高压静电处理对大豆种子的影响及机理研究

， ， (唐山学院， 河北 唐山 063000)

高压静电处理对大豆种子的影响及机理研究

黄洪云，杜宁，张璇
(唐山学院， 河北 唐山 063000)

用场强为EN=1×N/(kV/cm)，N=0，1，2， … 10的电场处理大豆种子20 min，研究种子形态指标和外渗率随电场强度的变化情况，根据具体的实验数据，从物理学角度对实验过程中可能存在的机理进行了深入的分析。

静电场； 大豆； 生理生化指标； 机理分析

我国关于静电生物学效应始研于20世纪70年代末期，并取得了许多成果[1-2]。静电生物学效应越来越受到人们的重视，电场处理种子生物学效应的研究成果已广泛应用到生产实践中[3]，同时也加深了静电生物学效应的机理研究。然而对于电场生物学效应的物理作用过程的了解还很不充分，因此不能预言电场生物学效应[4]，而是用静电场作用于生物体，通过实验监测其形态学指标和生理生化指标，从而研究静电场对生物体的机理。通过研究不同电场强度对大豆种子形态指标和外渗率影响的具体实验数据，从而对电场影响大豆种子活力的可能物理机理进行分析。

1 材料与方法

1.1 材料处理

挑选颗粒饱满，大小均匀，外型差异较小的大豆种子(黑农37号，由黑龙江飞龙种业提供)，处理电场强度EN=1×N/(kV/cm)，N=0，1，2， … 10，其中E0为对照，处理时间为20 min。将大豆种子随机分成11组，其中10组处理，1组对照，每组处理100粒种子，3次重复。

1.2 测试项目与方法

1.2.1 发芽实验

将不同电场强度处理的种子按常规方法进行发芽实验，每个培养皿中放入20粒种子，设置3次重复，3 d统计种子发芽势，7 d统计发芽率。

1.2.2 芽长的测定

种子发芽第7天从培养皿中随机取出种子，平均每个处理20粒种子测定平均芽长。

1.2.3 其它指标的测定

种子发芽7 d移入花盆培育,待幼苗生长20 d从盆中随机取出每个处理的20棵幼苗测定根长、鲜重、干重经烘干机烘干后称量。简活力指数和电解质外渗率(EER)的测定采用电导率法[5-6]。

2 结果与分析

2.1 形态学指标的物理机理

用静电场处理大豆种子，植物形态特征指标测试数据表1所示。

从表1可知，电场处理能明显改善种子的形态学指标。剂量在5.0 kV/cm×30 min为电场最佳处理条件，在此处理条件下发芽势、发芽率、简活力指数的最大提高量分别为40%、31.9%、51.9%，根长、芽长、鲜重、干重的最大提高量分别为40.4%、53.9%、12.5%、13.1%。

表1 电场处理对大豆形态指标的影响

电场强度(FI/kV·cm)发芽势SPO/%发芽率SPT/%芽长LS/cm根长LR/cm鲜重(g)干重(g)简活力指数(%)0．060723．604．3126．762．820．541．066804．725．2528．002．900．602．069844．855．2027．102．850．673．078915．135．5826．232．800．754．063754．654．9128．493．050．585．084955．546．0530．103．190．826．081905．395．6027．132．930．807．072854．915．2926．122．860．768．075895．105．5326．563．000．689．063753．784．1225．752．740．4910．054603．473．8625．232．530．32

2.1.1 经典力学角度

生物体的基本结构、主要成分是蛋白质，蛋白质分子带有电荷，电场存在影响电荷分布，从而影响蛋白质分子，进而影响整个植物体的活动，由此预见电场对植物形态指标影响的机理，电场有2个可能的途径影响蛋白质分子。

电场的存在，带点分子由于受到电场力发生运动，电场力F=qE，在一定外加电场力的作用下蛋白质分子有恒定的漂移速度v，由此带电离子的迁移率P=v/E，根据斯托克斯定理，半径为R的球形微粒的迁移率P=q/6πηR，由此电场使分子的运动速度增加，促进种子内部细胞活化，打破种子的休眠状态，种子的发芽势、发芽率等形态学指标提高。

2.1.2 统计力学角度

外加电场作用影响生物体的电荷分布、排列、运动，从而影响生物体活动。由于外加电场作用，使蛋白质分子的电荷分布不对称，蛋白质分子具有电偶极子，在外加电场的作用下，永久极矩部分转向沿电场排列，转向排列的程度由取向能量W和热能KT决定，从而计算永久偶极子组成介质的极化率[7]。取向能量W等于偶极子从垂直于电场方向转过角度θ时所发生的能量变化以电场强度E为例。

分子固有偶极矩μ=qd，取向能量W=-qdE，把永久偶极子从垂直电场方向(θ=π/2)转至平行电场方向(θ=0)。正电荷沿电场方向移动距离dsinθ,取向能量W=-qdEsinθ，此过程电势能减少量为-μE′(E′为场强E在某点的分量)，根据统计力学，每个分子的偶极极化率α=μ2/3KT。由于外加电场作用，影响生物体电荷的分布、排列、运动，从而影响植物体的活动。

