大气压冷等离子体持续和间隔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，呼和浩特 010018）

冷等离子体种子处理技术是一种刺激种子萌发、提高作物产量的现代生态农业技术，具有环保经济、方便快捷的特点[1‑2]；相比于辐射育种，冷等离子体处理能够在种子不发生基因突变的情况下激发其活力，所以不存在遗传风险[3]。目前，关于冷等离子体种子处理技术已经有了大量的研究，这些研究均证实了冷等离子体种子处理技术能够提高种子发芽率、改善作物生长、提升作物抗逆性以及增加产量[4-8]。

裸燕麦不仅是重要的粮食作物，也是优质饲料的来源之一[9‑10]，研究表明燕麦具有预防心血管疾病、调节血糖、抗肿瘤等药用功效[11‑12]。但是，由于微生物污染、环境胁迫、种子品质低等因素的影响，目前燕麦种子萌发率普遍较低且产量不高[7]。因此，寻找合适的处理手段来解决以上问题就显得很有必要。考虑到冷等离子体处理技术的优势，对燕麦种子进行冷等离子体处理，并探究冷等离子体对其萌发的影响规律具有重要意义。本试验探究大气压冷等离子体持续与间隔处理对燕麦种子萌发的影响规律，在前期试验选定合适处理电压的基础上，在总处理时间不变的条件下，分别对燕麦种子进行了单组持续处理和多组间隔处理，比较了二者对种子萌发的影响，并对机理进行了讨论，为下一步研究及应用奠定了基础。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验采用自制的大气压介质阻挡放电等离子体射流装置（图1），该装置包括等离子体发生、传送、检测3 部分。等离子体发生部分由高压交流电源、高压电极（包裹于扁口状石英管外壁的铝箔，其中石英管管口规格为50 mm×5 mm）、阴极（铜片）、99.999%的高纯氩气、LZB 转子流量计组成。上下电极间距9 mm，流量计控制不同流量的氩气由石英管侧壁的进气口进入石英管，在高压电极附近被电离形成等离子体，等离子体在气流作用下喷向石英管开口附近区域，形成等离子体射流区。传送部分由可调速动力装置、绝缘胶皮传送履带组成，低压电极置于2 层绝缘履带之间并与大地相连，试验时将种子平铺于履带上层，通过改变传送速度来控制种子经过等离子体射流区的时间。检测部分主要由高压探头和数字示波器组成，用来检测放电电压。

图1 等离子体射流装置Fig.1 Plasma jet device

1.2 种子处理

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。将种子用自来水冲洗20 min，蒸馏水冲洗2 遍后，滤纸吸净种子表面水分，然后在35 ℃下烘24 h，使种子含水量一致，最后进行等离子体处理。各组等离子体处理参数如表1 所示，其中以不进行处理为对照组（CK），设40和60 s共2个处理总时间，在2个处理总时间内又设间隔处理和持续处理，即40 s处理总时间内分别设40 s 处理1 次（A1）、20 s 处理2 次（A2）、10 s 处理4 次（A3）；60 s 处理总时间内分别设60 s处理1次（B1）、30 s处理2次（B2）、20 s处理3 次（B3）和10 s 处理6 次（B4）。处理时气流量为150 L·h-1、电压为4 kV，每2 次处理间隔时间为2 min。

表1 各组燕麦种子等离子体处理参数Table 1 Plasma treatment parameters of each group oat seeds

1.3 发芽试验

等离子体处理后的种子在2% NaClO 溶液中浸种消毒5 min，用蒸馏水冲洗干净并浸泡6 h 催芽。在发芽盒内铺2 层芽纸作为芽床，浸种后种子腹沟向下均匀摆放在湿润的芽床上，每组3 个重复，每个重复100 粒种子。将发芽盒放置于人工气候箱中，昼24 ℃/夜18 ℃、昼16 h/夜8 h 进行培养，每天喷洒适量蒸馏水使芽纸保持湿润。从培养第2 天开始，每24 h 统计1 次发芽种子数，以芽长不短于种子长的50%作为发芽标准。

1.4 表面接触角和吸水率试验

使用Kino 光学法接触角仪（型号SL150E，美国科诺工业有限公司）测量种子表面接触角。吸水率测量使用Roy 等[13]的方法，将种子置于纯水中，在25 ℃环境中静置，每隔60 min测定1次种子重量直至恒重为止。每组3次重复。

1.5 幼苗生长指标测量

在培养的第8 天，每组随机挑选15 棵幼苗（3 个重复，每个重复5 棵），从根结处分离。用毫米尺直接测量幼苗根结至叶尖的长度记作芽长，根结至根尖的长度记作根长。将幼苗放置在65 ℃下烘干，用电子天平每隔2 h分别测量1次芽和根的重量，直至恒重。

