高壓電場(chǎng)處理對(duì)高粱種子萌發(fā)期酶活性的影響

胡建芳，張作偉，杜慧玲，陳建中，王慧杰

(1.山西運(yùn)城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 農(nóng)林與工程系，山西 運(yùn)城 044000; 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 文理學(xué)院，山西 太谷 030801; 3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所，山西 太原 030031)

高壓電場(chǎng)處理對(duì)高粱種子萌發(fā)期酶活性的影響

胡建芳1，張作偉1，杜慧玲2*，陳建中1，王慧杰3

(1.山西運(yùn)城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 農(nóng)林與工程系，山西 運(yùn)城 044000; 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 文理學(xué)院，山西 太谷 030801; 3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所，山西 太原 030031)

為了探討適宜高壓電場(chǎng)處理高粱種子促進(jìn)種子萌發(fā)的機(jī)制，以晉雜122號(hào)高粱種子為試材，采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究高壓電場(chǎng)處理對(duì)種子萌發(fā)期α-淀粉酶、過(guò)氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)活性的影響。結(jié)果表明，高粱種子經(jīng)適宜高壓電場(chǎng)處理后，萌發(fā)活力均有提高，其中，T4處理(500 kV/m×30 min)提高幅度最大，T5處理(500 kV/m×40 min)次之；各處理高粱種子萌發(fā)期的α-淀粉酶活性均高于對(duì)照(未經(jīng)電場(chǎng)處理)，且T4處理最高，為3.80 mg/(g·min)，比對(duì)照提高了156.75%；各處理高粱種子萌發(fā)期的CAT活性與對(duì)照相比變化不一致，僅T2(400 kV/m×40 min)、T5、T8(600 kV/m×40 min) 3個(gè)處理高于對(duì)照；除T8處理高粱種子萌發(fā)期的POD活性與對(duì)照接近外，其余各處理均高于對(duì)照，以T3處理(400 kV/m×50 min)最高，為115.81 U/(g·min)，比對(duì)照提高了69.16%；各處理高粱種子萌發(fā)期的SOD活性均高于對(duì)照，其中T4處理最高，為774.45 U/g，比對(duì)照提高了175.31%，T2、T5處理次之，分別比對(duì)照提高了171.93%、100.05%?？梢?jiàn)，適宜電場(chǎng)處理高粱種子可提高種子內(nèi)α-淀粉酶、SOD、POD活性，促進(jìn)種子萌發(fā)。

高壓電場(chǎng)； 高粱； 種子萌發(fā)； α-淀粉酶； CAT； SOD； POD

高壓電場(chǎng)處理作為一項(xiàng)物理農(nóng)業(yè)技術(shù)，能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高植物的抗逆性，且具有裝置簡(jiǎn)單、操作方便、快捷高效、無(wú)污染、便于批量處理的特點(diǎn)，在農(nóng)、林、牧業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的推廣和應(yīng)用[1-3]。已有研究表明，適宜高壓電場(chǎng)處理植物種子后，可提高種子的萌發(fā)活力，激活種子內(nèi)部代謝酶和保護(hù)酶的活性，促進(jìn)種子內(nèi)部物質(zhì)的新陳代謝[4-6]。高粱是山西省傳統(tǒng)的小雜糧作物，在釀造、飼用方面有著廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景[7]。近年來(lái)，隨著人們對(duì)小雜糧食品的重新認(rèn)識(shí)和喜愛(ài)，高粱生產(chǎn)也受到科研工作者的重視，利用高壓電場(chǎng)處理技術(shù)促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)在在高粱栽培中具有實(shí)踐意義。目前，高壓電場(chǎng)處理的效應(yīng)機(jī)制尚不明確，尤其是高壓電場(chǎng)處理高粱種子對(duì)其酶活性方面的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。筆者在前期研究中發(fā)現(xiàn)，不同電場(chǎng)處理會(huì)對(duì)高粱種子萌發(fā)產(chǎn)生閾值效應(yīng)，并通過(guò)建模分析得到了高壓電場(chǎng)處理高粱種子的優(yōu)化方案，即電場(chǎng)強(qiáng)度為400～605.38 kV/m，處理時(shí)間為22.55～53.05 min[8]。為進(jìn)一步從生理生化的角度探討高壓電場(chǎng)處理提高高粱種子萌發(fā)活力的內(nèi)在機(jī)制，在已優(yōu)化的方案區(qū)間內(nèi)，選擇不同梯度的電場(chǎng)處理?xiàng)l件處理高粱種子，探究電場(chǎng)處理后高粱種子萌發(fā)活力與酶活性的變化情況，從而為高壓電場(chǎng)技術(shù)在高粱栽培中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試高粱種子為晉雜122號(hào)，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所提供，2013年收獲，種子含水率為(12.8±0.4)%，千粒質(zhì)量為(29.85±0.36)g，種子收集后置于15 ℃以下、相對(duì)濕度60%～65%的環(huán)境中保存待用。

