大气压等离子体处理作物种子的效应及机理

张奇雨,吕晓桂,包 锦

（内蒙古农业大学理学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

1879 年英国物理学家CROOKES 在研究阴极射线管时，发现其中存在带有正电荷和负电荷的带电粒子，是不同于常见的固态、液态和气态的第四种状态，即等离子体［1］。等离子体由气体部分电离或完全电离产生，电场或强紫外辐射使物质外层电子击出，形成具有高位能、高动能的自由电子，自由电子与背景气体发生碰撞，从而产生各种活性物质［2］，其组分包括电子、原子、正负离子、激发态和非激发态气体分子及其他活性粒子。此外，等离子体产生时还会产生紫外线、红外线和可见光等电磁波［3］。

等离子体的分类方式有很多种，按照其产生环境的气压可分为低压等离子体和常压等离子体，常压等离子体又称大气压等离子体［4］。研究发现，大气压等离子体可有效解决产生低压等离子体所需的真空系统设备昂贵和维护不易等问题，所以对等离子体的研究逐渐集中于大气压等离子体。对大气压等离子体应用领域的研究是其最广的一个研究领域。常用的是大气压介质阻挡放电，与通常化学反应器产生的粒子相比，大气压介质阻挡放电产生等离子体的活性粒子更容易与接触的物质发生反应，产生的效果更显著［5］。并且，利用大气压介质阻挡放电等离子体对作物种子进行预处理，还具有周期短、成本低、高效、绿色等优势，目前，在农业生产中利用大气压介质阻挡放电处理作物种子已有大量研究，且取得较好成果。周筑文等［6］在研究大气压等离子体预处理茄子种子发现，茄子的黄萎病发病率降低，产量提高。吕晓桂等［7］在研究大气压等离子体处理芥菜种子发现，在特定的电压下，试验组的发芽速度和根长高于对照组，且在干旱胁迫下，大气压等离子体对芥菜的生长具有促进作用。

等离子体在农业中的应用作为一个新兴的研究方向，研究前景十分广阔。种子作为农业生产中最基本的生产资料，推广先进的选种育种技术对我国农业的发展至关重要。对大气压等离子体在处理作物种子效应及机理方面的研究进行总结，归纳大气压等离子体对作物种子表皮的影响及作用机理，阐述大气压等离子体对作物种子萌发和幼苗生长的影响及作用机理，为大气压等离子体在育种上的实际应用及后续研究提供参考。

1 大气压等离子体种子处理发展历程

大气压等离子体种子处理技术最先由俄罗斯科学家应用在蔬菜种子上，发现其可提高蔬菜种子出苗率以及作物产量。20 世纪后，等离子体技术研究进入蓬勃发展时期，大气压等离子体技术作为其分支也得到快速发展。20 世纪50 年代由于空间研究计划的需要，大气压等离子体主要被应用到工业领域，如焊接、切割、喷涂等［8］。20 世纪60 年代，用氩气等离子体处理玻璃表面，发现等离子体有良好的杀菌效果［9］，加拿大及其他国家研究人员开始将大气压等离子体应用于农作物种子消毒和杀菌。20 世纪80 年代，大气压等离子体逐渐被应用到杀菌消毒、污染治理、医药、微电子等众多领域。21 世纪以来，大气压等离子体技术开始与多学科交叉融合发展，在农业生产、航空航天、生物医学、环境科学等领域得到广泛研究和应用［10］。在农业生产领域作物种子处理方面，经过大气压等离子体处理的种子，其内源物质被激活，种子生命力得以增强，实现种子复壮、促进植株生长及提高产量［11］。目前，大气压等离子体种子处理技术已应用于小麦［12］、水稻［13］、燕麦［14］等粮食作物种子，生菜［15］、黄瓜［16］、萝卜［17］等蔬菜种子，穿心莲［18］、罂粟［19］等药材种子，其参考数据为一些生理生化指标的变化，如种子的发芽率、发芽势、各种酶的活性、叶绿素的含量和作物产量等。关于大气压等离子体对作物种子的作用机理研究较少，因不同作物种子的物理化学特性和生物学特性差异较大，对同一处理下的大气压等离子体反应效果也不同，所以关于大气压等离子体对作物种子的规律及机理需进一步探索。目前我国的种子行业在国际上处于劣势，关键技术不成熟、支柱产业未成型，若大气压等离子体处理种子技术发展成熟并广泛推广，将有利于改变我国种子行业的落后局面［11］，对中国未来种业的发展产生巨大影响，对促进我国的农业发展发挥重要作用。