1.6 可溶性蛋白含量和α-淀粉酶活性测定

采用考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白含量，3,5-二硝基水杨酸比色法测定α-淀粉酶活性[14]。分别测定第3、第5、第7天的可溶性蛋白含量和α-淀粉酶活性。

1.7 数据统计分析

使用SPSS 25.0 软件对数据进行单因素方差分析（Duncan’s test、P<0.05），图表中数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同处理下表面接触角和种子吸水率的变化

一般而言，种子表面接触角越小，其亲水性越高。不同处理下种子表面接触角和吸水率的变化如图2 所示，与CK 相比，各处理组种子表面接触角均变小，表明亲水性均显著增加（P<0.05）。吸水率变化方面，除了B1 处理略有增加外，其他处理组均有所降低，其中B4处理下降最显著。间隔处理的种子与持续处理相比，在亲水性变化上，A2、A3 处理组的亲水性较A1 显著增加，其中A3处理变化最大，与A1相比提高约39.07%；与B1相比，B2、B4 处理组亲水性有所下降，而B3 有所上升，但变化均不显著。在吸水率变化方面，种子吸水率随着间隔处理次数的增加而降低，A1、A2、A3处理组之间差异不明显，但是B3、B4组与B1组相比吸水率显著下降。2 种处理方式对亲水性和吸水率的影响差异可能与总处理时间的不同有关，当总处理时间为40 s 时，间隔处理对亲水性影响较大；当总处理时间延长为60 s时，间隔处理对亲水性影响变小，对吸水率的影响变大。

2.2 不同处理下种子发芽势和发芽率的变化

不同处理对燕麦种子发芽势的影响如图3 所示，除了A1 外，处理组种子发芽势均高于CK。随着间隔处理次数的增加，种子发芽势逐渐提高，当总处理时间为40 s 时，与持续处理的A1 相比，间隔处理的A2 和A3 组种子发芽势依次提高，并且A3 增加显著（P<0.05），与A1 相比提高约27.16%。同样，当总处理时间为60 s 时，间隔处理的B2、B3、B4 组种子发芽势不但比持续处理的B1 有所提升，而且与CK 相比显著提升。发芽率方面，与持续处理相比间隔处理提高了种子发芽率，但不具有显著性。由此说明，间隔处理对燕麦种子的发芽势促进作用更强，对于发芽率暂未发现明显影响。

图3 不同处理对燕麦种子发芽势和发芽率的影响Fig.3 Effects of different treatments on germination potential and rate of oat seeds

2.3 不同处理下燕麦幼苗生长情况

图4表示不同处理对燕麦幼苗生长的影响。当总处理时间为40 s 时，间隔处理的A2、A3 组幼苗根长、芽长、根干重和芽干重与持续处理的A1相比逐渐提高，并且A3处理燕麦幼苗各项指标较CK有不同程度增加，但增加不显著。当总处理时间为60 s 时，B2 处理根干重有所增加，虽然较B1处理增加不显著，但是与CK 相比增加显著；此外，与B1 相比，除了B2 处理根干重有所增加外，B2、B3、B4 组的其他各项指标均有不同程度的降低，但下降不显著。

图4 不同处理对燕麦幼苗生长的影响Fig.4 Effects of different treatments on the growth of oat seedlings

2.4 不同处理下可溶性蛋白含量的变化

可溶性蛋白含量在一定程度上反映了种子萌发时内部各种生化反应的快慢程度。由图5可知，第5 天的可溶性蛋白含量明显低于第3 和第7 天。第3 天各处理组的可溶性蛋白含量均高于CK，但差异不显著；40 s下间隔处理的可溶性蛋白含量要低于持续处理，总处理时间为60 s时，与B1相比B2处理可溶性蛋白含量下降，B3、B4处理可溶性蛋白含量上升，与持续处理相比，间隔处理时可溶性蛋白含量均没有显著性变化。第5天，各处理组的可溶性蛋白含量均低于CK，其中B1、B3和B4处理下降显著（P<0.05）；随着间隔处理次数的增加，40 s下间隔处理时种子中可溶性蛋白含量逐渐增加，而60 s下间隔处理时可溶性蛋白含量逐渐降低，最后低于持续处理，同样间隔处理时可溶性蛋白含量变化差异不显著。第7 天中可溶性蛋白含量整体增加，除A2处理外其余间隔处理的各组种子可溶性蛋白含量要高于持续处理组，但差异不显著。

图5 不同处理对种子可溶性蛋白含量的影响Fig.5 Effects of different treatments on soluble protein content of seeds

