冷等離子體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，內蒙古 呼和浩特 010018）

裸燕麥具有很高的藥用價值和飼用價值［1-3］，市場前景廣闊。目前我國燕麥產量難以滿足國內需求，我國燕麥進口量仍在世界燕麥進口總量中占據主導地位，且總體呈現上升趨勢［4］，因此，提高我國燕麥產量對滿足我國燕麥市場需求和促進燕麥產業發展具有重要意義。種子是燕麥生產的基礎，通過對種子進行特殊處理，提高其生產性能，是提高燕麥產量的重要手段。在各類種子處理技術中，冷等離子體因具有宏觀溫度接近室溫、粒子化學活性強、操作簡單、成本低等特點［5］，在種子處理中具有重要的應用價值。目前，冷等離子體在處理谷物種子［6-8］、蔬菜種子［9-10］、藥材種子［11］等方面均有研究與應用。相關研究表明，一定劑量的等離子體處理能夠有效激發種子活力、增加作物的抗逆性和產量。因此，利用自行搭建的大氣壓氬氣介質阻擋放電等離體裝置處理燕麥種子，分析處理后燕麥種子各項發芽指標的差異，探明燕麥種子適宜的冷等離子體處理參數，為生產上應用冷等離子體技術處理燕麥種子提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

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。

1.2 試驗裝置

采用自主研制的大氣壓介質阻擋放電等離子體射流發生裝置（圖1）。該裝置將鋁箔包裹于扁口狀石英管（管口規格為50 mm×5 mm）作為高壓電極，接受來自冷等離子體發生器（CTP-2000K，南京蘇曼等離子體有限公司）產生的高頻交流信號，上、下層傳送帶間置入1塊金屬片充當低壓電極與大地相連，鋁箔下邊緣距離低壓電極6 mm，從而形成完整的電回路。放電電壓監測裝置由高壓探頭（P6015A，Tektronix公司）和數字示波器（UT2202C，上海優利德電子有限公司）組成。放電使用純度為99.999%的高純氬氣（北京市北溫氣體制造廠），由LZB轉子流量計（寧波東馳測控技術有限公司，量程25～250 L/h）控制氣體流量保持150 L/h，氣體由石英管側壁的進氣口進入石英管，在高電極附近被電離形成等離子體，氣流使等離子體噴向石英管開口附近區域，形成等離子體射流區。

圖1 冷等離子體發生裝置

1.2 試驗設計

試 驗 共 設5個 處 理。處 理1，電 壓8 000 V，處理時間20 s；處理2～4，電壓均為5 800 V，處理時間分別為20 s、40 s、60 s；CK，不進行等離子體處理。各處理種子量均為162粒，大小均勻、表面無破損、顆粒飽滿、無發芽情況。處理后的種子放置3 d，用蒸餾水浸泡6 h催芽。在發芽盒內鋪2層芽紙作為芽床，將種子腹溝向下均勻擺放在濕潤的芽床上，發芽盒置于人工氣候箱中，白天24℃、16 h，夜晚18℃、8 h培養，每天灑適量蒸餾水使芽紙保持濕潤。

1.3 測定指標

1.3.1 吸水率 各處理隨機選取10粒種子浸泡在純水中，在25℃條件下靜置，每隔4 h稱量1次至其重量恒定為止。吸水率計算公式為：

吸水率=（浸種后重量—浸種前重量）/浸種前重量×100%

1.3.2 發芽率、發芽指數和活力指數 以芽長不短于種子長的1/2作為發芽標準，每24 h統計1次發芽種子數，第4天計算發芽勢，第9天計算發芽率、發芽指數和活力指數。

發芽勢=（第4天種子發芽數/供試種子數）×100%

發芽率=（第9天種子發芽數/供試種子數）×100%

發芽指數=∑（各日發芽數/發芽日數）

活力指數=發芽指數×第9天幼苗鮮重

1.3.3 株高、根長、鮮重和干重 在培養的第9天，各處理隨機挑選10株幼苗，用直尺測量幼苗根結至葉尖的高度，記為株高，根結至根尖的長度記作根長；用電子天平分別稱量各處理的整株鮮重，在65℃下烘干至恒重。

