电子束辐照对西瓜种子萌发的影响

姚东伟， 吴凌云， 田守波， 沈海斌， 李 明

(1.上海市农业科学院园艺研究所， 上海 201403； 2.上海科立特农科(集团)有限公司， 上海 201106；3.上海市设施园艺技术重点实验室， 上海 201403)

作物生长过程中许多病害是由种子携带传播的，播种前进行种子消毒处理，是作物病害防治中最经济有效的方法,是确保作物正常生产的首要环节。目前生产上利用化学杀菌剂拌种、包衣是种子消毒处理的主要方式。化学药剂处理具有效果好，使用方便的优点，但同时也存在一些不足之处，一是长期使用会使病虫产生抗药性，二是会污染环境，处理后的种子如果没有种植，只能当废弃物处理，不能作为饲料重新利用。利用物理方法进行种子消毒处理也是作物生产上的重要处理途径，其中热处理是主要方式，利用热力及有效杀菌温度与种子耐受温度的差距来杀灭病菌，主要有热水浸种、干热、湿热空气处理方法[1]。

电磁种子处理技术是一项新兴农业技术，近40年来，对基于电磁生物学效应的种子处理技术进行了广泛的研究，开发出了电场处理机、磁化机、等离子处理机等设备应用于生产。张春庆等利用单向电晕场处理玉米、大豆、茄子、西瓜等种子后发现，电晕场处理能使种子发芽整齐，出苗迅速[2,3]；习岗等发现，极低频高压脉冲电场对玉米萌发有促进作用[4]；尹美强发现磁化弧光等离子体对小麦、番茄、大豆3种作物具有明显的刺激效应，可以促进种子发芽和幼苗生长。但此类处理方法杀菌作用较弱，尽管孤光等离子体环境中的臭氧、紫外光及其诱导产生的各种活性粒子对种子表面具有较强杀菌能力，但穿透性极低，杀菌作用有限[5]。

辐照处理技术在农业上已广泛应用于诱变育种、昆虫辐射不育、食品和农产品加工等领域。通常使用60Co-γ和加速器产生3～10 MeV的电子束作为辐照源进行种子处理，由于此类辐照源能量高，完全穿透整个种子，非常容易对种子胚造成伤害。电子束穿透深度与加速电子能级相关，电子帘加速器可以产生80～300 KeV的电子束，通过调节电子束能级可以精确控制电子束穿透深度，从而达到抑制种子表层病菌而不伤害胚的效果，可以进行种子杀菌处理。德国Schmidt-Seeger AG公司于2000年研发出电子束处理机，并在谷类种子上广泛应用。

与温烫浸种、干热处理及常规的电磁种子处理相比，利用电子束辐照处理种子，具有抑菌效果好，处理速度快的优点，国外已有在麦类作物上的应用报道，掌握合适的穿透深度和剂量是电子束辐照处理成功的关键之一。本试验以西瓜杂交种子为材料，研究了电子束处理对西瓜种子发芽及出苗的影响，为进一步应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试杂交一代西瓜品种8424、雷晓、美都、黑津由上海农科种子种苗有限公司提供，含水量6%。种子板采用有机玻璃自制，每板大小为A 4大小，厚度3 mm，在板上按长11 mm 宽7 mm打椭圆形孔400个。种子萌发袋中号(18 cm×12.5 cm)购于北京启维益成科技有限公司。

注：“*”表示与对照0 kGy辐照剂量处理差异达p<0.05显著水平。

1.2 电子束辐照设备

Ebeam EBLab-200：制造商为瑞士康姆艾德集团公司，能级在80～200 KeV之间，传输速度为3～30m·min-1，单通道最大剂量为450 kGy，样品可辐照面积大小为A 4大小，最大辐照厚度为50 mm，辐照过程可提供充氮，氧气浓度低于50 mg·L-1。

1.3 电子束处理

种子辐照前先进行置种，在种子板下面垫1块2 mm A 4有机板，用夹子将种子板固定，然后将西瓜种子摆放到孔内，利用Ebeam EBLab-200设备进行辐照处理，设置辐照电压、表面剂量、间隙距离后开始辐照，一面辐照完成后上面再盖一块2 mm A 4有机板，翻转后用夹子固定进行另一面辐照，双面辐照完成后取出种子装入密封袋保存待用。8424西瓜种子辐照电压为200 KeV，雷晓、美都、黑津西瓜种子辐照电压为100 KeV。

1.4 种子引发

按种子干重、蛭石干重与蒸馏水比例为1∶1.5∶2混合后置于15 ℃、黑暗条件下处理6 d。引发结束后，用不同规格的细筛将种子筛出，均匀摊开，移入鼓风干燥箱中，在(25±2)℃下干燥至引发前种子的含水量为止。

