电化学处理对小麦种子NaCl胁迫萌发生长的影响

薛彩霞，赵艳军，王宝军，李双志，刘 婧，梁镇海

（1.太原理工大学 化学化工学院，太原 030024；2.内蒙古化工职业学院 化学工程系，呼和浩特 010070）

土壤的盐渍化是一个国际性的环境问题，盐渍化引起了植物生长环境的变化，严重制约了植物生长发育过程[1]。盐渍化的问题较为严重，所以近年来科学家们致力于研究植物种子及幼苗耐盐能力以改进植物种子的质量[2]。盐胁迫对植物种子的危害是多方面的，有渗透胁迫[3]、离子的毒害[4]、养分失调[5]等，由此而产生次级的氧化胁迫，引起植物细胞代谢紊乱，导致植物生长发育出现生理障碍，甚至导致植物的死亡[6-8]。因此对植物耐盐性能的研究在盐渍地的开发和利用中发挥着及其重要的作用，而且是迫切需要解决的一个重大的环境问题。已有研究表明，电场处理植物种子可以改变植物的生理生化机能，对种子的萌发、活性、幼苗生长、植物生育性状以及产量具有显著影响[9-11]。这些事实表明，通过电场处理种子可以提高种子生长的抗盐性[12-13]。电化学方法有很强的电磁场效应，但利用电化学方法处理种子的方法国内外鲜有报道。本文采用电解质为硫酸钠溶液的电化学方法处理小麦种子，通过NaCl溶液胁迫育种考察电化学方法抗盐胁迫的能力。

1 实验部分

1.1 实验材料

试验材料为山西省农科院提供的冬丰1号小麦种子；配制电解质溶液所用的试剂为分析纯的无水Na2SO4溶液，购自焦作市化工三厂；消毒小麦种子所用的试剂为分析纯的NaClO溶液，购自天津市博迪化工有限公司；胁迫育种实验所用的试剂为分析纯的NaCl溶液，购自天津市津南区咸水沽工业园区。

1.2 实验设计

1）根据种子的自身特点和萌发的基本规律，选择颗粒饱满的小麦种子为研究对象，将其置入100 mL的小烧杯中，用质量分数5%的NaClO溶液消毒10min左右，用清水清洗23次。

2）在上述烧杯中加入浓度为6×10-2mol／L的Na2SO4溶液作为电解质溶液，选择钛基氧化物电极和钛板分别作为电化学方法的阳极和阴极，设计出电解槽，选择电压为8V的直流稳压电源处理小麦种子2.0h，其中选择清水浸种和Na2SO4溶液浸种为小麦种子处理的对照组。

3）将处理后的种子置于铺有滤纸的培养皿内，加入定量的一定浓度的NaCl溶液（c（NaCl）＝0，0.05，0.10，0.50mol／L），将培养皿放入恒温光照培养箱中催芽，生长条件为昼夜温度25℃／20℃，各处理组的萌发条件都相同。每皿含有50粒种子，每个处理设3个重复。其中，对照组CK中每天加入等量的二次去离子水作为对照。

1.3 生理指标的测定方法

1.3.1 种子表观特性的测定方法

记录种子的发芽时间及发芽情况，并计算发芽势、发芽率。

发芽势Gp＝（规定日期全部正常发芽种子数／供试种子数）×100%；Gp以发芽高峰期第3天的发芽率为准。发芽率Gr＝（全部正常发芽种子数／供试种子数）×100%；Gr以发芽第7天的发芽率为准。

1.3.2 种子淀粉酶活性测定方法

淀粉酶活性的测定采用分光光度法[14]。其中，淀粉酶活性浓度单位为U，以25℃时3min内水解淀粉释放1mg麦芽糖所需的酶量为1个酶活性单位。

1.3.3 种子过氧化物酶活性测定方法

过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚法测定[15]，其中，以用1min内A470变化0.01为1个过氧化物酶活性单位（U）表示。