图2 不同电场强度对电解质外渗率的影响

图3 不同电场强度对种子酶活性的影响

2.2 细胞完整性的物理机理

种子的基本结构是细胞，细胞的作用是保持其内部与细胞外液不相同的电解质成分，从而保护了细胞膜。因此电解质外渗率的大小反映了种细胞膜子膜系统的完整性[4]。静电场对种子电解质外渗率的影响如图2所示。

随着场强的增大，电解质外渗率先减小后增大再减小再增大的振荡型变化曲线。电场剂量在5.0 kV/cm×30 min时，电解质外渗率为最低值，明显低于对照组，电解质外渗率的大小是衡量种子膜系统的完整程度的重要标志。

细胞膜的基本结构是由各种磷脂分子构成的双分子层，理论证明细胞膜带电荷脂质分子的分布是不对称的，这种不对称分布会产生一个跨膜电压，此电压的大小取决于带电荷脂质分子的解离状态，且受环境中氢离子浓度的影响[4]。

2.3 酶活性的物理机理

不同点电场强度对SOD、POD、CAT 3种酶活性的影响均呈现先增大后减小的变化曲线，在5 kV/cm或6 kV/cm时各种酶的活性达到最大值。在5 kV/cm时，SOD、CAT活性的增量均达到最大值，分别为56.2%和11.3%，在6 kV/cm时POD的活性达最大增量，为11.3%，3种保护酶活性的增强是细胞对外界逆境的积极反应，表示生物体的抗逆性增强。很多逆境因子可以导致机体自由基的积累和活性氧代谢的失调，从而导致细胞膜结构损伤和机体新陈代谢紊乱，机体的抗氧化酶SOD、POD、CAT能及时清除机体多余的活性氧和自由基，维持机体的的代谢活动，从而维持了植物正常的生理活动。酶含有丰富的蛋白质，具有很高的催化活性，它的活性与分子结构有关，如果结构发生改变，酶的活性将降低[4,7,9-11]。

静电场的处理能大大提高3种酶的活性，静电场主要通过3个方面来实现对酶活性的刺激性效应，即改变酶的结构，提供给酶能量以改变细胞膜的通透性，或增加合成酶的材料[12]。酶本质是蛋白质分子，酶的结构由范德瓦力、氢键、带电基团的静电相互作用来维持。静电处理细胞，细胞内大量的带电离子和极性分子定向排列，细胞液介质分子发生极化，从而加速酶分子氢键的合成，从而改变了酶分子的高级结构。根据电子-构象相互作用理论[13]，解释了静电场改变酶活性的物理机理。静电场提高酶的能量是通过改变水的生理特性，水是细胞中生理生化反应的介质，静电作用于细胞使水分子与其他分子所形成的液面发生形变和振动现象。没有自由电荷时静电场产生的变力密度为[14]：

k是液体的电容率，ρ是液体的密度。由以上公式可知静电场作用于植物体，由于电形变力密度的存在，提供了能量给植物体内的水分子和其他化合物分子，从而加快细胞内各种生化反应的进行。同时由于静电处理使水分子和其他化合物分子相互作用后产生超氧阴离子自由基，这种自由基能激活与细胞膜相内的腺苷酸环化酶，导致基因活化，从而使负责酶合成的基因的解除受到抑制 ， 从而引起各种酶的合成加速，提高了酶的活性，改变植物生理特性[15]。

3 讨 论

用不同强度的高压静电场处理大豆干种子，种子的芽长、根长、等形态学指标，种子电解质外渗率、种子叶绿素含量和各种保护酶的活性有明显的变化。酶活性的高低与种子的萌发生长有密切的关系，过氧化物酶反映了植物体内物质新陈代谢快慢的重要指标，是衡量植物细胞生长发育快慢的主要标志[16]，各种酶活性的提高促进了种子内各种物质的转化、利用和分解，也就是说酶活性的变化与种子的形态学指标的变化是相辅相成的。综上，适宜剂量的电场可对种子产生刺激效应，促进种子内部细胞活化，打破休眠状态，种子萌发后物质的分解、转化和利用过程得以改善，物质积累速度快，可使幼苗生长旺盛，提高种子调节能力，从而提高种子生长过程对营养物质的吸收和能量物质的转化利用，所以适宜电场强度的处理可以使种子的各种形态学指标和生理生化指标明显高于对照。总之，静电场的生物学效应受到了越来越多人的重视，拥有广泛的应用领域，而且对静电场作用机理的研究也越来越深入，静电场技术将在科学领域发挥更大的作用。

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Effects of High Voltage Electrostatic Field on Soybean Seeds and the Mechanism Analysis

HUANGHongyun，DUNing，ZHANGXuan
(Department of Tangshan College,Tangshan Hebei 063000,China)

The field intensity isEN=1N(/kV/cm),N=0,1,2,…10 and the treating time is 20 min,which deal with the soybean seeds.We studied the physiological and biochemical indexes of soybean seeds，we thoroughly analysied the mechanism based on the experiment results.

high voltage electrostatic field； soybean； physiological and biochemical index；mechanism analysis

2016-10-09

2015年度唐山市科技计划项目(15130261 a)。

黄洪云(1979—)女，硕士，主要从事生物物理研究；E-mail：lzyhhy0922@163.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.02.009

S 565.1

A

1001-4705(2017)02-0009-04