， ， (唐山學(xué)院， 河北 唐山 063000)

高壓靜電處理對(duì)大豆種子的影響及機(jī)理研究

黃洪云，杜寧，張璇
(唐山學(xué)院， 河北 唐山 063000)

用場(chǎng)強(qiáng)為EN=1×N/(kV/cm)，N=0，1，2， … 10的電場(chǎng)處理大豆種子20 min，研究種子形態(tài)指標(biāo)和外滲率隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況，根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從物理學(xué)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中可能存在的機(jī)理進(jìn)行了深入的分析。

靜電場(chǎng)； 大豆； 生理生化指標(biāo)； 機(jī)理分析

我國(guó)關(guān)于靜電生物學(xué)效應(yīng)始研于20世紀(jì)70年代末期，并取得了許多成果[1-2]。靜電生物學(xué)效應(yīng)越來越受到人們的重視，電場(chǎng)處理種子生物學(xué)效應(yīng)的研究成果已廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中[3]，同時(shí)也加深了靜電生物學(xué)效應(yīng)的機(jī)理研究。然而對(duì)于電場(chǎng)生物學(xué)效應(yīng)的物理作用過程的了解還很不充分，因此不能預(yù)言電場(chǎng)生物學(xué)效應(yīng)[4]，而是用靜電場(chǎng)作用于生物體，通過實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)其形態(tài)學(xué)指標(biāo)和生理生化指標(biāo)，從而研究靜電場(chǎng)對(duì)生物體的機(jī)理。通過研究不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)大豆種子形態(tài)指標(biāo)和外滲率影響的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而對(duì)電場(chǎng)影響大豆種子活力的可能物理機(jī)理進(jìn)行分析。

1 材料與方法

1.1 材料處理

挑選顆粒飽滿，大小均勻，外型差異較小的大豆種子(黑農(nóng)37號(hào)，由黑龍江飛龍種業(yè)提供)，處理電場(chǎng)強(qiáng)度EN=1×N/(kV/cm)，N=0，1，2， … 10，其中E0為對(duì)照，處理時(shí)間為20 min。將大豆種子隨機(jī)分成11組，其中10組處理，1組對(duì)照，每組處理100粒種子，3次重復(fù)。

1.2 測(cè)試項(xiàng)目與方法

1.2.1 發(fā)芽實(shí)驗(yàn)

將不同電場(chǎng)強(qiáng)度處理的種子按常規(guī)方法進(jìn)行發(fā)芽實(shí)驗(yàn)，每個(gè)培養(yǎng)皿中放入20粒種子，設(shè)置3次重復(fù)，3 d統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽勢(shì)，7 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率。

1.2.2 芽長(zhǎng)的測(cè)定

種子發(fā)芽第7天從培養(yǎng)皿中隨機(jī)取出種子，平均每個(gè)處理20粒種子測(cè)定平均芽長(zhǎng)。

1.2.3 其它指標(biāo)的測(cè)定

種子發(fā)芽7 d移入花盆培育,待幼苗生長(zhǎng)20 d從盆中隨機(jī)取出每個(gè)處理的20棵幼苗測(cè)定根長(zhǎng)、鮮重、干重經(jīng)烘干機(jī)烘干后稱量。簡(jiǎn)活力指數(shù)和電解質(zhì)外滲率(EER)的測(cè)定采用電導(dǎo)率法[5-6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 形態(tài)學(xué)指標(biāo)的物理機(jī)理

用靜電場(chǎng)處理大豆種子，植物形態(tài)特征指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)表1所示。

從表1可知，電場(chǎng)處理能明顯改善種子的形態(tài)學(xué)指標(biāo)。劑量在5.0 kV/cm×30 min為電場(chǎng)最佳處理?xiàng)l件，在此處理?xiàng)l件下發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、簡(jiǎn)活力指數(shù)的最大提高量分別為40%、31.9%、51.9%，根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、鮮重、干重的最大提高量分別為40.4%、53.9%、12.5%、13.1%。

表1 電場(chǎng)處理對(duì)大豆形態(tài)指標(biāo)的影響

電場(chǎng)強(qiáng)度(FI/kV·cm)發(fā)芽勢(shì)SPO/%發(fā)芽率SPT/%芽長(zhǎng)LS/cm根長(zhǎng)LR/cm鮮重(g)干重(g)簡(jiǎn)活力指數(shù)(%)0．060723．604．3126．762．820．541．066804．725．2528．002．900．602．069844．855．2027．102．850．673．078915．135．5826．232．800．754．063754．654．9128．493．050．585．084955．546．0530．103．190．826．081905．395．6027．132．930．807．072854．915．2926．122．860．768．075895．105．5326．563．000．689．063753．784．1225．752．740．4910．054603．473．8625．232．530．32