1.3.4 种子丙二醛含量的测定方法

丙二醛（MDA）含量的测定采用硫代巴比妥酸法[16]。

1.4 数据处理

用统计学方法统计计算每个处理组的实验数据，计算各实验组的平均值和方差。方差分析后，采用t检验，检测不同处理组与对照组之间的差异显著性（＊为0.05水平差异显著，＊＊为0.01水平差异显著）。

2 结果与讨论

2.1 NaCl胁迫对小麦种子发芽势和发芽率的影响

小麦种子经NaCl溶液胁迫培养萌发后，其发芽势（图1）和发芽率（图2）都发生了变化。从图1和图2可以看出，经NaCl胁迫实验后，小麦种子的发芽势和发芽率整体上有所降低；随着NaCl浓度的增加，小麦种子的发芽势和发芽率也逐渐降低，说明NaCl胁迫降低了小麦种子发芽势和发芽率。但从表1和表2可以看出，虽然清水浸种、Na2SO4溶液浸种和电化学方法处理这三组实验中，NaCl胁迫都使其发芽势、发芽率下降，但降低的幅度有所区别，降幅由大到小依次为：Na2SO4溶液浸种，清水浸种，电化学方法处理。特别是当NaCl浓度为0.5mol／L时，这三组实验的降幅差异最大，说明了适宜的电化学方法处理种子能够提高小麦种子的抗NaCl能力，降低小麦种子对NaCl环境的敏感程度。

图1 NaCl胁迫对小麦种子发芽势的影响

图2 NaCl胁迫对小麦种子发芽率的影响

表1 NaCl胁迫对小麦种子发芽势变化的影响

表2 NaCl胁迫对小麦种子发芽率变化的影响

2.2 NaCl胁迫对小麦幼苗淀粉酶活性的影响

图3和表3反映了NaCl胁迫育种对不同处理方式的小麦淀粉酶活性的变化影响。可以看出，对于同样的处理方式，经过NaCl胁迫育种的小麦种子其淀粉酶活性均低于未经过胁迫的种子，且随着NaCl浓度的增加，淀粉酶活性逐渐下降。说明了NaCl胁迫抑制了小麦淀粉酶的合成，降低了淀粉酶水解淀粉的能力，减缓了种子新陈代谢，进而降低了种子的活性。但是从表3中可以看出，在相同浓度的NaCl胁迫下，各处理方式下的淀粉酶活性由大到小依次为：Na2SO4溶液浸种，清水浸种，电化学方法处理；且NaCl浓度越大，这种趋势越明显。这说明适宜剂量的电化学方法处理小麦种子可以抵制NaCl胁迫，利用电化学方法的强电磁场效应激活细胞中水解酶的合成，加快了细胞的新陈代谢，起到抗NaCl的能力。

图3 NaCl胁迫对淀粉酶活性的影响

表3 NaCl胁迫对淀粉酶活性变化的影响

2.3 NaCl胁迫对小麦幼苗过氧化物酶活性的影响

过氧化物酶（POD）作为一种清除自由基团的保护酶之一，参与了许多的生理生化活动，如细胞的分裂和种子生长发育等。POD活性的维持和提高是种子抗盐胁迫的物质基础之一。

图4表明，对于同种处理种子的方式，小麦叶子的POD活性整体上随着NaCl浓度的增加而逐渐降低，而且NaCl胁迫育种的小麦POD活性均低于对照组，说明NaCl胁迫抑制了小麦自由基的合成，从而抑制了POD的激活，降低了POD清除自由基的能力，进而减缓了种子新陈代谢，降低了种子的活性。但从表4中可以看出，在同一浓度的NaCl胁迫下，各处理方式下的POD活性由大到小依次为：Na2SO4溶液浸种，清水浸种，电化学方法处理。彼此之间的变化规律不是很明显，而且在相同浓度的NaCl胁迫下，电化学方法处理的POD活性高于Na2SO4溶液浸种和清水浸种下的POD活性。该结果可以说明适宜的电化学方法可以激活种子细胞自由基含量，从而刺激POD的合成，达到抗NaCl的能力。

