电场对卷荚相思种子萌发和生理生化的影响

朱梦恬，江瑞熠，李秉钧，邓智文，荣俊冬，郑郁善，陈礼光

（福建农林大学林学院, 福建 福州 350002）

电场处理种子作为一项物理技术应用在农林业，具有方法简便、省时有效、低耗无污染等特点。现代农林业生产中[1]，电场处理技术在生物效应、静电选种、农业育种、物理抑菌等领域已经取得了丰硕的成果[2-4]，极大地提高了现代农林业的生产效率。揭示电场对种子萌发的特性能够了解植物种子萌发的驱动因素[5]，目前针对电场处理种子萌发特性已有多项研究，Huang 等[6]将黄瓜(Cucumis sativus)种子吸胀后放入电场处理，发现黄瓜种子的发芽率提高。将番茄(Solanum lycopersicum)[7]、水稻(Oryza sativa)[8]、大豆(Glycine max)[9-10]、黄瓜[11-12]等农作物种子电场处理，发现对种子萌发特性和活力、苗木长势、植株生长发育性状及生产效率普遍具有一定的正向影响。通过电场处理有利于植物种子体内三磷酸腺苷的合成、酶活性的变化，并且促进种子抗逆性和萌发能力的提高，减轻胁迫对种子发育产生的影响[13-17]。

卷荚相思(Acacia cincinnata)是豆科金合欢属植物，常绿乔木，主要作为沿海沙地绿化造林的先锋树种，原产于印度尼西亚东部、澳大利亚昆士兰沿海和巴布亚新几内亚南部等地[18]，20 世纪70 年代引种入我国，我国的人工栽培主要分布在广东、福建、云南、广西、海南等地[19]，具有适生性强、速生丰产、材质优良、根瘤固氮等特点[20-21]。已有研究表明，金合欢属(Acacia)植物均具有较强的抗胁迫能力，如马占相思(A.mangium)、大叶相思(A.auriculiformis)、台湾相思(A.confusa)等[22-23]。黄斌龙等[24]研究了不同轻型基质对卷荚相思(A.cincinnata)容器苗生长的影响，研究发现用60%泥炭土 + 40%锯屑作为卷荚相思容器育苗的基质其生长表现良好，为生长促进型，是最理想的轻型基质配方；路媛媛等[25]研究了高压静电场介导对番茄种子萌发特性及α-淀粉酶活性的影响，结果表明，静电场处理可以促进番茄种子的萌发，且在6.0 kV·cm-1下番茄种子的萌发特性、根和芽的生长以及α-淀粉酶活性具有显著的提高。但同属的卷荚相思种子在电场处理下萌发和生理生化特性尚未有研究。因此，本研究将通过电场处理卷荚相思种子进行萌发，测定卷荚相思种子萌发的相关指标以及其种子抗氧化酶活性和抗性指标，分析不同电场强度处理下卷荚相思种子的萌发及生理特性差异，探究种子在电场处理下的萌发趋势，明确种子萌发最佳电场强度，为卷荚相思种子的萌发和培育研究提供基础依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设备

试验选用的卷荚相思种子采集于福建省漳浦中西国有林场，晾晒后选取颗粒饱满的种子于2022年3 月进行萌发试验。试验所用电源发射器设备为波尔高压电源73030P 电场装置，该设备主要由电场发生器、金属片、绝缘塑料棒组成。通过电场发生器将频率50 Hz 的220 V 交流电场转变为直流高压，将种子置于两个金属片中间，形成一个回路并产生稳定的正向电场。

1.2 试验设计

试验设置电场强度为0 (CK)、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 kV·cm-1，处理时间为60 min，试验共设置6 个处理，在不同电场强度处理下共设置3 个重复。电场的参数取值范围在0～1.0 kV，板间距离50 mm，每个处理挑选饱满、大小相近的50 粒种子，均匀铺洒在金属片上。试验采用纸上培养法进行种子萌发试验，在人工气候箱中进行，设置恒温为25 ℃，湿度为70%，光照采用昼夜各12 h，试验前使用将卷荚相思种子用15% HCHO 进行消毒，然后用蒸馏水清洗数遍，最后用80 ℃热水浸泡24 h，第2 天将种子置于电场中进行处理，然后放入培养皿中。种子萌发后突破种子1 cm 时，每个测定指标称取0.1 g，液氮速冻后放置-80 ℃冰箱储存待测酶活性。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 种子萌发指标

