冷等离子体处理对燕麦种子萌发的影响

任棚,吕晓桂,石磊

（内蒙古农业大学理学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

裸燕麦具有很高的药用价值和饲用价值［1-3］，市场前景广阔。目前我国燕麦产量难以满足国内需求，我国燕麦进口量仍在世界燕麦进口总量中占据主导地位，且总体呈现上升趋势［4］，因此，提高我国燕麦产量对满足我国燕麦市场需求和促进燕麦产业发展具有重要意义。种子是燕麦生产的基础，通过对种子进行特殊处理，提高其生产性能，是提高燕麦产量的重要手段。在各类种子处理技术中，冷等离子体因具有宏观温度接近室温、粒子化学活性强、操作简单、成本低等特点［5］，在种子处理中具有重要的应用价值。目前，冷等离子体在处理谷物种子［6-8］、蔬菜种子［9-10］、药材种子［11］等方面均有研究与应用。相关研究表明，一定剂量的等离子体处理能够有效激发种子活力、增加作物的抗逆性和产量。因此，利用自行搭建的大气压氩气介质阻挡放电等离体装置处理燕麦种子，分析处理后燕麦种子各项发芽指标的差异，探明燕麦种子适宜的冷等离子体处理参数，为生产上应用冷等离子体技术处理燕麦种子提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试燕麦品种为坝莜一号，种子由内蒙古农业大学燕麦产业研究中心提供。

1.2 试验装置

采用自主研制的大气压介质阻挡放电等离子体射流发生装置（图1）。该装置将铝箔包裹于扁口状石英管（管口规格为50 mm×5 mm）作为高压电极，接受来自冷等离子体发生器（CTP-2000K，南京苏曼等离子体有限公司）产生的高频交流信号，上、下层传送带间置入1块金属片充当低压电极与大地相连，铝箔下边缘距离低压电极6 mm，从而形成完整的电回路。放电电压监测装置由高压探头（P6015A，Tektronix公司）和数字示波器（UT2202C，上海优利德电子有限公司）组成。放电使用纯度为99.999%的高纯氩气（北京市北温气体制造厂），由LZB转子流量计（宁波东驰测控技术有限公司，量程25～250 L/h）控制气体流量保持150 L/h，气体由石英管侧壁的进气口进入石英管，在高电极附近被电离形成等离子体，气流使等离子体喷向石英管开口附近区域，形成等离子体射流区。

图1 冷等离子体发生装置

1.2 试验设计

试 验 共 设5个 处 理。处 理1，电 压8 000 V，处理时间20 s；处理2～4，电压均为5 800 V，处理时间分别为20 s、40 s、60 s；CK，不进行等离子体处理。各处理种子量均为162粒，大小均匀、表面无破损、颗粒饱满、无发芽情况。处理后的种子放置3 d，用蒸馏水浸泡6 h催芽。在发芽盒内铺2层芽纸作为芽床，将种子腹沟向下均匀摆放在湿润的芽床上，发芽盒置于人工气候箱中，白天24℃、16 h，夜晚18℃、8 h培养，每天洒适量蒸馏水使芽纸保持湿润。

1.3 测定指标

1.3.1 吸水率 各处理随机选取10粒种子浸泡在纯水中，在25℃条件下静置，每隔4 h称量1次至其重量恒定为止。吸水率计算公式为：

吸水率=（浸种后重量—浸种前重量）/浸种前重量×100%

1.3.2 发芽率、发芽指数和活力指数 以芽长不短于种子长的1/2作为发芽标准，每24 h统计1次发芽种子数，第4天计算发芽势，第9天计算发芽率、发芽指数和活力指数。