2.1.1 經(jīng)典力學(xué)角度

生物體的基本結(jié)構(gòu)、主要成分是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)分子帶有電荷，電場(chǎng)存在影響電荷分布，從而影響蛋白質(zhì)分子，進(jìn)而影響整個(gè)植物體的活動(dòng)，由此預(yù)見電場(chǎng)對(duì)植物形態(tài)指標(biāo)影響的機(jī)理，電場(chǎng)有2個(gè)可能的途徑影響蛋白質(zhì)分子。

電場(chǎng)的存在，帶點(diǎn)分子由于受到電場(chǎng)力發(fā)生運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)力F=qE，在一定外加電場(chǎng)力的作用下蛋白質(zhì)分子有恒定的漂移速度v，由此帶電離子的遷移率P=v/E，根據(jù)斯托克斯定理，半徑為R的球形微粒的遷移率P=q/6πηR，由此電場(chǎng)使分子的運(yùn)動(dòng)速度增加，促進(jìn)種子內(nèi)部細(xì)胞活化，打破種子的休眠狀態(tài)，種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率等形態(tài)學(xué)指標(biāo)提高。

2.1.2 統(tǒng)計(jì)力學(xué)角度

外加電場(chǎng)作用影響生物體的電荷分布、排列、運(yùn)動(dòng)，從而影響生物體活動(dòng)。由于外加電場(chǎng)作用，使蛋白質(zhì)分子的電荷分布不對(duì)稱，蛋白質(zhì)分子具有電偶極子，在外加電場(chǎng)的作用下，永久極矩部分轉(zhuǎn)向沿電場(chǎng)排列，轉(zhuǎn)向排列的程度由取向能量W和熱能KT決定，從而計(jì)算永久偶極子組成介質(zhì)的極化率[7]。取向能量W等于偶極子從垂直于電場(chǎng)方向轉(zhuǎn)過角度θ時(shí)所發(fā)生的能量變化以電場(chǎng)強(qiáng)度E為例。

分子固有偶極矩μ=qd，取向能量W=-qdE，把永久偶極子從垂直電場(chǎng)方向(θ=π/2)轉(zhuǎn)至平行電場(chǎng)方向(θ=0)。正電荷沿電場(chǎng)方向移動(dòng)距離dsinθ,取向能量W=-qdEsinθ，此過程電勢(shì)能減少量為-μE′(E′為場(chǎng)強(qiáng)E在某點(diǎn)的分量)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)，每個(gè)分子的偶極極化率α=μ2/3KT。由于外加電場(chǎng)作用，影響生物體電荷的分布、排列、運(yùn)動(dòng)，從而影響植物體的活動(dòng)。

圖2 不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)電解質(zhì)外滲率的影響

圖3 不同電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)種子酶活性的影響

2.2 細(xì)胞完整性的物理機(jī)理

種子的基本結(jié)構(gòu)是細(xì)胞，細(xì)胞的作用是保持其內(nèi)部與細(xì)胞外液不相同的電解質(zhì)成分，從而保護(hù)了細(xì)胞膜。因此電解質(zhì)外滲率的大小反映了種細(xì)胞膜子膜系統(tǒng)的完整性[4]。靜電場(chǎng)對(duì)種子電解質(zhì)外滲率的影響如圖2所示。

隨著場(chǎng)強(qiáng)的增大，電解質(zhì)外滲率先減小后增大再減小再增大的振蕩型變化曲線。電場(chǎng)劑量在5.0 kV/cm×30 min時(shí)，電解質(zhì)外滲率為最低值，明顯低于對(duì)照組，電解質(zhì)外滲率的大小是衡量種子膜系統(tǒng)的完整程度的重要標(biāo)志。

細(xì)胞膜的基本結(jié)構(gòu)是由各種磷脂分子構(gòu)成的雙分子層，理論證明細(xì)胞膜帶電荷脂質(zhì)分子的分布是不對(duì)稱的，這種不對(duì)稱分布會(huì)產(chǎn)生一個(gè)跨膜電壓，此電壓的大小取決于帶電荷脂質(zhì)分子的解離狀態(tài)，且受環(huán)境中氫離子濃度的影響[4]。

2.3 酶活性的物理機(jī)理

不同點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)SOD、POD、CAT 3種酶活性的影響均呈現(xiàn)先增大后減小的變化曲線，在5 kV/cm或6 kV/cm時(shí)各種酶的活性達(dá)到最大值。在5 kV/cm時(shí)，SOD、CAT活性的增量均達(dá)到最大值，分別為56.2%和11.3%，在6 kV/cm時(shí)POD的活性達(dá)最大增量，為11.3%，3種保護(hù)酶活性的增強(qiáng)是細(xì)胞對(duì)外界逆境的積極反應(yīng)，表示生物體的抗逆性增強(qiáng)。很多逆境因子可以導(dǎo)致機(jī)體自由基的積累和活性氧代謝的失調(diào)，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)損傷和機(jī)體新陳代謝紊亂，機(jī)體的抗氧化酶SOD、POD、CAT能及時(shí)清除機(jī)體多余的活性氧和自由基，維持機(jī)體的的代謝活動(dòng)，從而維持了植物正常的生理活動(dòng)。酶含有豐富的蛋白質(zhì)，具有很高的催化活性，它的活性與分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，如果結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，酶的活性將降低[4,7,9-11]。

