大氣壓等離子體處理作物種子的效應及機理

張奇雨,呂曉桂,包 錦

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

1879 年英國物理學家CROOKES 在研究陰極射線管時，發(fā)現(xiàn)其中存在帶有正電荷和負電荷的帶電粒子，是不同于常見的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的第四種狀態(tài)，即等離子體［1］。等離子體由氣體部分電離或完全電離產(chǎn)生，電場或強紫外輻射使物質(zhì)外層電子擊出，形成具有高位能、高動能的自由電子，自由電子與背景氣體發(fā)生碰撞，從而產(chǎn)生各種活性物質(zhì)［2］，其組分包括電子、原子、正負離子、激發(fā)態(tài)和非激發(fā)態(tài)氣體分子及其他活性粒子。此外，等離子體產(chǎn)生時還會產(chǎn)生紫外線、紅外線和可見光等電磁波［3］。

等離子體的分類方式有很多種，按照其產(chǎn)生環(huán)境的氣壓可分為低壓等離子體和常壓等離子體，常壓等離子體又稱大氣壓等離子體［4］。研究發(fā)現(xiàn)，大氣壓等離子體可有效解決產(chǎn)生低壓等離子體所需的真空系統(tǒng)設備昂貴和維護不易等問題，所以對等離子體的研究逐漸集中于大氣壓等離子體。對大氣壓等離子體應用領域的研究是其最廣的一個研究領域。常用的是大氣壓介質(zhì)阻擋放電，與通常化學反應器產(chǎn)生的粒子相比，大氣壓介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體的活性粒子更容易與接觸的物質(zhì)發(fā)生反應，產(chǎn)生的效果更顯著［5］。并且，利用大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體對作物種子進行預處理，還具有周期短、成本低、高效、綠色等優(yōu)勢，目前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用大氣壓介質(zhì)阻擋放電處理作物種子已有大量研究，且取得較好成果。周筑文等［6］在研究大氣壓等離子體預處理茄子種子發(fā)現(xiàn)，茄子的黃萎病發(fā)病率降低，產(chǎn)量提高。呂曉桂等［7］在研究大氣壓等離子體處理芥菜種子發(fā)現(xiàn)，在特定的電壓下，試驗組的發(fā)芽速度和根長高于對照組，且在干旱脅迫下，大氣壓等離子體對芥菜的生長具有促進作用。

等離子體在農(nóng)業(yè)中的應用作為一個新興的研究方向，研究前景十分廣闊。種子作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最基本的生產(chǎn)資料，推廣先進的選種育種技術對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關重要。對大氣壓等離子體在處理作物種子效應及機理方面的研究進行總結，歸納大氣壓等離子體對作物種子表皮的影響及作用機理，闡述大氣壓等離子體對作物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響及作用機理，為大氣壓等離子體在育種上的實際應用及后續(xù)研究提供參考。