发芽势=（第4天种子发芽数/供试种子数）×100%

发芽率=（第9天种子发芽数/供试种子数）×100%

发芽指数=∑（各日发芽数/发芽日数）

活力指数=发芽指数×第9天幼苗鲜重

1.3.3 株高、根长、鲜重和干重 在培养的第9天，各处理随机挑选10株幼苗，用直尺测量幼苗根结至叶尖的高度，记为株高，根结至根尖的长度记作根长；用电子天平分别称量各处理的整株鲜重，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测定采用考马斯亮蓝染色法，α-淀粉酶活性的测定采用3，5-二硝基水杨酸比色法［12］。

2 结果与分析

2.1 不同处理燕麦种子的发芽情况

从表1可知，各处理的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数存在差异。

表1 不同处理燕麦种子的发芽情况

2.1.1 发芽势 与CK相比，处理3的燕麦种子发芽势提高最大，提高24.08百分点；处理2其次，提高19.76百分点。处理1和处理4的燕麦种子发芽势均下降，且处理1下降最明显，较CK下降15.43百分点。

2.1.2 发芽率 与CK相比，处理2的燕麦种子发芽率提高最大，提高6.79百分点；其次是处理3，提高3.70百分点。处理1和处理4的燕麦种子发芽率均下降，且处理1下降最明显，较CK下降20.37百分点。

2.1.3 发芽指数 与CK相比，处理2的燕麦种子发芽指数提高最大，增幅为75.72%；其次是处理3，增幅为57.01%。处理1和处理4的燕麦种子发芽指数均下降，且处理1下降最明显，较CK下降34.94%。

2.1.4 活力指数 与CK相比，处理3的燕麦种子活力指数提高最大，增幅为66.38%；处理2其次，增幅为61.50%。处理1和处理4的燕麦种子活力指数均下降，且处理1下降最明显，降幅为36.32%。

综上表明，当电压为5 800 V时，处理时间20 s、40 s均能有效提高燕麦种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数，对燕麦种子发芽具有促进作用。电压8 000 V处理20 s和电压5 800 V处理60 s，均对燕麦种子发芽产生抑制作用。

2.2 不同处理燕麦种子的吸水率

如图2所示，在前4 h，处理1～4的吸水速率较CK均有提升，其中处理3的吸水速率提升最明显，较CK提高14.63%；4～12 h，处理1～4的吸水速率均低于CK。当种子经烘干重量恒定后，处理1～4的吸水率同样均低于CK。

图2 不同处理燕麦种子在0～12 h（左）和烘干至恒重后的吸水率（右）

2.3 不同处理燕麦幼苗的生长情况

从表2可知，各处理燕麦幼苗的株高、根长、鲜重和干重存在差异。

表2 不同处理燕麦幼苗的生长情况

2.3.1 株高 处理1、处理3、处理4的燕麦幼苗株高均较CK提升，最明显的是处理1，与CK相比提升15.02%；其次是处理3，与CK相比提升8.00%；处理2与CK相同，均为11.12 cm。

2.3.2 根长 除处理3的燕麦幼苗根长低于CK，其余处理幼苗根长均较CK提升，其中处理4提升最明显，增幅为41.09%。

2.3.3 鲜重和干重 处理1～4中，仅处理3的燕麦幼苗鲜重和干重均较CK增加，鲜重增加6.06%、干重增加17.97%。处理1的燕麦幼苗鲜重较CK下降2.27%，但干重提高2.34%。

2.4 不同处理燕麦种子的可溶性蛋白含量

如图3所示，在培养的9 d内，各处理燕麦种子的可溶性蛋白含量变化总趋势为降低。在第3天，处理1～4的燕麦种子可溶性蛋白含量均高于CK，其中处理4增加最明显，提高29.10%；在第9天，处理1～4的燕麦种子可溶性蛋白含量仍均高于CK，处理2和处理3提高较为明显，分别较CK提高35.01%、29.15%。虽然各处理燕麦种子的可溶性蛋白含量变化总体呈降低趋势，但CK在第7天、处理1在第5天、处理3在7天的燕麦种子可溶性蛋白含量出现增加，且在当天，其发芽的种子数量也均有提升。