将种子经过电场处理后置于25 ℃恒温培养箱内，每日记录萌发种子数(以胚根突破种皮2 mm 作为萌发标准)，卷荚相思种子在第3 天开始萌发并于12 d 后结束发芽，分别计算发芽率(germination percentage，GP)、发芽势(germination)和发芽指数(germination index, GI)。公式如下[26]：

发 芽 率 = (供 试 种 子 发 芽 数/供 试 播 种 数) ×100%；

发芽势 = (规定时间内供试播种的发芽数/供试播种数) × 100%；∑

发芽指数 =Gt/Dt；

式中：Gt为当天的发芽数，Dt为发芽日数。

1.3.2 抗性指标测定

相对电导率(relative electrical)采用电导仪法[27]测定。丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量使用硫代巴比妥酸法[28]测定，分别记录532、600、450 nm处的吸光度OD 值，计算丙二醛的含量。

1.3.3 酶活性测定

过氧化物酶(peroxidase, POD)活性使用愈创木酚法[28]测定，记录470 nm 处的吸光度OD 值，计算过氧化物酶的活性。

超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性使用氮蓝四唑(NBT)还原法[28]测定，记录560 nm处的吸光度OD 值，计算超氧化物歧化酶的活性。

过氧化氢酶(catalase, CAT)活性使用紫外吸收法[28]测定，记录240 nm 处的吸光度OD 值，计算过氧化氢酶的活性。

1.4 数据处理

采用SPSS 25.0 对所测数据统计分析，用平均值 ±标准误表示测定结果，为了验证数据是否满足条件，对其进行KS 检验，若原始数据不满足正态分布，对原始数据进行10 作底数的lg (x+ 1)对数转换，保证数据呈正态分布。最后分别对同一时间不同电场处理进行单因素方差分析，并用Duncan 法对各测定数据进行多重比较。采用Origin 2022 和Excel软件作图。结构方程模型在软件AMOS 26.0 中实现，通过SEM 研究分析抗氧化酶活性、MDA 含量及相对电导率对种子萌发特性的影响路径及范围，采用极大似然估计法对模型进行拟合。本研究中，χ2/df＜ 2、P＞ 0.05、GFI ＞ 0.9 时，模型拟合良好。

2 结果与分析

2.1 不同电场强度处理对卷荚相思种子萌发的影响

卷荚相思种子的发芽率、发芽势和发芽指数随着电场的增强呈现先下降后上升再下降的趋势，在0.6 kV·cm-1下 均 达 到 最 大(表1)。发 芽 率 在1.0 kV·cm-1时 显 著 低 于CK (P＜ 0.05)，其 他 处 理 与CK 无显著差异(P＞ 0.05)；发芽势在0.4、0.6、0.8、1.0 kV·cm-1下与CK 有显著差异(P＜ 0.05)；发芽指数在0.6 kV·cm-1下显著高于CK (P＜ 0.05)，其他处理与CK 无显著差异(P＞ 0.05)。

根据试验数据(表1)，发芽率指标建立卷荚相思种子回归方程：Y= 65.460 63 - 189.803X13+ 226.959 3X12-53.029 5X1，R2= 0.981 (图1)；该回归方程P值为0.028 3(P＜ 0.05)；当电场在0.65 kV·cm-1时，即发芽率可以达到最大值(74.76%)，与CK 相比提高了13.27%。

图1 不同电场强度处理对卷荚相思种子发芽率的模型拟合Figure 1 Model fitting of different electric field strength treatments on the germination rate of Acacia cincinnata seeds

2.2 不同电场强度处理对卷荚相思种子酶活性和抗性的影响

2.2.1 电场强度处理对卷荚相思种子抗性的影响

相对电导率随着电场强度的增加呈现先升后降再升的趋势(图2)。与CK 相比，0.2 kV·cm-1处理相对电导率上升了2.87%，0.6、0.8、1.0 kV·cm-1处理的相对电导率显著低于CK (P＜ 0.05)，且0.8 kV·cm-1处理与CK 相比显著降低41.30%。

图2 不同电场强度处理对卷荚相思种子抗性的影响Figure 2 Effects of different electric field strength treatments on the resistance of Acacia cincinnata seeds