1 大氣壓等離子體種子處理發(fā)展歷程

大氣壓等離子體種子處理技術最先由俄羅斯科學家應用在蔬菜種子上，發(fā)現(xiàn)其可提高蔬菜種子出苗率以及作物產(chǎn)量。20 世紀后，等離子體技術研究進入蓬勃發(fā)展時期，大氣壓等離子體技術作為其分支也得到快速發(fā)展。20 世紀50 年代由于空間研究計劃的需要，大氣壓等離子體主要被應用到工業(yè)領域，如焊接、切割、噴涂等［8］。20 世紀60 年代，用氬氣等離子體處理玻璃表面，發(fā)現(xiàn)等離子體有良好的殺菌效果［9］，加拿大及其他國家研究人員開始將大氣壓等離子體應用于農(nóng)作物種子消毒和殺菌。20 世紀80 年代，大氣壓等離子體逐漸被應用到殺菌消毒、污染治理、醫(yī)藥、微電子等眾多領域。21 世紀以來，大氣壓等離子體技術開始與多學科交叉融合發(fā)展，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、生物醫(yī)學、環(huán)境科學等領域得到廣泛研究和應用［10］。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域作物種子處理方面，經(jīng)過大氣壓等離子體處理的種子，其內(nèi)源物質(zhì)被激活，種子生命力得以增強，實現(xiàn)種子復壯、促進植株生長及提高產(chǎn)量［11］。目前，大氣壓等離子體種子處理技術已應用于小麥［12］、水稻［13］、燕麥［14］等糧食作物種子，生菜［15］、黃瓜［16］、蘿卜［17］等蔬菜種子，穿心蓮［18］、罌粟［19］等藥材種子，其參考數(shù)據(jù)為一些生理生化指標的變化，如種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、各種酶的活性、葉綠素的含量和作物產(chǎn)量等。關于大氣壓等離子體對作物種子的作用機理研究較少，因不同作物種子的物理化學特性和生物學特性差異較大，對同一處理下的大氣壓等離子體反應效果也不同，所以關于大氣壓等離子體對作物種子的規(guī)律及機理需進一步探索。目前我國的種子行業(yè)在國際上處于劣勢，關鍵技術不成熟、支柱產(chǎn)業(yè)未成型，若大氣壓等離子體處理種子技術發(fā)展成熟并廣泛推廣，將有利于改變我國種子行業(yè)的落后局面［11］，對中國未來種業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，對促進我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

2 大氣壓等離子體對作物種子的處理效應與機理

2.1 大氣壓等離子體對作物種子表皮的作用效果及機理

種子表面攜帶的微生物會影響種子的萌發(fā)，進而影響幼苗生長及作物產(chǎn)量，所以在播種前對種子進行消毒是非常重要的環(huán)節(jié)。常用的手段有化學方法和生物方法，但這些方法存在周期長、不環(huán)保以及安全性低等問題，與現(xiàn)在所提倡的綠色農(nóng)業(yè)相違背［20］。研究表明，等離子體形成過程中產(chǎn)生的高能粒子、紫外線以及其他射線［21］會對種子攜帶的微生物產(chǎn)生影響［22］。PULIGUNDLA 等［23］對蘿卜種子進行電暈放電等離子體處理3 min 后發(fā)現(xiàn)，種子中檢測到的需氧菌、蠟樣芽孢桿菌、大腸桿菌、沙門氏菌、霉菌和酵母菌等微生物都減少1.2～2.1 logCFU/g。王玲玲等［24］利用大氣壓等離子體對番茄種子進行25 min處理發(fā)現(xiàn)，番茄種子表面和內(nèi)部細菌的滅菌率達99%以上。對我國進口帶有檢疫性有害病原菌的小麥進行等離子體殺菌處理，與高溫和臭氧等處理相比，等離子體處理對小麥矮腥黑粉菌的滅殺效率更高、效果更好，對小麥后期的發(fā)芽和品質(zhì)也無影響［25］。以介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體處理燕麥粉30 min，發(fā)現(xiàn)T-2 毒素降解率達15%以上，HT-2 毒素降解率達12.5%以上［14］。

研究普遍認為，大氣壓等離子體滅菌消毒與其產(chǎn)生的活性成分相關。病菌的死亡是由于其細胞結構或蛋白質(zhì)被破壞所導致?；钚粤Ｗ又械幕钚匝趿Ｗ雍突钚缘Ｗ?，通過對病菌細胞形態(tài)造成損傷、對病菌DNA 的氧化以及蛋白質(zhì)的變性等方式引發(fā)病菌死亡。紫外線可使病菌中的DNA 分子生成胸腺嘧啶二聚體，進而抑制其生長和繁殖。此外，帶電粒子具有很高的電子能量，電荷在病菌細胞壁外側會積累靜電力，當靜電力的強度超過細胞外膜拉伸強度時，則會引起病菌細胞壁的破裂，達到殺菌滅毒的效果［26］。

2.2 大氣壓等離子體處理對種子萌發(fā)的效應及機理

種子是植物生長發(fā)育的基礎，萌發(fā)作為植物生命周期的第一環(huán)節(jié)，其發(fā)芽的速度和整齊度對農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)具有非常重要的影響［27］。種子的萌發(fā)不僅受外部環(huán)境溫度、濕度、光照等因素的影響，還受種子內(nèi)部各種激素調(diào)節(jié)的影響。