1.3.4 可溶性蛋白含量和α-淀粉酶活性可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍染色法，α-淀粉酶活性的測定采用3，5-二硝基水楊酸比色法［12］。

2 結果與分析

2.1 不同處理燕麥種子的發芽情況

從表1可知，各處理的發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數存在差異。

表1 不同處理燕麥種子的發芽情況

2.1.1 發芽勢 與CK相比，處理3的燕麥種子發芽勢提高最大，提高24.08百分點；處理2其次，提高19.76百分點。處理1和處理4的燕麥種子發芽勢均下降，且處理1下降最明顯，較CK下降15.43百分點。

2.1.2 發芽率 與CK相比，處理2的燕麥種子發芽率提高最大，提高6.79百分點；其次是處理3，提高3.70百分點。處理1和處理4的燕麥種子發芽率均下降，且處理1下降最明顯，較CK下降20.37百分點。

2.1.3 發芽指數 與CK相比，處理2的燕麥種子發芽指數提高最大，增幅為75.72%；其次是處理3，增幅為57.01%。處理1和處理4的燕麥種子發芽指數均下降，且處理1下降最明顯，較CK下降34.94%。

2.1.4 活力指數 與CK相比，處理3的燕麥種子活力指數提高最大，增幅為66.38%；處理2其次，增幅為61.50%。處理1和處理4的燕麥種子活力指數均下降，且處理1下降最明顯，降幅為36.32%。

綜上表明，當電壓為5 800 V時，處理時間20 s、40 s均能有效提高燕麥種子的發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數，對燕麥種子發芽具有促進作用。電壓8 000 V處理20 s和電壓5 800 V處理60 s，均對燕麥種子發芽產生抑制作用。

2.2 不同處理燕麥種子的吸水率

如圖2所示，在前4 h，處理1～4的吸水速率較CK均有提升，其中處理3的吸水速率提升最明顯，較CK提高14.63%；4～12 h，處理1～4的吸水速率均低于CK。當種子經烘干重量恒定后，處理1～4的吸水率同樣均低于CK。

圖2 不同處理燕麥種子在0～12 h（左）和烘干至恒重后的吸水率（右）

2.3 不同處理燕麥幼苗的生長情況

從表2可知，各處理燕麥幼苗的株高、根長、鮮重和干重存在差異。

表2 不同處理燕麥幼苗的生長情況

2.3.1 株高 處理1、處理3、處理4的燕麥幼苗株高均較CK提升，最明顯的是處理1，與CK相比提升15.02%；其次是處理3，與CK相比提升8.00%；處理2與CK相同，均為11.12 cm。

2.3.2 根長 除處理3的燕麥幼苗根長低于CK，其余處理幼苗根長均較CK提升，其中處理4提升最明顯，增幅為41.09%。

2.3.3 鮮重和干重 處理1～4中，僅處理3的燕麥幼苗鮮重和干重均較CK增加，鮮重增加6.06%、干重增加17.97%。處理1的燕麥幼苗鮮重較CK下降2.27%，但干重提高2.34%。

2.4 不同處理燕麥種子的可溶性蛋白含量

如圖3所示，在培養的9 d內，各處理燕麥種子的可溶性蛋白含量變化總趨勢為降低。在第3天，處理1～4的燕麥種子可溶性蛋白含量均高于CK，其中處理4增加最明顯，提高29.10%；在第9天，處理1～4的燕麥種子可溶性蛋白含量仍均高于CK，處理2和處理3提高較為明顯，分別較CK提高35.01%、29.15%。雖然各處理燕麥種子的可溶性蛋白含量變化總體呈降低趨勢，但CK在第7天、處理1在第5天、處理3在7天的燕麥種子可溶性蛋白含量出現增加，且在當天，其發芽的種子數量也均有提升。

