、A3 組幼苗根長、芽長、根干重和芽干重與持續處理的A1相比逐漸提高，并且A3處理燕麥幼苗各項指標較CK有不同程度增加，但增加不顯著。當總處理時間為60 s 時，B2 處理根干重有所增加，雖然較B1處理增加不顯著，但是與CK 相比增加顯著；此外，與B1 相比，除了B2 處理根干重有所增加外，B2、B3、B4 組的其他各項指標均有不同程度的降低，但下降不顯著。

圖4 不同處理對燕麥幼苗生長的影響Fig.4 Effects of different treatments on the growth of oat seedlings

2.4 不同處理下可溶性蛋白含量的變化

可溶性蛋白含量在一定程度上反映了種子萌發時內部各種生化反應的快慢程度。由圖5可知，第5 天的可溶性蛋白含量明顯低于第3 和第7 天。第3 天各處理組的可溶性蛋白含量均高于CK，但差異不顯著；40 s下間隔處理的可溶性蛋白含量要低于持續處理，總處理時間為60 s時，與B1相比B2處理可溶性蛋白含量下降，B3、B4處理可溶性蛋白含量上升，與持續處理相比，間隔處理時可溶性蛋白含量均沒有顯著性變化。第5天，各處理組的可溶性蛋白含量均低于CK，其中B1、B3和B4處理下降顯著（P<0.05）；隨著間隔處理次數的增加，40 s下間隔處理時種子中可溶性蛋白含量逐漸增加，而60 s下間隔處理時可溶性蛋白含量逐漸降低，最后低于持續處理，同樣間隔處理時可溶性蛋白含量變化差異不顯著。第7 天中可溶性蛋白含量整體增加，除A2處理外其余間隔處理的各組種子可溶性蛋白含量要高于持續處理組，但差異不顯著。

圖5 不同處理對種子可溶性蛋白含量的影響Fig.5 Effects of different treatments on soluble protein content of seeds

2.5 不同處理下α-淀粉酶活性的變化

α-淀粉酶活性是衡量種子發芽快慢的重要指標之一，其變化如圖6 所示。首先，第7 天的α-淀粉酶活性要遠低于第3和第5天，而且各組酶活性相當，沒有顯著差異。第3天時，處理組的α-淀粉酶活性整體低于CK，其中A3、B3 和B4 處理顯著降低（P<0.05）；與A1 相比，A2 處理α-淀粉酶活性稍有提高，A3 處理α-淀粉酶活性降低，但差異均不顯著；與B1相比，B2、B3、B4處理的α-淀粉酶活性逐漸降低，B4 組α-淀粉酶活性顯著下降30.42%。第5 天時，只有B2 和B4 處理α-淀粉酶活性低于CK，且不具有顯著性；間隔處理時α-淀粉酶活性均低于持續處理，但差異不顯著。

圖6 不同處理對種子α-淀粉酶活性的影響Fig.6 Effects of different treatments on α-amylase activity of seeds

3 討論

3.1 冷等離子體處理對燕麥種子親水性和吸水率的影響

種子吸水是種子萌發的關鍵時期。研究表明等離子體處理能夠改變種皮結構，增加種皮的親水性，加速水分和離子進入種子內部，促進發芽[1]。本研究發現，間隔處理時燕麥的親水性都有不同程度的增加，其中10 s 處理4 次時親水性增加最大，當總處理時間為60 s時，親水性的變化不再顯著，這與孟祎然[15]的研究結果相似，說明適宜強度的等離子體處理能夠提高種皮親水性，隨著強度的增加種子親水性變化不再明顯。此外，本研究發現等離子體處理后種子的吸水率有不同程度的下降，并且間隔處理次數越多，吸水率降低越明顯，這與Li 等[7]、Roy 等[13]和Xu 等[16]發現等離子體處理后種子吸水率上升的結果不一致。究其原因，可能是由于等離子束對燕麥種子糊粉層造成影響，直鏈淀粉的α-1,4糖苷鍵斷裂繼而形成更多α-1,6 糖苷鍵[17]，以及蛋白質疏水氨基酸殘基暴露[18]，使得種子內部疏水性增加，導致吸水率下降。

3.2 冷等離子體處理對燕麥種子發芽勢和發芽率的影響

發芽勢能夠反映種子的發芽速度和整齊度，而發芽率可以反映種子生命力的強弱，兩者都是衡量種子發芽活力的重要指標[19]。本研究中，與持續處理相比，間隔處理對種子發芽勢的提高更為明顯，其中，10 s 處理4 次時提升最大，這與親水性的變化結果對應，但是間隔處理并未對種子發芽率造成顯著影響。Bormashenko 等[20]對菜豆進行冷等離子體處理，發現菜豆種子的親水性和發芽勢雖然有顯著增加，但是發芽率并沒有明顯改變，這與本試驗結果一致。此外，本研究中對種子進行間隔處理可能會使種子一直處于脅迫狀態，從而產生大量活性氧自由基，這些活性氧自由基促進細胞內信號轉導，從而激發種子活性，提高發芽勢[13,21]。

3.3 冷等離子體處理對燕麥幼苗生長的影響

大量研究證實采用適宜參數的等離子體處理種子，對幼苗的生長有一定的促進作用[4,6?7]。Wang 等[22]發現，由于等離子體處理后種子的酶活性與細胞膜通透性提高，加速了新細胞的形成，促進根和芽的分化與生長，從而促進幼苗生長。Xu 等[16]采用多針板結構高壓電場處理燕麥種子后，燕麥幼苗的高度和鮮重都顯著增加。但本研究使用介質阻擋放電等離子體處理燕麥種子，發現間隔處理和持續處理對燕麥幼苗的生長并沒有顯著影響，這與?erá 等[23]的結果類似。綜上，可能是由于種子對不同放電類型的反應不同，造成了燕麥幼苗變化不明顯，具體機制還待進一步探究。

3.4 冷等離子體處理對燕麥種子萌發前期可溶性蛋白含量和α-淀粉酶活性的影響

本研究中可溶性蛋白含量總體上隨發芽周期的變化呈現先下降后上升的規律，這與黃明鏡[24]的研究結果一致。與持續處理相比，間隔處理的燕麥種子在第3和第5天可溶性蛋白含量較低，但是第7 天蛋白含量提升明顯并超過持續處理的種子，說明間隔處理對燕麥幼苗后期生長的促進作用更大。種子的萌發伴隨著淀粉等貯藏物質的分解，因此，α-淀粉酶活性能夠反映種子萌發的快慢[19,24]。本研究中α-淀粉酶活性總體上變化呈現先上升后下降的規律，說明淀粉分解主要發生在發芽中期，這與孟會峰[25]的結果一致。在發芽第3和第5天，與持續處理相比，間隔處理時種子α-淀粉酶活性降低，可能因為多次處理產生了過多活性氧自由基，對細胞抑制較大[26]，從而降低了淀粉酶的活性。