2 大气压等离子体对作物种子的处理效应与机理

2.1 大气压等离子体对作物种子表皮的作用效果及机理

种子表面携带的微生物会影响种子的萌发，进而影响幼苗生长及作物产量，所以在播种前对种子进行消毒是非常重要的环节。常用的手段有化学方法和生物方法，但这些方法存在周期长、不环保以及安全性低等问题，与现在所提倡的绿色农业相违背［20］。研究表明，等离子体形成过程中产生的高能粒子、紫外线以及其他射线［21］会对种子携带的微生物产生影响［22］。PULIGUNDLA 等［23］对萝卜种子进行电晕放电等离子体处理3 min 后发现，种子中检测到的需氧菌、蜡样芽孢杆菌、大肠杆菌、沙门氏菌、霉菌和酵母菌等微生物都减少1.2～2.1 logCFU/g。王玲玲等［24］利用大气压等离子体对番茄种子进行25 min处理发现，番茄种子表面和内部细菌的灭菌率达99%以上。对我国进口带有检疫性有害病原菌的小麦进行等离子体杀菌处理，与高温和臭氧等处理相比，等离子体处理对小麦矮腥黑粉菌的灭杀效率更高、效果更好，对小麦后期的发芽和品质也无影响［25］。以介质阻挡放电产生的等离子体处理燕麦粉30 min，发现T-2 毒素降解率达15%以上，HT-2 毒素降解率达12.5%以上［14］。

研究普遍认为，大气压等离子体灭菌消毒与其产生的活性成分相关。病菌的死亡是由于其细胞结构或蛋白质被破坏所导致。活性粒子中的活性氧粒子和活性氮粒子，通过对病菌细胞形态造成损伤、对病菌DNA 的氧化以及蛋白质的变性等方式引发病菌死亡。紫外线可使病菌中的DNA 分子生成胸腺嘧啶二聚体，进而抑制其生长和繁殖。此外，带电粒子具有很高的电子能量，电荷在病菌细胞壁外侧会积累静电力，当静电力的强度超过细胞外膜拉伸强度时，则会引起病菌细胞壁的破裂，达到杀菌灭毒的效果［26］。

2.2 大气压等离子体处理对种子萌发的效应及机理

种子是植物生长发育的基础，萌发作为植物生命周期的第一环节，其发芽的速度和整齐度对农作物的产量和品质具有非常重要的影响［27］。种子的萌发不仅受外部环境温度、湿度、光照等因素的影响，还受种子内部各种激素调节的影响。

已有大量研究证明，经大气压等离子体处理的种子萌发状态有所改善。TONG等［18］研究大气压等离子体处理穿心莲种子，在电压为4 250 V，处理时间为10 s时发现种子发芽势和发芽指数显著高于对照组。王敏等［28］研究大气压等离子体处理对黄瓜种子萌发的影响，发现在5 620～7 310 V电压范围内，处理组的发芽势、发芽率、发芽指数及活力指数较对照分别提高8.22%～52.94%、2.21%～9.55%、5.37%～35.32%、4.72%～104.72%。黄明镜等［29］发现晋麦47种子经电流强度为1.5～3.5 A的等离子体处理后，在PEG-6000模拟胁迫下，种子发芽势、发芽率分别比对照组提高49.4%～152.9%、12.8%～33.2%，发芽指数增加23.3%～77.6%；等离子体强度在1～3 A，晋麦66种子的发芽势、发芽率分别比对照组提高23.3%～109.3%、8.3%～54.8%，发芽指数增加30.8%～87.5%。说明一定剂量范围内的等离子体处理可提高种子活力和抗干旱能力。种子萌发是消耗能量的过程，种子内部淀粉酶的活性可反映种子萌发速度。黄明镜［30］研究小麦种子萌发过程中某些生理变化时，发现等离子体处理的小麦种子在萌发第2天和第3天，晋麦66号的α-淀粉酶活性分别比对照组高143.1%和115.5%，晋麦47号分别比对照组高122.3%和60.6%，且差异达极显著水平。DEGUTYTĖFOMINS等［17］研究等离子体处理后的萝卜种子内源激素水平，发现新鲜种子处理后ABA（脱落酸）的含量显著下降，而ABA/GA（赤霉素）减小，利于种子萌发；对放置5个月的种子处理发现ABA水平变化不明显，认为等离子体处理只对新鲜种子的激素水平有影响。