1.2 高壓電場(chǎng)發(fā)生裝置

高壓電場(chǎng)發(fā)生裝置見(jiàn)圖1，該裝置由電場(chǎng)發(fā)生器、金屬網(wǎng)、塑膠絕緣棒、金屬板四部分組成。利用電場(chǎng)發(fā)生器將頻率為50 Hz的220 V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞲邏?區(qū)間為0～150 kV)，加在金屬網(wǎng)電極上，這樣在金屬網(wǎng)和金屬板之間就形成了一個(gè)連續(xù)可調(diào)的均勻正向電場(chǎng)[電場(chǎng)強(qiáng)度(E)=電壓(kV)/極間距離(cm)]。

1.電場(chǎng)發(fā)生器; 2.金屬網(wǎng); 3.絕緣棒; 4.種子; 5.金屬板; 6.大地

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)方法，設(shè)置場(chǎng)強(qiáng)梯度為400、500、600 kV/m，處理時(shí)間梯度為30、40、50 min，共9個(gè)處理組合，每個(gè)處理3次重復(fù)，以不進(jìn)行電場(chǎng)處理為對(duì)照。選取籽粒完整飽滿、大小一致的高粱種子，每個(gè)處理150粒(約4.5 g)，均勻平鋪在金屬板中央，按表1試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案依次進(jìn)行電場(chǎng)處理后，按GB/T 3543.4—1995進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，并調(diào)查統(tǒng)計(jì)種子的萌發(fā)指標(biāo)。種子胚根突破種皮1 cm時(shí)，每個(gè)處理稱取0.2 g，液氮速凍后，置于-80 ℃冰箱貯存待測(cè)酶活性。

表1 高壓電場(chǎng)處理設(shè)置

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 種子萌發(fā)指標(biāo) 將種子處理后放入恒溫培養(yǎng)箱，每天記錄發(fā)芽種子數(shù)(以胚根突破種皮2 mm作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn))，第3天計(jì)算發(fā)芽勢(shì)。發(fā)芽結(jié)束(第5天)后，計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。然后每個(gè)處理隨機(jī)選取10株幼苗，用清水沖洗干凈，濾紙吸干水分后迅速稱量，取平均值得到鮮質(zhì)量；同時(shí)，用刻度尺分別測(cè)量根長(zhǎng)和芽長(zhǎng)，取平均值。

發(fā)芽勢(shì)=S1/ST×100%，

發(fā)芽率=S2/ST×100%，

發(fā)芽指數(shù)GI=∑(Gt/Dt)，

活力指數(shù)VI=GI×S。

式中：S1表示第3天發(fā)芽的種子數(shù)；S2表示發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，長(zhǎng)成的正常幼苗數(shù)；ST表示供試種子數(shù)；Dt表示發(fā)芽日數(shù)；Gt表示Dt相對(duì)應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)；S表示發(fā)芽結(jié)束時(shí)正常幼苗鮮質(zhì)量(g)。

1.4.2 萌發(fā)期酶活性 α-淀粉酶活性的測(cè)定采用硝基水楊酸法；過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法；超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑法；過(guò)氧化氫酶(CAT)活性的測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法[9]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2007、SPSS 13.0等軟件對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、方差分析、制表和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 高壓電場(chǎng)對(duì)高粱種子萌發(fā)的影響

從表2可看出，除T7、T8處理的發(fā)芽率和T9處理的鮮質(zhì)量較CK稍有降低外，其他經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)處理的高粱種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮質(zhì)量、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均較CK有不同程度提高；此外，T1—T6處理的發(fā)芽勢(shì)、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮質(zhì)量、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均顯著或極顯著高于CK，且明顯高于T7—T9處理。