已有大量研究證明，經(jīng)大氣壓等離子體處理的種子萌發(fā)狀態(tài)有所改善。TONG等［18］研究大氣壓等離子體處理穿心蓮種子，在電壓為4 250 V，處理時間為10 s時發(fā)現(xiàn)種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)顯著高于對照組。王敏等［28］研究大氣壓等離子體處理對黃瓜種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)在5 620～7 310 V電壓范圍內(nèi)，處理組的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)較對照分別提高8.22%～52.94%、2.21%～9.55%、5.37%～35.32%、4.72%～104.72%。黃明鏡等［29］發(fā)現(xiàn)晉麥47種子經(jīng)電流強度為1.5～3.5 A的等離子體處理后，在PEG-6000模擬脅迫下，種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率分別比對照組提高49.4%～152.9%、12.8%～33.2%，發(fā)芽指數(shù)增加23.3%～77.6%；等離子體強度在1～3 A，晉麥66種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率分別比對照組提高23.3%～109.3%、8.3%～54.8%，發(fā)芽指數(shù)增加30.8%～87.5%。說明一定劑量范圍內(nèi)的等離子體處理可提高種子活力和抗干旱能力。種子萌發(fā)是消耗能量的過程，種子內(nèi)部淀粉酶的活性可反映種子萌發(fā)速度。黃明鏡［30］研究小麥種子萌發(fā)過程中某些生理變化時，發(fā)現(xiàn)等離子體處理的小麥種子在萌發(fā)第2天和第3天，晉麥66號的α-淀粉酶活性分別比對照組高143.1%和115.5%，晉麥47號分別比對照組高122.3%和60.6%，且差異達極顯著水平。DEGUTYT?FOMINS等［17］研究等離子體處理后的蘿卜種子內(nèi)源激素水平，發(fā)現(xiàn)新鮮種子處理后ABA（脫落酸）的含量顯著下降，而ABA/GA（赤霉素）減小，利于種子萌發(fā)；對放置5個月的種子處理發(fā)現(xiàn)ABA水平變化不明顯，認為等離子體處理只對新鮮種子的激素水平有影響。

空氣被電離過程中產(chǎn)生電子、中性粒子、受激原子和離子等活性粒子，這些粒子不斷轟擊種子表面，導致表面化學鍵斷裂、表面形態(tài)被破環(huán)，從而提高種皮的通透性，增強吸漲作用，促進種子的萌發(fā)［31］。DHAYAL等［32］認為等離子體對種子的調(diào)控作用以離子刻蝕為主。VOLIN等［33］利用不同氣體介質(zhì)背景下產(chǎn)生的低溫等離子體處理種子，種子的吸水率發(fā)生變化，發(fā)現(xiàn)適合的氣體介質(zhì)等離子體處理可改變種子表皮結構，使其通透性發(fā)生改變，進而增加種子的吸水性，提高發(fā)芽率。DUBINOV等［34］使用等離子體處理黑芥種子發(fā)現(xiàn)，等離子體射流能夠改變種子親水性，減少水滴與種皮的接觸角。BORMASHENKO等［35］研究發(fā)現(xiàn)等離子體處理可顯著降低多種作物種子的表面接觸角，提高種子吸水能力，增加種子表皮中氧化性的含氮基團、親水基團，進而提高發(fā)芽率。此外，經(jīng)等離子體處理，α-淀粉酶、琥珀酸脫氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶等多種酶的活性提高，種子呼吸作用增強，生物氧化過程加快，物質(zhì)的運輸和合成能力加速，有效提高種子活力，從而促進種子萌發(fā)［36］。

2.3 大氣壓等離子體處理對作物幼苗生長的效應及機理

幼苗階段是作物生命周期中關鍵且脆弱的一個階段，其生長發(fā)育直接關系作物種群的大小及遺傳變異能力和多樣性，但幼苗會受外界環(huán)境及內(nèi)部激素各種因素的影響，因此確保作物幼苗正常生長至關重要［37］。