图4 NaCl胁迫对过氧化物酶活性的影响

表4 NaCl胁迫对过氧化物酶活性变化的影响

2.4 NaCl胁迫对小麦幼苗丙二醛含量的影响

丙二醛（MDA）是脂质过氧化的产物，是膜系统受到破坏的重要标志之一[17]。在逆境胁迫或植物衰老过程中，它可以与膜上的蛋白质和酶蛋白结合失去活性，从而破坏细胞膜的结构及功能，甚至导致植物受伤，乃至死亡[18]。因此MDA含量可以作为评价种子在胁迫条件下发生脂质过氧化作用强弱的指标，而且过氧化越强，MDA含量越高[19]。MDA的含量可以代表细胞膜的损伤程度大小。由图5可见，采用同样处理种子的方式，小麦叶片的MDA含量随着NaCl胁迫浓度的增加而逐渐降低，说明在NaCl胁迫下，MDA含量的增加导致细胞膜系统被破坏，细胞受损伤，进而影响植物的生长。从表5中可以看出，在同一浓度的NaCl胁迫下，各处理方式下的MDA含量变化由大到小依次为：Na2SO4溶液浸种，清水浸种，电化学方法处理。实验结果表明，适宜的电化学方法可以增大种子细胞介质电势，减小离子的外渗，增强细胞膜结构的修复，促进细胞膜结构和功能的完善，进而恢复细胞膜的半透性功能，起到提高种子活性的作用。

图5 NaCl胁迫对小麦幼苗MDA含量的影响

表5 NaCl胁迫对MDA含量的影响

3 电化学方法抗NaCl能力的机理分析

电化学方法能够产生一个综合的电磁场效应。电化学方法作用在细胞膜上，等于作用在等价RC电路上，由于生物组织分布的不均匀性导致细胞膜内外电解质溶液中电流的不同，从而使得种子内细胞膜的膜电位发生变化，即极化的种子膜两侧出现附加电荷（如图6所示），从而改变了细胞膜的通透性，促进了酶和蛋白质等大分子物质的合成，各种酶的活性随之增强，进一步影响了细胞的能量转换及物质运输等一切细胞代谢活动和生理状态[20]（见图3，图4），从而使细胞膜得以修复，促使膜内外离子交换加快，抵制了NaCl胁迫环境下对细胞膜的破坏，使细胞的抗NaCl能力增强（见图1，图2）。

图6 电化学方法对细胞膜电位的影响

将电化学方法作用于细胞膜两侧，细胞膜受到化学方法作用，细胞内外离子的交换速度加快，进而为细胞代谢提供了所需的离子。虽然所处环境为NaCl胁迫环境，但细胞膜透性的增加可以使水分、氧气和一些植物所需的微量元素渗入种子细胞内，为细胞萌发提供了一定的养分，使种子细胞不致失水而死，从而促使种子进行萌发生长。而且，外加电化学方法可以提高细胞内葡萄糖、脂肪及各类氨基酸的脱氢过程，更形成还原型辅酶沿电子传递途径及以e-和H＋形式传递给氧而形成水，促使释放的自由能形成ATP，进而影响到整个细胞生理生化过程[21]（其氧化磷酸化过程如图7所示）。

图7 氧化与磷酸化偶联示意图

4 结论

通过比较电化学处理、清水浸种和Na2SO4溶液浸种不同处理方式的小麦种子NaCl胁迫实验，发现三种处理方式的幼苗期生理指标均随NaCl浓度的变化而变化，其中种子发芽势、发芽率及酶活性指标随着NaCl浓度的增加而逐渐降低，MDA含量则逐渐增加。这说明过高浓度的NaCl对小麦种子萌发生长起到一定的抑制作用；在同浓度NaCl胁迫下，电化学方法的小麦发芽势、发芽率、淀粉酶活性和过氧化物酶活性相比于清水浸种和Na2SO4溶液浸种的小麦分别提高了6.00%～14.67%、4.66% ～11.33%、8.95～11.42U 和 23.38～29.20U，而丙二醛含量则降低了0.45～.07μmol／L，说明电化学方法处理能够明显增加小麦种子萌发生长的抗NaCl能力；三种处理方式抗NaCl胁迫的能力排序由大到小依次为：电化学方法处理，清水浸种，Na2SO4溶液浸种。

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