電化學處理對小麥種子NaCl脅迫萌發(fā)生長的影響

薛彩霞，趙艷軍，王寶軍，李雙志，劉 婧，梁鎮(zhèn)海

（1.太原理工大學 化學化工學院，太原 030024；2.內蒙古化工職業(yè)學院 化學工程系，呼和浩特 010070）

土壤的鹽漬化是一個國際性的環(huán)境問題，鹽漬化引起了植物生長環(huán)境的變化，嚴重制約了植物生長發(fā)育過程[1]。鹽漬化的問題較為嚴重，所以近年來科學家們致力于研究植物種子及幼苗耐鹽能力以改進植物種子的質量[2]。鹽脅迫對植物種子的危害是多方面的，有滲透脅迫[3]、離子的毒害[4]、養(yǎng)分失調[5]等，由此而產(chǎn)生次級的氧化脅迫，引起植物細胞代謝紊亂，導致植物生長發(fā)育出現(xiàn)生理障礙，甚至導致植物的死亡[6-8]。因此對植物耐鹽性能的研究在鹽漬地的開發(fā)和利用中發(fā)揮著及其重要的作用，而且是迫切需要解決的一個重大的環(huán)境問題。已有研究表明，電場處理植物種子可以改變植物的生理生化機能，對種子的萌發(fā)、活性、幼苗生長、植物生育性狀以及產(chǎn)量具有顯著影響[9-11]。這些事實表明，通過電場處理種子可以提高種子生長的抗鹽性[12-13]。電化學方法有很強的電磁場效應，但利用電化學方法處理種子的方法國內外鮮有報道。本文采用電解質為硫酸鈉溶液的電化學方法處理小麥種子，通過NaCl溶液脅迫育種考察電化學方法抗鹽脅迫的能力。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

試驗材料為山西省農科院提供的冬豐1號小麥種子；配制電解質溶液所用的試劑為分析純的無水Na2SO4溶液，購自焦作市化工三廠；消毒小麥種子所用的試劑為分析純的NaClO溶液，購自天津市博迪化工有限公司；脅迫育種實驗所用的試劑為分析純的NaCl溶液，購自天津市津南區(qū)咸水沽工業(yè)園區(qū)。

1.2 實驗設計

1）根據(jù)種子的自身特點和萌發(fā)的基本規(guī)律，選擇顆粒飽滿的小麥種子為研究對象，將其置入100 mL的小燒杯中，用質量分數(shù)5%的NaClO溶液消毒10min左右，用清水清洗23次。

2）在上述燒杯中加入濃度為6×10-2mol／L的Na2SO4溶液作為電解質溶液，選擇鈦基氧化物電極和鈦板分別作為電化學方法的陽極和陰極，設計出電解槽，選擇電壓為8V的直流穩(wěn)壓電源處理小麥種子2.0h，其中選擇清水浸種和Na2SO4溶液浸種為小麥種子處理的對照組。

3）將處理后的種子置于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿內，加入定量的一定濃度的NaCl溶液（c（NaCl）＝0，0.05，0.10，0.50mol／L），將培養(yǎng)皿放入恒溫光照培養(yǎng)箱中催芽，生長條件為晝夜溫度25℃／20℃，各處理組的萌發(fā)條件都相同。每皿含有50粒種子，每個處理設3個重復。其中，對照組CK中每天加入等量的二次去離子水作為對照。

1.3 生理指標的測定方法

1.3.1 種子表觀特性的測定方法

記錄種子的發(fā)芽時間及發(fā)芽情況，并計算發(fā)芽勢、發(fā)芽率。

發(fā)芽勢Gp＝（規(guī)定日期全部正常發(fā)芽種子數(shù)／供試種子數(shù)）×100%；Gp以發(fā)芽高峰期第3天的發(fā)芽率為準。發(fā)芽率Gr＝（全部正常發(fā)芽種子數(shù)／供試種子數(shù)）×100%；Gr以發(fā)芽第7天的發(fā)芽率為準。

1.3.2 種子淀粉酶活性測定方法

淀粉酶活性的測定采用分光光度法[14]。其中，淀粉酶活性濃度單位為U，以25℃時3min內水解淀粉釋放1mg麥芽糖所需的酶量為1個酶活性單位。

1.3.3 種子過氧化物酶活性測定方法

過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創(chuàng)木酚法測定[15]，其中，以用1min內A470變化0.01為1個過氧化物酶活性單位（U）表示。