大量研究表明，經(jīng)大氣壓等離子體處理的作物種子在幼苗時期表現(xiàn)出良好的生長態(tài)勢。方向前等［38］用等離子體處理煙草種子，發(fā)現(xiàn)其出苗期比對照組提前2 d以上。TONG等［18］在穿心蓮育苗試驗中發(fā)現(xiàn)，在5 900 V電壓下處理10 s，試驗組的出苗率超過50%，顯著高于其他組。王敏等［28］研究等離子體處理黃瓜種子發(fā)現(xiàn)，幼苗的根活力、葉綠素含量、過氧化物酶活性分別比對照提高15.96%～34.37%、4.09%～27.04%、4.24%～16.58%。STOLáRIK等［39］研究發(fā)現(xiàn)豌豆種子經(jīng)等離子體處理后，引起其幼苗內(nèi)源激素水平的變化，促進幼苗的生長。呂曉桂等［40］研究等離子體處理芥菜種子發(fā)現(xiàn)，幼苗的根長比對照組有較大提高。王志新等［41］用等離子體處理生菜種子發(fā)現(xiàn)，其幼苗的根和莖的鮮、干質(zhì)量及根體積都有增加。葛永群等［42］發(fā)現(xiàn)在春寒低溫影響下，經(jīng)等離子體處理的玉米出苗率比對照組提高約31%，此外，經(jīng)等離子體處理的玉米始終未遭受病蟲害，而對照組則遭受玉米黏蟲病和玉米灰斑病（發(fā)病率達80%）。綜上所述，等離子體處理作物種子可提高作物的抗逆性，通過影響內(nèi)源激素分泌從而促進幼苗的生長。等離子體處理提高幼苗抗逆性的機理，與其產(chǎn)生的大量活性物質(zhì)改變種子潤濕性有關，潤濕性的改變降低了種子與土壤和環(huán)境固有的脅迫關系，促進幼苗初生代謝產(chǎn)物的積累，減輕細胞膜質(zhì)過氧化程度，提高生物膜透性、過氧化酶活性和種皮通透性，增加了幼苗脫水忍耐力和保水力，有助于幼苗抗逆性的改善。GIBA 等［43］研究認為幼苗性狀顯著變化的原因是細胞受到離子中自由基的刺激。

目前關于等離子體對幼苗生長作用機理的了解還不夠充分，仍需不斷探索。大氣壓等離子體對作物種子的調(diào)控作用不能歸因于某一化學因子或某一物理因素，這些理化效應之間的協(xié)同作用，才是促進作物種子萌發(fā)和生長的關鍵，其具體作用通過作物宏觀性狀表現(xiàn)，因此探明大氣壓等離子體對作物種子的作用機理，需從宏觀因子和生理生化指標上共同著手［8］。

3 小結與展望

綜上所述，大氣壓等離子體處理作物種子，對種子表皮具有一定的滅菌消毒作用，可降低作物在后續(xù)生長中發(fā)生病蟲害的風險；大氣壓等離子體還能改變種皮結構，激活種子內(nèi)部各種酶活性，使種子的生命力增強，促進種子萌發(fā)；采用大氣壓等離子體處理作物種子，刺激幼苗生長的內(nèi)源物質(zhì)，能增強植株抗逆性，加速幼苗的生長發(fā)育。

大氣壓等離子體處理技術作為一種新興的非熱物理加工技術，在試驗研究中雖然作用效果明顯，但在實際生產(chǎn)中的應用還不成熟。目前對其處理效應的研究主要集中在表型和生理層面，對機理的研究有待深入。未來可從以下面展開研究：一是獲取有效的遺傳信息，在基因層面將大氣壓等離子體處理作物種子的優(yōu)秀基因穩(wěn)定地遺傳下去；二是加強大氣壓等離子體使用的安全規(guī)范，保證等離子體產(chǎn)生所需條件及產(chǎn)生過程中的各種成分對研究者不會造成傷害；三是探明針對不同作物的大氣壓等離子體處理的技術條件，如氣體、電壓、頻率等，以更好發(fā)揮其處理效果。