靜電場(chǎng)的處理能大大提高3種酶的活性，靜電場(chǎng)主要通過3個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)對(duì)酶活性的刺激性效應(yīng)，即改變酶的結(jié)構(gòu)，提供給酶能量以改變細(xì)胞膜的通透性，或增加合成酶的材料[12]。酶本質(zhì)是蛋白質(zhì)分子，酶的結(jié)構(gòu)由范德瓦力、氫鍵、帶電基團(tuán)的靜電相互作用來維持。靜電處理細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)大量的帶電離子和極性分子定向排列，細(xì)胞液介質(zhì)分子發(fā)生極化，從而加速酶分子氫鍵的合成，從而改變了酶分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)。根據(jù)電子-構(gòu)象相互作用理論[13]，解釋了靜電場(chǎng)改變酶活性的物理機(jī)理。靜電場(chǎng)提高酶的能量是通過改變水的生理特性，水是細(xì)胞中生理生化反應(yīng)的介質(zhì)，靜電作用于細(xì)胞使水分子與其他分子所形成的液面發(fā)生形變和振動(dòng)現(xiàn)象。沒有自由電荷時(shí)靜電場(chǎng)產(chǎn)生的變力密度為[14]：

k是液體的電容率，ρ是液體的密度。由以上公式可知靜電場(chǎng)作用于植物體，由于電形變力密度的存在，提供了能量給植物體內(nèi)的水分子和其他化合物分子，從而加快細(xì)胞內(nèi)各種生化反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)由于靜電處理使水分子和其他化合物分子相互作用后產(chǎn)生超氧陰離子自由基，這種自由基能激活與細(xì)胞膜相內(nèi)的腺苷酸環(huán)化酶，導(dǎo)致基因活化，從而使負(fù)責(zé)酶合成的基因的解除受到抑制 ， 從而引起各種酶的合成加速，提高了酶的活性，改變植物生理特性[15]。

3 討 論

用不同強(qiáng)度的高壓靜電場(chǎng)處理大豆干種子，種子的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、等形態(tài)學(xué)指標(biāo)，種子電解質(zhì)外滲率、種子葉綠素含量和各種保護(hù)酶的活性有明顯的變化。酶活性的高低與種子的萌發(fā)生長(zhǎng)有密切的關(guān)系，過氧化物酶反映了植物體內(nèi)物質(zhì)新陳代謝快慢的重要指標(biāo)，是衡量植物細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育快慢的主要標(biāo)志[16]，各種酶活性的提高促進(jìn)了種子內(nèi)各種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、利用和分解，也就是說酶活性的變化與種子的形態(tài)學(xué)指標(biāo)的變化是相輔相成的。綜上，適宜劑量的電場(chǎng)可對(duì)種子產(chǎn)生刺激效應(yīng)，促進(jìn)種子內(nèi)部細(xì)胞活化，打破休眠狀態(tài)，種子萌發(fā)后物質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化和利用過程得以改善，物質(zhì)積累速度快，可使幼苗生長(zhǎng)旺盛，提高種子調(diào)節(jié)能力，從而提高種子生長(zhǎng)過程對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和能量物質(zhì)的轉(zhuǎn)化利用，所以適宜電場(chǎng)強(qiáng)度的處理可以使種子的各種形態(tài)學(xué)指標(biāo)和生理生化指標(biāo)明顯高于對(duì)照?？傊o電場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)受到了越來越多人的重視，擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，而且對(duì)靜電場(chǎng)作用機(jī)理的研究也越來越深入，靜電場(chǎng)技術(shù)將在科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

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Effects of High Voltage Electrostatic Field on Soybean Seeds and the Mechanism Analysis

HUANGHongyun，DUNing，ZHANGXuan
(Department of Tangshan College,Tangshan Hebei 063000,China)

The field intensity isEN=1N(/kV/cm),N=0,1,2,…10 and the treating time is 20 min,which deal with the soybean seeds.We studied the physiological and biochemical indexes of soybean seeds，we thoroughly analysied the mechanism based on the experiment results.

high voltage electrostatic field； soybean； physiological and biochemical index；mechanism analysis

2016-10-09

2015年度唐山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(15130261 a)。

黃洪云(1979—)女，碩士，主要從事生物物理研究；E-mail：lzyhhy0922@163.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.02.009

S 565.1

A

1001-4705(2017)02-0009-04