2.5 不同处理下α-淀粉酶活性的变化

α-淀粉酶活性是衡量种子发芽快慢的重要指标之一，其变化如图6 所示。首先，第7 天的α-淀粉酶活性要远低于第3和第5天，而且各组酶活性相当，没有显著差异。第3天时，处理组的α-淀粉酶活性整体低于CK，其中A3、B3 和B4 处理显著降低（P<0.05）；与A1 相比，A2 处理α-淀粉酶活性稍有提高，A3 处理α-淀粉酶活性降低，但差异均不显著；与B1相比，B2、B3、B4处理的α-淀粉酶活性逐渐降低，B4 组α-淀粉酶活性显著下降30.42%。第5 天时，只有B2 和B4 处理α-淀粉酶活性低于CK，且不具有显著性；间隔处理时α-淀粉酶活性均低于持续处理，但差异不显著。

图6 不同处理对种子α-淀粉酶活性的影响Fig.6 Effects of different treatments on α-amylase activity of seeds

3 讨论

3.1 冷等离子体处理对燕麦种子亲水性和吸水率的影响

种子吸水是种子萌发的关键时期。研究表明等离子体处理能够改变种皮结构，增加种皮的亲水性，加速水分和离子进入种子内部，促进发芽[1]。本研究发现，间隔处理时燕麦的亲水性都有不同程度的增加，其中10 s 处理4 次时亲水性增加最大，当总处理时间为60 s时，亲水性的变化不再显著，这与孟祎然[15]的研究结果相似，说明适宜强度的等离子体处理能够提高种皮亲水性，随着强度的增加种子亲水性变化不再明显。此外，本研究发现等离子体处理后种子的吸水率有不同程度的下降，并且间隔处理次数越多，吸水率降低越明显，这与Li 等[7]、Roy 等[13]和Xu 等[16]发现等离子体处理后种子吸水率上升的结果不一致。究其原因，可能是由于等离子束对燕麦种子糊粉层造成影响，直链淀粉的α-1,4糖苷键断裂继而形成更多α-1,6 糖苷键[17]，以及蛋白质疏水氨基酸残基暴露[18]，使得种子内部疏水性增加，导致吸水率下降。

3.2 冷等离子体处理对燕麦种子发芽势和发芽率的影响

发芽势能够反映种子的发芽速度和整齐度，而发芽率可以反映种子生命力的强弱，两者都是衡量种子发芽活力的重要指标[19]。本研究中，与持续处理相比，间隔处理对种子发芽势的提高更为明显，其中，10 s 处理4 次时提升最大，这与亲水性的变化结果对应，但是间隔处理并未对种子发芽率造成显著影响。Bormashenko 等[20]对菜豆进行冷等离子体处理，发现菜豆种子的亲水性和发芽势虽然有显著增加，但是发芽率并没有明显改变，这与本试验结果一致。此外，本研究中对种子进行间隔处理可能会使种子一直处于胁迫状态，从而产生大量活性氧自由基，这些活性氧自由基促进细胞内信号转导，从而激发种子活性，提高发芽势[13,21]。

3.3 冷等离子体处理对燕麦幼苗生长的影响

大量研究证实采用适宜参数的等离子体处理种子，对幼苗的生长有一定的促进作用[4,6‑7]。Wang 等[22]发现，由于等离子体处理后种子的酶活性与细胞膜通透性提高，加速了新细胞的形成，促进根和芽的分化与生长，从而促进幼苗生长。Xu 等[16]采用多针板结构高压电场处理燕麦种子后，燕麦幼苗的高度和鲜重都显著增加。但本研究使用介质阻挡放电等离子体处理燕麦种子，发现间隔处理和持续处理对燕麦幼苗的生长并没有显著影响，这与Šerá 等[23]的结果类似。综上，可能是由于种子对不同放电类型的反应不同，造成了燕麦幼苗变化不明显，具体机制还待进一步探究。

3.4 冷等离子体处理对燕麦种子萌发前期可溶性蛋白含量和α-淀粉酶活性的影响

本研究中可溶性蛋白含量总体上随发芽周期的变化呈现先下降后上升的规律，这与黄明镜[24]的研究结果一致。与持续处理相比，间隔处理的燕麦种子在第3和第5天可溶性蛋白含量较低，但是第7 天蛋白含量提升明显并超过持续处理的种子，说明间隔处理对燕麦幼苗后期生长的促进作用更大。种子的萌发伴随着淀粉等贮藏物质的分解，因此，α-淀粉酶活性能够反映种子萌发的快慢[19,24]。本研究中α-淀粉酶活性总体上变化呈现先上升后下降的规律，说明淀粉分解主要发生在发芽中期，这与孟会峰[25]的结果一致。在发芽第3和第5天，与持续处理相比，间隔处理时种子α-淀粉酶活性降低，可能因为多次处理产生了过多活性氧自由基，对细胞抑制较大[26]，从而降低了淀粉酶的活性。