卷荚相思种子在不同强度电场处理下，0.2 kV·cm-1处理的MDA 含量相比CK 增加了11.38%，其他4 个处理的MDA 含量相比CK 分别降低了7.84%、20.65%、12.73%、2.85%。各处理MDA 含量随电场强度的增加呈现先升后降再升的趋势，且0.6 kV·cm-1处理的MDA 含量最低，显著低于CK (P＜ 0.05) (图2)。

2.2.2 电场强度处理对卷荚相思种子萌发期抗氧化酶活性的影响

适宜的电场处理明显提高了卷荚相思种子POD 的活性，与CK 相比呈现先上升后下降的趋势(图3)。0.8 和1.0 kV·cm-1处 理 相 比 于CK 降 低 了0.29%和24.95%，且与CK 相比无显著差异(P＞0.05)；其余各处理均显著高于CK (P＜ 0.05)，其中在0.6 kV·cm-1处 理 下POD 活 性 增 幅 最 高，达 到65.72%。

图3 不同电场强度处理对卷荚相思种子抗氧化酶活性的影响Figure 3 Effects of different electric field strength treatments on antioxidant enzyme activities of Acacia cincinnata seeds

卷荚相思种子CAT 活性随着电场强度增加表现出先降后升再降的趋势(图3)。0.6 和0.8 kV·cm-1处理均显著高于CK，且比CK 提高了75.66%和42.22% (P＜ 0.05)，但0.2、0.4、1.0 kV·cm-1处 理 与CK 无显著差异(P＞ 0.05)，且0.2 kV·cm-1处理低于CK。

不同强度电场处理下，卷荚相思种子SOD 活性呈现出先升后降的变化趋势(图3)。0.2、0.4、0.6、0.8 kV·cm-1处理均不同程度地高于CK，分别提高了0.68%、23.19%、50.54%、14.28%。且在0.4 和0.6 kV·cm-1处理时与CK 间差异显著(P＜ 0.05)；同时，在0.2、0.8、1.0 kV·cm-1处 理 下 种 子SOD 活 性 与CK 相比无显著差异(P＞ 0.05)。这表明随着电场强度提高，卷荚相思种子在特定条件下SOD 活性提高，但是达到一定阈值后会抑制SOD活性。

2.3 不同电场强度处理对卷荚相思种子发芽率的直接和间接影响

结构方程模型是一种构建、预测和验证因果关系模型的主要方法，可以清晰描述单项指标对总体结构的作用以及单项指标间的相互联系。本研究中模型的适配度测试结果显示，χ2/df的值为0.949，P=0.486，CFI 为1.000，表明构建的结构方程模型与参数的适配度较好，模型拟合基本理想。

结构模型(图4)显示电场处理对POD 酶和相对电导率指数有极显著的影响(P＜ 0.001)；但对SOD并未达到显著影响(P＞ 0.05)。相对电导率对MDA具有极显著的正效应(P＜ 0.01)，路径系数为0.53；但是MDA 对CAT 酶具有极显著的负效应(P＜ 0.01)，路径系数为0.48。其中SOD 对CAT 产生极显著的正效应(P＜ 0.001)，路径系数达到0.64，且CAT 对POD也具有极显著的正效应(P＜ 0.001)，路径系数达到0.76。CAT 和SOD 对发芽率具有正效应，且CAT 对发芽率具有极显著影响(P＜ 0.01)；路径系数达到0.80；但是MDA 和POD 对发芽率具有显著和极显著的负效应影响，路径系数分别为-0.44 和-0.60。

图4 电场处理卷荚相思种子各影响因素的结构方程模型(SEM)分析Figure 4 Structural equation model (SEM) analysis of the influencing factors of Acacia cincinnata seeds administered an electrical current

3 讨论与结论

发芽势能够反映种子品质优劣及其生命力，发芽率是检测种子质量的重要指标之一，发芽指数是反映种子活力的指标[29]。本研究表明，电场强度不同，对种子的发芽率、发芽势和发芽指数均产生不同程度的影响，发芽率和发芽指数随着电场强度的增强呈现先下降后上升再下降的趋势，在0.6 kV·cm-1时发芽率最高，且发芽势和发芽指数显著高于CK(P＜ 0.05)，这可能是电场诱导可减少种子生理损伤、适当提高种子的呼吸速度与吸收能力，提高种子萌发能力[3]。从结构方程模型中发现MDA 和POD 对发芽率具有显著的负效应影响，从结构方程模型中发现MDA、POD 和SOD 对发芽率具有极显著的负效应影响(P＞ 0.01)。黄洪云等[30]研究发现适宜的电场处理会促进番茄(Solanum lycopersicum)种子的萌发。且国外研究发现适宜的电场处理植物，有利于种子的萌发，且具有更强的抗逆能力，并增强其稳定性[31-32]。本研究也发现适宜电场处理能刺激卷荚相思种子内部的活性物质，并有效促进种子萌发。