1.5 种子发芽试验

发芽在光照培养箱内进行，温度25 ℃，光照12 h，光强4 000 lx，相对湿度70%。发芽采用基质发芽方法，将对照(未经辐照处理)和各辐照处理放入发芽盒(13 cm×19 cm×16 cm)内，盒内装有含水量30%的蛭石，种子上覆盖2 cm厚的蛭石，每盒50粒种子，3次重复。以子叶破土为发芽标准，5日统计发芽势，10日统计发芽率。

发芽率(%)=(正常幼苗数/供试种子总粒数)×100%。

1.6 种子发芽袋发芽

种子处理后干燥密封贮藏，7 d后进行发芽试验。发芽在光照培养箱内进行，温度25 ℃，光照12 h，光强4 000 lx，相对湿度70%。发芽采用种子发芽萌发袋方法，将对照(未经辐照处理)和各辐照处理种放入萌发袋内，每袋10粒种子，发芽口向下，每袋加水40 mL，3次重复。6日统计根长及芽长。

1.7 数据分析

试验数据采用Microsoft Execl软件绘图，采用SPSS 16.0统计软件对试验数据进行方差分析和Tukey多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同辐照剂量对8424西瓜种子发芽的影响

由图1可知，200 KeV辐照电压下，当辐照剂量大于30 kGy， 8424西瓜种子发芽势随着剂量的增加呈下降趋势，辐照剂量为55 kGy和60 kGy两个处理的发芽势与对照差异达到显著水平；当辐照剂量大于15 kGy时，8424西瓜种子发芽率低于对照，但各处理间差异不显著。结果表明，电子束辐照对西瓜种子发芽的影响存在临界值，过高的剂量会降低种子发芽势。

2.2 辐照及引发对西瓜种子发芽的影响

由图2可知，与对照相比，辐照处理均降低了8424西瓜种子的根长和芽长，且随着辐照剂量的增加，降低程度加剧。其中，30 kGy辐照处理的根长和芽长分别降低了11.72%、22.25%；40 kGy辐照处理的根长和芽长分别降低了27.25%、24.42%；50 kGy辐照处理的根长和芽长分别降低了41.38%、40.30%。西瓜种子引发处理的根长和芽长最高，分别比对照提高了77%、62.82%。

与仅引发处理相比，辐照+引发处理降低了西瓜种子根长，但仍显著高于对照。与对照相比，FY 30、FY 40、FY 50三个处理的根长分别提高了61.22%、42.84%、25.93%；FY 30、FY 40两个处理的芽长分别提高了43.42%、11.67%；FY 50处理的西瓜种子芽长比对照降低了17.23%。说明引发处理可以缓解辐照处理对种子的负面效应，引发缓解效果随着辐照剂量的增大而减少，当辐照剂量到达50 kGy时，引发处理不能完全缓解辐照损伤。

表1 辐照对不同品种西瓜种子发芽的影响

品种处理剂量/kGy根数/个平均根长/cm芽数/个平均芽长/cmck0398.70±0.36c374.17±0.25dT110408.87±0.15bc384.17±0.15d美都T215409.33±0.25b384.77±0.15cT3204010.23±0.45a395.76±0.15bT4254010.37±0.25a396.33±0.25ack03310.5±0.40d304.20±0.20cT1103411.33±0.32c324.20±0.30c雷晓T2153512.13±0.42b334.80±0.20bT3203612.57±0.31b355.13±0.15abT4253613.43±0.15a355.43±0.15ack0257.77±0.25d217.23±0.15cT110267.70±0.26d227.27±0.25c黑津T215268.23±0.15c247.93±0.15bT320278.87±0.15b258.23±0.25bT425289.57±0.31a248.77±0.45a

注：表中数据为平均值±标准差，同列数据后标不同小写字母表示差异达p<0.05 显著水平；辐照电压为100 KeV。

注：ck，Yck分别表示未经任何处理和引发处理；F 30，F 40，F 50分别表示辐照电压200 KeV下， 30 kGy、40 kGy、50 kGy辐照剂量处理；FY 30、FY 40、FY 50分别表示相应剂量辐照后再进行引发处理；不同小写字母表示处理间达p<0.05显著水平。