空气被电离过程中产生电子、中性粒子、受激原子和离子等活性粒子，这些粒子不断轰击种子表面，导致表面化学键断裂、表面形态被破环，从而提高种皮的通透性，增强吸涨作用，促进种子的萌发［31］。DHAYAL等［32］认为等离子体对种子的调控作用以离子刻蚀为主。VOLIN等［33］利用不同气体介质背景下产生的低温等离子体处理种子，种子的吸水率发生变化，发现适合的气体介质等离子体处理可改变种子表皮结构，使其通透性发生改变，进而增加种子的吸水性，提高发芽率。DUBINOV等［34］使用等离子体处理黑芥种子发现，等离子体射流能够改变种子亲水性，减少水滴与种皮的接触角。BORMASHENKO等［35］研究发现等离子体处理可显著降低多种作物种子的表面接触角，提高种子吸水能力，增加种子表皮中氧化性的含氮基团、亲水基团，进而提高发芽率。此外，经等离子体处理，α-淀粉酶、琥珀酸脱氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶等多种酶的活性提高，种子呼吸作用增强，生物氧化过程加快，物质的运输和合成能力加速，有效提高种子活力，从而促进种子萌发［36］。

2.3 大气压等离子体处理对作物幼苗生长的效应及机理

幼苗阶段是作物生命周期中关键且脆弱的一个阶段，其生长发育直接关系作物种群的大小及遗传变异能力和多样性，但幼苗会受外界环境及内部激素各种因素的影响，因此确保作物幼苗正常生长至关重要［37］。

大量研究表明，经大气压等离子体处理的作物种子在幼苗时期表现出良好的生长态势。方向前等［38］用等离子体处理烟草种子，发现其出苗期比对照组提前2 d以上。TONG等［18］在穿心莲育苗试验中发现，在5 900 V电压下处理10 s，试验组的出苗率超过50%，显著高于其他组。王敏等［28］研究等离子体处理黄瓜种子发现，幼苗的根活力、叶绿素含量、过氧化物酶活性分别比对照提高15.96%～34.37%、4.09%～27.04%、4.24%～16.58%。STOLÁRIK等［39］研究发现豌豆种子经等离子体处理后，引起其幼苗内源激素水平的变化，促进幼苗的生长。吕晓桂等［40］研究等离子体处理芥菜种子发现，幼苗的根长比对照组有较大提高。王志新等［41］用等离子体处理生菜种子发现，其幼苗的根和茎的鲜、干质量及根体积都有增加。葛永群等［42］发现在春寒低温影响下，经等离子体处理的玉米出苗率比对照组提高约31%，此外，经等离子体处理的玉米始终未遭受病虫害，而对照组则遭受玉米黏虫病和玉米灰斑病（发病率达80%）。综上所述，等离子体处理作物种子可提高作物的抗逆性，通过影响内源激素分泌从而促进幼苗的生长。等离子体处理提高幼苗抗逆性的机理，与其产生的大量活性物质改变种子润湿性有关，润湿性的改变降低了种子与土壤和环境固有的胁迫关系，促进幼苗初生代谢产物的积累，减轻细胞膜质过氧化程度，提高生物膜透性、过氧化酶活性和种皮通透性，增加了幼苗脱水忍耐力和保水力，有助于幼苗抗逆性的改善。GIBA 等［43］研究认为幼苗性状显著变化的原因是细胞受到离子中自由基的刺激。

目前关于等离子体对幼苗生长作用机理的了解还不够充分，仍需不断探索。大气压等离子体对作物种子的调控作用不能归因于某一化学因子或某一物理因素，这些理化效应之间的协同作用，才是促进作物种子萌发和生长的关键，其具体作用通过作物宏观性状表现，因此探明大气压等离子体对作物种子的作用机理，需从宏观因子和生理生化指标上共同着手［8］。

3 小结与展望

综上所述，大气压等离子体处理作物种子，对种子表皮具有一定的灭菌消毒作用，可降低作物在后续生长中发生病虫害的风险；大气压等离子体还能改变种皮结构，激活种子内部各种酶活性，使种子的生命力增强，促进种子萌发；采用大气压等离子体处理作物种子，刺激幼苗生长的内源物质，能增强植株抗逆性，加速幼苗的生长发育。

大气压等离子体处理技术作为一种新兴的非热物理加工技术，在试验研究中虽然作用效果明显，但在实际生产中的应用还不成熟。目前对其处理效应的研究主要集中在表型和生理层面，对机理的研究有待深入。未来可从以下面展开研究：一是获取有效的遗传信息，在基因层面将大气压等离子体处理作物种子的优秀基因稳定地遗传下去；二是加强大气压等离子体使用的安全规范，保证等离子体产生所需条件及产生过程中的各种成分对研究者不会造成伤害；三是探明针对不同作物的大气压等离子体处理的技术条件，如气体、电压、频率等，以更好发挥其处理效果。