1.3.4 種子丙二醛含量的測定方法

丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸法[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用統(tǒng)計學方法統(tǒng)計計算每個處理組的實驗數(shù)據(jù)，計算各實驗組的平均值和方差。方差分析后，采用t檢驗，檢測不同處理組與對照組之間的差異顯著性（＊為0.05水平差異顯著，＊＊為0.01水平差異顯著）。

2 結果與討論

2.1 NaCl脅迫對小麥種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響

小麥種子經(jīng)NaCl溶液脅迫培養(yǎng)萌發(fā)后，其發(fā)芽勢（圖1）和發(fā)芽率（圖2）都發(fā)生了變化。從圖1和圖2可以看出，經(jīng)NaCl脅迫實驗后，小麥種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率整體上有所降低；隨著NaCl濃度的增加，小麥種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率也逐漸降低，說明NaCl脅迫降低了小麥種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率。但從表1和表2可以看出，雖然清水浸種、Na2SO4溶液浸種和電化學方法處理這三組實驗中，NaCl脅迫都使其發(fā)芽勢、發(fā)芽率下降，但降低的幅度有所區(qū)別，降幅由大到小依次為：Na2SO4溶液浸種，清水浸種，電化學方法處理。特別是當NaCl濃度為0.5mol／L時，這三組實驗的降幅差異最大，說明了適宜的電化學方法處理種子能夠提高小麥種子的抗NaCl能力，降低小麥種子對NaCl環(huán)境的敏感程度。

圖1 NaCl脅迫對小麥種子發(fā)芽勢的影響

圖2 NaCl脅迫對小麥種子發(fā)芽率的影響

表1 NaCl脅迫對小麥種子發(fā)芽勢變化的影響

表2 NaCl脅迫對小麥種子發(fā)芽率變化的影響

2.2 NaCl脅迫對小麥幼苗淀粉酶活性的影響

圖3和表3反映了NaCl脅迫育種對不同處理方式的小麥淀粉酶活性的變化影響?？梢钥闯?，對于同樣的處理方式，經(jīng)過NaCl脅迫育種的小麥種子其淀粉酶活性均低于未經(jīng)過脅迫的種子，且隨著NaCl濃度的增加，淀粉酶活性逐漸下降。說明了NaCl脅迫抑制了小麥淀粉酶的合成，降低了淀粉酶水解淀粉的能力，減緩了種子新陳代謝，進而降低了種子的活性。但是從表3中可以看出，在相同濃度的NaCl脅迫下，各處理方式下的淀粉酶活性由大到小依次為：Na2SO4溶液浸種，清水浸種，電化學方法處理；且NaCl濃度越大，這種趨勢越明顯。這說明適宜劑量的電化學方法處理小麥種子可以抵制NaCl脅迫，利用電化學方法的強電磁場效應激活細胞中水解酶的合成，加快了細胞的新陳代謝，起到抗NaCl的能力。

圖3 NaCl脅迫對淀粉酶活性的影響

表3 NaCl脅迫對淀粉酶活性變化的影響

2.3 NaCl脅迫對小麥幼苗過氧化物酶活性的影響

過氧化物酶（POD）作為一種清除自由基團的保護酶之一，參與了許多的生理生化活動，如細胞的分裂和種子生長發(fā)育等。POD活性的維持和提高是種子抗鹽脅迫的物質基礎之一。

圖4表明，對于同種處理種子的方式，小麥葉子的POD活性整體上隨著NaCl濃度的增加而逐漸降低，而且NaCl脅迫育種的小麥POD活性均低于對照組，說明NaCl脅迫抑制了小麥自由基的合成，從而抑制了POD的激活，降低了POD清除自由基的能力，進而減緩了種子新陳代謝，降低了種子的活性。但從表4中可以看出，在同一濃度的NaCl脅迫下，各處理方式下的POD活性由大到小依次為：Na2SO4溶液浸種，清水浸種，電化學方法處理。彼此之間的變化規(guī)律不是很明顯，而且在相同濃度的NaCl脅迫下，電化學方法處理的POD活性高于Na2SO4溶液浸種和清水浸種下的POD活性。該結果可以說明適宜的電化學方法可以激活種子細胞自由基含量，從而刺激POD的合成，達到抗NaCl的能力。