图3 不同处理燕麦种子可溶性蛋白含量随培养时间的变化

2.5 不同处理燕麦种子的α-淀粉酶活性

如图4所示，在培养的第3天，仅处理2和处理3的燕麦种子α-淀粉酶活性高于CK，其中处理3最为明显，较CK高29.85%，也与前3 d处理2和处理3发芽速率较快的结果相符。之后处理1、处理2、处理3的α-淀粉酶活性逐渐低于CK。在第9天，处理1、处理3、处理4的燕麦种子α-淀粉酶活性有所上升，但仍低于CK，发芽活力较高的处理2和处理3的燕麦种子α-淀粉酶活性较低。

图4 不同处理燕麦种子α-淀粉酶活性随培养时间的变化

3 讨论

5 800 V电压下冷等离子体处理20 s、40 s对燕麦种子的萌发具有显著的促进作用。该两个处理的燕麦种子发芽势、发芽率有较大提升，可能与等离子体处理改变了种皮结构［13］、增 大 了 种 皮 的 吸 涨 作 用 有 关［14］。BILLAH等［6］研究认为，等离子体发生过程中让种子中累积了大量活性氧分子（reactive oxygen species，ROS），虽然ROS的累积会对细胞造成损伤，但由于SOD、CAT、POD等保护酶类对等离子体较为敏感［15］，因此在ROS累积的同时，POD、CAT等也大量合成保护细胞不受ROS的伤害［8］，反而ROS能够增加细胞膜的透性从而促进H2O、NO等进入细胞，促进种子发芽。

冷等离子体处理降低了燕麦种子的吸水率，这与DONG等［16］的研究结果相反。可能是因为等离子体射流中的粒子能够透过多孔种皮进入种子内部［17］，对种子糊粉层蛋白质的二、三级结构进行修饰，使蛋白质疏水性氨基酸侧链暴露［18］，导致吸水率下降。冷等离子体处理组燕麦种子在前4 h的平均吸水速率高于CK，可能是因为等离子体增大了种皮亲水性，使短期内的吸水速率较大。

5 800 V电压下处理20 s、40 s的燕麦种子具有较高的酶活性以及物质代谢与合成水平。该两个处理的种子在培养周期内一直保持较高的可溶性蛋白含量，这与种子内高水平的营养物质的分解和蛋白质的合成相关［7］。同时，两者的α-淀粉酶活性在培养的前3 d明显高于其他处理，但后期逐渐降低，可能是因为前期高活性的α-淀粉酶加速了种子内淀粉的水解，α-淀粉酶活性随着淀粉含量的降低而下降［10］，反之其他处理则仍保持较高的淀粉含量及α-淀粉酶活性，该现象在试验中发芽种子的数量变化上也有体现。

8 000 V电压下处理20 s的燕麦种子，其发芽后的幼苗株高最高，这可能与芽细胞中较高水平的ATP和酚类化合物含量有关［15，18，19］。5 800 V电压下处理60 s的幼苗根长最长，原因尚不不明确，推测可能是因为不同剂量的等离子体处理影响了幼苗的内源性激素水平变化［9］，从而造成根长的差异，对此有待进一步研究验证。

另外，试验中冷等离子体处理降低了燕麦种子的吸水率，与目前大部分研究结果不同［16，20，21］，需进一步深入研究。

4 结论

燕麦种子的最佳冷等离子体处理参数为电压5 800 V、时间40 s，与未接受冷等离子体处理的种子相比，经该处理的燕麦种子发芽势、发芽率分别提高24.08百分点和3.70百分点，发芽指数和活力指数分别提高57.01%和66.38%；燕麦幼苗的株高、鲜重、干重分别增加8.00%、6.06%、17.97%。电压5 800 V、时间40 s的冷等离子体处理对燕麦种子的萌发和幼苗的生长有良好的促进作用，可为燕麦生产中通过冷等离子体处理种子缩短浸种时间、提高发芽均匀度提供参考。