酶活性通过改变植物体内现成的酶分子活性来调节其新陈代谢。本研究中POD 和SOD活性随着电场强度的增强呈现先升后降的趋势，而CAT 活性随着电场强度的增强呈现先下降再上升最后下降的趋势，说明适宜的电场处理能够使卷荚相思种子在特定条件下提高酶活性并保证营养快速而充分的进入胚中[33]，且电场处理对卷荚相思种子的生理生化指标既能促进也产生阻碍，这取决于电场强度。由结构方程模型可以发现电场处理种子极显著地影响POD 活性(P＜ 0.001)，且SOD 对CAT 的调控具有显著效果(P＜ 0.001)，而POD 和CAT 之间也产生了极显著的影响(P＜ 0.001)。胡建芳等[34]研究发现高粱(Sorghum bicolor)种子通过电场处理萌发时期酶活性增强，而抗氧化酶之间具有协同作用。杨生等[35]研究也发现柠条(Caragan korshinskii)种子经过电场处理后POD 活性有一定量的增加。这可能是因为种子在电场处理时，电场强度提高了种子的呼吸速率和营养元素的吸收，导致钙离子(Ca2+)浓度发生变化，适量Ca2+使酶活性有一定量的增强[36]。在电场阈值内，活性氧在细胞内逐渐减少，细胞膜受到保护，功能得到提高，抗氧化酶合成受到激活，表达活性提高[37]。与此同时，抗氧化酶的反应需要H2O2进行催化，且有足够的电子进入植物体内，POD 活性在低浓度H2O2下也可以发挥超过自身的高效催化作用[38]。

相对电导率是衡量细胞膜透性的重要指标，其值越大，表示电解质的渗透量越多，细胞膜受到的伤害越大。而MDA 是膜脂过氧化的主要产物，其含量升高，引起膜系统损伤，进而影响细胞膜透性。活性氧过量会导致膜脂过氧化产生MDA，同时会使细胞膜透性增强，对相对电导率具有一定影响，二者相辅相成。本研究也发现在适宜的电场强度下，相对电导率和MDA 含量有不同程度的下降，且在适宜的电场处理下能够有效地改善卷荚相思种子细胞代谢强度的变化，有利于种子的萌发[39]。陈花等[40]研究也认为适宜的电场，提升了种子细胞内的正常代谢反应，保护了细胞膜的结构。Janositz和Knorr[41]研究发现，烟叶细胞对不同的电场强度有不同的反应，过高的电场会击穿细胞壁，导致原生质体收缩、体内细胞破裂。电场处理种子可能使Ca2+的浓度产生变化，调节了种子内部的生理作用，从而提高细胞膜稳定性，因此减少了膜脂化产物MDA 的含量，从而维护了细胞膜结构的完整性[42-43]。结构方程模型显示电场处理对相对电导率具有极显著的负效应影响(P＜ 0.001)，且相对电导率对MDA也有显著的影响(P＜ 0.01)，这说明电场处理对种子会有促进的作用，电场处理可以使种子内部电解质的渗透量减少，细胞膜受伤害的程度降低，不会形成过量的活性氧而产生膜脂过氧化，使相对电导率和MDA 含量降低[44-46]。

综上所述，不同电场处理下，在适宜的电场强度下卷荚相思种子的萌发效果有大幅度的提高，并且可有效降低MDA 和相对电导率含量，促进酶的活性，改变植物的新陈代谢，影响到植物种子吸水快慢和呼吸强弱，最终提高种子的萌发效率。因此，在使用电场处理植物种子时，应提前分析电场处理下对种子的最优区间，根据种子萌发对电场耐受程度来采取相应措施，进一步优化处理参数。电场处理对卷荚相思种子及后期生长过程的影响机制还有待进一步深入研究。