圖4 NaCl脅迫對過氧化物酶活性的影響

表4 NaCl脅迫對過氧化物酶活性變化的影響

2.4 NaCl脅迫對小麥幼苗丙二醛含量的影響

丙二醛（MDA）是脂質過氧化的產(chǎn)物，是膜系統(tǒng)受到破壞的重要標志之一[17]。在逆境脅迫或植物衰老過程中，它可以與膜上的蛋白質和酶蛋白結合失去活性，從而破壞細胞膜的結構及功能，甚至導致植物受傷，乃至死亡[18]。因此MDA含量可以作為評價種子在脅迫條件下發(fā)生脂質過氧化作用強弱的指標，而且過氧化越強，MDA含量越高[19]。MDA的含量可以代表細胞膜的損傷程度大小。由圖5可見，采用同樣處理種子的方式，小麥葉片的MDA含量隨著NaCl脅迫濃度的增加而逐漸降低，說明在NaCl脅迫下，MDA含量的增加導致細胞膜系統(tǒng)被破壞，細胞受損傷，進而影響植物的生長。從表5中可以看出，在同一濃度的NaCl脅迫下，各處理方式下的MDA含量變化由大到小依次為：Na2SO4溶液浸種，清水浸種，電化學方法處理。實驗結果表明，適宜的電化學方法可以增大種子細胞介質電勢，減小離子的外滲，增強細胞膜結構的修復，促進細胞膜結構和功能的完善，進而恢復細胞膜的半透性功能，起到提高種子活性的作用。

圖5 NaCl脅迫對小麥幼苗MDA含量的影響

表5 NaCl脅迫對MDA含量的影響

3 電化學方法抗NaCl能力的機理分析

電化學方法能夠產(chǎn)生一個綜合的電磁場效應。電化學方法作用在細胞膜上，等于作用在等價RC電路上，由于生物組織分布的不均勻性導致細胞膜內外電解質溶液中電流的不同，從而使得種子內細胞膜的膜電位發(fā)生變化，即極化的種子膜兩側出現(xiàn)附加電荷（如圖6所示），從而改變了細胞膜的通透性，促進了酶和蛋白質等大分子物質的合成，各種酶的活性隨之增強，進一步影響了細胞的能量轉換及物質運輸?shù)纫磺屑毎x活動和生理狀態(tài)[20]（見圖3，圖4），從而使細胞膜得以修復，促使膜內外離子交換加快，抵制了NaCl脅迫環(huán)境下對細胞膜的破壞，使細胞的抗NaCl能力增強（見圖1，圖2）。

圖6 電化學方法對細胞膜電位的影響

將電化學方法作用于細胞膜兩側，細胞膜受到化學方法作用，細胞內外離子的交換速度加快，進而為細胞代謝提供了所需的離子。雖然所處環(huán)境為NaCl脅迫環(huán)境，但細胞膜透性的增加可以使水分、氧氣和一些植物所需的微量元素滲入種子細胞內，為細胞萌發(fā)提供了一定的養(yǎng)分，使種子細胞不致失水而死，從而促使種子進行萌發(fā)生長。而且，外加電化學方法可以提高細胞內葡萄糖、脂肪及各類氨基酸的脫氫過程，更形成還原型輔酶沿電子傳遞途徑及以e-和H＋形式傳遞給氧而形成水，促使釋放的自由能形成ATP，進而影響到整個細胞生理生化過程[21]（其氧化磷酸化過程如圖7所示）。

圖7 氧化與磷酸化偶聯(lián)示意圖

4 結論

通過比較電化學處理、清水浸種和Na2SO4溶液浸種不同處理方式的小麥種子NaCl脅迫實驗，發(fā)現(xiàn)三種處理方式的幼苗期生理指標均隨NaCl濃度的變化而變化，其中種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率及酶活性指標隨著NaCl濃度的增加而逐漸降低，MDA含量則逐漸增加。這說明過高濃度的NaCl對小麥種子萌發(fā)生長起到一定的抑制作用；在同濃度NaCl脅迫下，電化學方法的小麥發(fā)芽勢、發(fā)芽率、淀粉酶活性和過氧化物酶活性相比于清水浸種和Na2SO4溶液浸種的小麥分別提高了6.00%～14.67%、4.66% ～11.33%、8.95～11.42U 和 23.38～29.20U，而丙二醛含量則降低了0.45～.07μmol／L，說明電化學方法處理能夠明顯增加小麥種子萌發(fā)生長的抗NaCl能力；三種處理方式抗NaCl脅迫的能力排序由大到小依次為：電化學方法處理，清水浸種，Na2SO4溶液浸種。

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