2.3 辐照对不同品种西瓜种子发芽的影响

由表1可知，辐照电压100 KeV下，不同剂量辐照处理对美都、雷晓、黑津3个西瓜品种种子根长和芽长的变化趋势一致，表现为随剂量增加，根长芽长逐渐升高，辐照剂量25 kGy处理的西瓜种子根长和芽长最大。对于美都西瓜品种，与对照相比，T 2、T 3、T 4辐照处理种子根长分别提高了7.24%、17.59%、19.19%；芽长分别提高了14.39%、38.13%、51.79%；对于雷晓西瓜品种，与对照相比，T 2、T 3、T 4辐照处理种子根长分别提高了15.52%、19.71%、27.90%；芽长分别提高了14.29%、22.14%、29.29%；对于黑津西瓜品种，与对照相比，T 2、T 3、T 4辐照处理种子根长分别提高了5.92%、14.16%、23.17%；芽长分别提高了9.68%、13.83%、21.30%。

3 结论与讨论

种子本身结构具有一定的保护性能，病原菌可能在种子成熟期间由母株感染或收割加工过程中侵染种子，许多病原菌隐藏于种子组织，特别是外面几层(果皮和种皮)中，能侵染种子内层胚组织的病原菌较少，因此杀灭外层病原菌是种子处理的重点[6]。辐照处理具有处理快速、安全有效、绿色环保、不受温度限制等优点，已广泛应用于食品杀虫灭菌[7]。植物种子为活体细胞，使用穿透力极强的辐照很容易对种子造成损害，小麦种子经过2 400～3 000 Gy辐照后，发芽率为零[8]；辐照强度8～10 KGy可以完全杀灭西瓜果斑病菌，但对种子发芽有显著抑制作用[9]；60Coγ射线辐射对西瓜种子发芽有抑制作用，抑制效应随着辐射剂量的增大而增强[10]。本研究利用能级在80～200 KeV间的Ebeam设备处理西瓜种子，电子束穿透深度与电压相关，以穿透水为例，辐照能级为100 KeV，穿透深度约95μm，辐照能级为150 KeV，穿透深度约240μm，辐照能级为200 KeV，穿透深度约380μm。西瓜种子种皮厚度为200～380μm，平均厚度260μm[11]。试验发现在设备最大电压200 KeV下，60 KGy辐照剂量对8424西瓜种子发芽率没有显著性影响，超过30 KGy辐照延缓了8424西瓜种子发芽。辐照剂量30 KGy可以杀灭包括芽孢体的大部分真菌及细菌，通过检测辐照前后西瓜种子自带菌变化，电压170 KeV剂量30 KGy辐照后8424西瓜种子无菌检出(数据没有给出)。因此辐照剂量小于30 KGy，可以有效抑制种子表面病菌且不影响种子发芽。

一定剂量范围内的辐射对种子的发芽有促进作用，当超过一定值后会使种子胚组织受到损伤，影响细胞生长和分裂[12-14]。杨世梅利用60Co-γ射线辐射西瓜种子发现各西瓜品种在低剂量(50～350 Gy)辐照后显著促进幼苗鲜重增加，高剂量(500～650 Gy)显著抑制鲜重增加[10]。本试验中，辐照电压100 KeV，剂量15～25 kGy的处理提高了美都、雷晓、黑津3个西瓜品种种子根长和芽长，这与前人研究结果相似，说明合适的剂量可以促进西瓜种子发芽。

DNA是细胞增殖、遗传的物质基础，是引起细胞生化、生理改变的关键性物质，DNA损伤在细胞辐射损伤中起重要作用。γ射线辐射和电子束辐射对生物体的影响主要是间接作用，通过作用水分子产生活性很高的自由基进而损伤DNA，导致分子结构发生碱基变化、DNA链断裂和交联等[15]。被损伤的生物分子可以通过各种方式进行修复，种子引发可以促进萌发代谢，加速萌发与出苗，引发期间许多发生在吸水阶段Ⅱ的萌发代谢如DNA和线粒体修复、残留mRNA的降解、新蛋白质的转录和翻译可以继续进行[16]。本试验中， 8424西瓜种子在萌发6 d，引发处理种子根长芽长最大，30～50 kGy的辐照处理根长芽长低于对照，说明该辐照剂量造成了种子辐照损伤；30 kGy和40 kGy辐照处理结合引发处理的根长芽长高于对照，低于引发处理，说明该剂量辐照损伤可以通过引发技术修复；50 kGy辐照处理结合引发处理的芽长低于对照，说明该剂量辐照损伤已不能通过引发技术完全修复。

利用电子帘加速器产生的电子束辐照西瓜种子，在合适的电压和剂量下，可以杀灭种子表面病菌，且可以促进种子发芽，辐照结合引发处理可以在减少种带病菌的同时，提高种子发芽势，是一种具有应用前景的绿色环保种子处理技术。电子束辐照对西瓜种子的抑菌效果有待深入研究，种子表面接受均匀、全面的电子束剂量是辐照处理应用的关键技术，合适的辐照方式及工艺还有待进一步深入研究。