圖3 不同處理燕麥種子可溶性蛋白含量隨培養時間的變化

2.5 不同處理燕麥種子的α-淀粉酶活性

如圖4所示，在培養的第3天，僅處理2和處理3的燕麥種子α-淀粉酶活性高于CK，其中處理3最為明顯，較CK高29.85%，也與前3 d處理2和處理3發芽速率較快的結果相符。之后處理1、處理2、處理3的α-淀粉酶活性逐漸低于CK。在第9天，處理1、處理3、處理4的燕麥種子α-淀粉酶活性有所上升，但仍低于CK，發芽活力較高的處理2和處理3的燕麥種子α-淀粉酶活性較低。

圖4 不同處理燕麥種子α-淀粉酶活性隨培養時間的變化

3 討論

5 800 V電壓下冷等離子體處理20 s、40 s對燕麥種子的萌發具有顯著的促進作用。該兩個處理的燕麥種子發芽勢、發芽率有較大提升，可能與等離子體處理改變了種皮結構［13］、增 大 了 種 皮 的 吸 漲 作 用 有 關［14］。BILLAH等［6］研究認為，等離子體發生過程中讓種子中累積了大量活性氧分子（reactive oxygen species，ROS），雖然ROS的累積會對細胞造成損傷，但由于SOD、CAT、POD等保護酶類對等離子體較為敏感［15］，因此在ROS累積的同時，POD、CAT等也大量合成保護細胞不受ROS的傷害［8］，反而ROS能夠增加細胞膜的透性從而促進H2O、NO等進入細胞，促進種子發芽。

冷等離子體處理降低了燕麥種子的吸水率，這與DONG等［16］的研究結果相反。可能是因為等離子體射流中的粒子能夠透過多孔種皮進入種子內部［17］，對種子糊粉層蛋白質的二、三級結構進行修飾，使蛋白質疏水性氨基酸側鏈暴露［18］，導致吸水率下降。冷等離子體處理組燕麥種子在前4 h的平均吸水速率高于CK，可能是因為等離子體增大了種皮親水性，使短期內的吸水速率較大。

5 800 V電壓下處理20 s、40 s的燕麥種子具有較高的酶活性以及物質代謝與合成水平。該兩個處理的種子在培養周期內一直保持較高的可溶性蛋白含量，這與種子內高水平的營養物質的分解和蛋白質的合成相關［7］。同時，兩者的α-淀粉酶活性在培養的前3 d明顯高于其他處理，但后期逐漸降低，可能是因為前期高活性的α-淀粉酶加速了種子內淀粉的水解，α-淀粉酶活性隨著淀粉含量的降低而下降［10］，反之其他處理則仍保持較高的淀粉含量及α-淀粉酶活性，該現象在試驗中發芽種子的數量變化上也有體現。

8 000 V電壓下處理20 s的燕麥種子，其發芽后的幼苗株高最高，這可能與芽細胞中較高水平的ATP和酚類化合物含量有關［15，18，19］。5 800 V電壓下處理60 s的幼苗根長最長，原因尚不不明確，推測可能是因為不同劑量的等離子體處理影響了幼苗的內源性激素水平變化［9］，從而造成根長的差異，對此有待進一步研究驗證。

另外，試驗中冷等離子體處理降低了燕麥種子的吸水率，與目前大部分研究結果不同［16，20，21］，需進一步深入研究。

4 結論

燕麥種子的最佳冷等離子體處理參數為電壓5 800 V、時間40 s，與未接受冷等離子體處理的種子相比，經該處理的燕麥種子發芽勢、發芽率分別提高24.08百分點和3.70百分點，發芽指數和活力指數分別提高57.01%和66.38%；燕麥幼苗的株高、鮮重、干重分別增加8.00%、6.06%、17.97%。電壓5 800 V、時間40 s的冷等離子體處理對燕麥種子的萌發和幼苗的生長有良好的促進作用，可為燕麥生產中通過冷等離子體處理種子縮短浸種時間、提高發芽均勻度提供參考。