表2 高壓電場(chǎng)處理對(duì)高粱種子萌發(fā)活力指標(biāo)的影響

注：**、*分別表示處理組與對(duì)照組差異極顯著(P<0.01)、顯著(P<0.05)。

由于7項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)所反映的信息存在一定的重疊，為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)7項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得到的第一主成分特征值為5.713，該主成分對(duì)信息解釋的貢獻(xiàn)率為81.613%，能較好地反映高壓電場(chǎng)處理高粱種子對(duì)其萌發(fā)活力的影響情況，因此，可以用其替代原來(lái)的7個(gè)指標(biāo)變量，簡(jiǎn)化的萌發(fā)活力綜合指標(biāo)Y=0.384X1+0.300X2+0.394X3+0.403X4+0.362X5+0.385X6+0.408X7。由圖2可直觀地看出，各高壓電場(chǎng)處理Y值較CK均有提高，其中以T4處理達(dá)到最大值，為3.64，T5、T2處理次之，分別為2.89、1.88，T9、T8處理較小，分別為-2.71、-2.30；電場(chǎng)強(qiáng)度為400 kV/m、500 kV/m的各處理Y值均高于電場(chǎng)強(qiáng)度為600 kV/m處理；電場(chǎng)強(qiáng)度為500、600 kV/m時(shí)，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，萌發(fā)活力綜合指標(biāo)Y值都呈減小趨勢(shì)。

圖2 高壓電場(chǎng)處理對(duì)高粱種子萌發(fā)活力綜合指標(biāo)的影響

2.2 高壓電場(chǎng)對(duì)高粱種子萌發(fā)期α-淀粉酶活性的影響

從圖3可看出，經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)處理的高粱種子萌發(fā)期α-淀粉酶活性較CK均有不同程度提高，且以T4處理最高[3.80 mg/(g·min)]，比CK提高156.75%。其中，在電場(chǎng)強(qiáng)度為400 kV/m時(shí)，不同處理時(shí)間的α-淀粉酶活性表現(xiàn)為40 min>50 min>30 min，分別為3.55、3.07、2.88 mg/(g·min)；電場(chǎng)強(qiáng)度為500、600 kV/m時(shí)，α-淀粉酶活性都表現(xiàn)為30 min>40 min>50 min，與萌發(fā)活力綜合指標(biāo)Y值的變化趨勢(shì)相同，即隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，α-淀粉酶活性依次降低；電場(chǎng)強(qiáng)度為600 kV/m的各處理的α-淀粉酶活性均低于電場(chǎng)強(qiáng)度為400、500 kV/m處理。

圖3 高壓電場(chǎng)處理對(duì)高粱種子萌發(fā)期α-淀粉酶活性的影響

2.3 高壓電場(chǎng)對(duì)高粱種子萌發(fā)期CAT活性的影響

從圖4可看出，在電場(chǎng)強(qiáng)度一定的條件下，各處理高粱種子萌發(fā)期的CAT活性總體上均隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)，僅T2、T5、T8處理高于CK，分別為11.56、10.51、12.17 U/(g·min)，其他處理均低于CK。即在400、500、600 kV/m 3個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度下，處理時(shí)間為40 min時(shí)，CAT活性高于CK；處理30、50 min 時(shí)，CAT活性均低于CK。

圖4 高壓電場(chǎng)處理對(duì)高粱種子萌發(fā)期CAT活性的影響

2.4 高壓電場(chǎng)對(duì)高粱種子萌發(fā)期POD活性的影響

從圖5可看出，不同電場(chǎng)處理?xiàng)l件下，高粱種子萌發(fā)期POD活性除T8處理與CK接近外，其余各處理均高于CK。其中，T3處理最高[115.81 U/(g·min)]，比CK提高了69.16%；T4、T6處理次之，分別為115.76、114.46 U/(g·min)。電場(chǎng)強(qiáng)度為400 kV/m時(shí)，高粱種子萌發(fā)期POD活性隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；電場(chǎng)強(qiáng)度為500 kV/m時(shí)，處理30、40、50 min的高粱種子萌發(fā)期POD活性變化不大；電場(chǎng)強(qiáng)度為600 kV/m時(shí)，高粱種子萌發(fā)期POD活性隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)整體先降低后緩慢升高。

圖5 高壓電場(chǎng)處理對(duì)高粱種子萌發(fā)期POD活性的影響

2.5 高壓電場(chǎng)對(duì)高粱種子萌發(fā)期SOD活性的影響

從圖6可看出，不同處理高粱種子萌發(fā)期SOD活性均高于CK。其中，T4處理最高(774.45 U/g)，比CK提高175.31%，T2、T5處理次之，分別為735.31、599.14 U/g，比CK分別提高了171.93%、100.05%。電場(chǎng)強(qiáng)度為400 kV/m時(shí)，不同處理時(shí)間SOD活性表現(xiàn)為40 min>50 min>30 min；電場(chǎng)強(qiáng)度為500、600 kV/m時(shí)，SOD活性隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，表現(xiàn)為30 min>40 min>50 min。。

圖6 高壓電場(chǎng)處理對(duì)高粱種子萌發(fā)期SOD活性的影響

3 結(jié)論與討論

發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮質(zhì)量、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)是反映種子萌發(fā)速率和生長(zhǎng)量的指標(biāo)，其大小可以綜合評(píng)判種子的萌發(fā)活力[10]，用主成分分析7項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)，可避免信息重疊和多指標(biāo)造成統(tǒng)計(jì)的困難和干擾，更加科學(xué)準(zhǔn)確、合理地評(píng)價(jià)種子的萌發(fā)活力。本試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化高壓電場(chǎng)處理后，高粱種子的萌發(fā)活力均高于CK，但不同電場(chǎng)處理對(duì)其促進(jìn)作用不同，電場(chǎng)強(qiáng)度400、500 kV/m的處理效果均好于600 kV/m，其中以T4處理(500 kV/m×30 min)作用最為顯著，T5處理(500 kV/m×40 min)次之，表明高壓電場(chǎng)處理對(duì)種子的萌發(fā)有閾值效應(yīng)，電場(chǎng)強(qiáng)度的大小和處理時(shí)間都會(huì)影響其處理效果，這與前人的研究結(jié)論[11]吻合。一定強(qiáng)度的電場(chǎng)處理后高粱種子的萌發(fā)性狀得到改善和提高，可能是因?yàn)橐欢◤?qiáng)度的電場(chǎng)處理可使自由基含量提高，從而使生物膜透性增加，酶活性增強(qiáng)，進(jìn)而使種子提早萌發(fā)，生長(zhǎng)加快[12]。

種子萌發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受多因素調(diào)控，其生理活動(dòng)過(guò)程離不開(kāi)酶的參與[13]。電場(chǎng)處理可提高種子內(nèi)的淀粉酶、脫氫酶、POD及同工酶等多種酶的活性，酶活性的提高可以促進(jìn)種子的呼吸作用，為種子萌發(fā)提供必要的物質(zhì)和能量保障，加速新細(xì)胞形成，促進(jìn)根芽分化和生長(zhǎng)，這也是種子在電場(chǎng)處理后萌發(fā)活力提高的內(nèi)在原因[14-16]。前人研究認(rèn)為，酶活性的增強(qiáng)與電場(chǎng)處理誘導(dǎo)酶的合成有關(guān)，其機(jī)制可能是電場(chǎng)作用引起蛋白質(zhì)、糖、脂質(zhì)等極性分子和離子的定向排列，從而引起含金屬離子酶的構(gòu)象發(fā)生變化[14-15]。α-淀粉酶普遍存在于生物體中，是一種重要的淀粉水解酶，在種子萌發(fā)過(guò)程中起著重要作用。本試驗(yàn)結(jié)果表明，高壓電場(chǎng)處理后，與CK相比，各處理α-淀粉酶活性均有提高，且各處理α-淀粉酶活性的變化情況與萌發(fā)活力綜合指標(biāo)Y值的變化大體一致。因此，高壓電場(chǎng)處理激活α-淀粉酶活性可能是促進(jìn)種子萌發(fā)活力提高的主要因素。

SOD、POD、CAT是生物體內(nèi)的主要保護(hù)酶，能夠在一定程度上清除生物體內(nèi)過(guò)剩的活性氧和自由基，使生物能夠保持其體內(nèi)活性氧的代謝平衡，降低脂質(zhì)過(guò)氧化作用對(duì)細(xì)胞膜的損傷，維持細(xì)胞的正常代謝[17]。作物種子萌發(fā)初期，脂類分解代謝旺盛，呼吸鏈電子傳遞產(chǎn)生大量氧自由基，細(xì)胞內(nèi)一般用具有較高活性的SOD、POD、CAT等酶促防御體系來(lái)清除過(guò)量的自由基，維持自由基代謝平衡[17]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，適宜高壓電場(chǎng)處理種子后，SOD、POD活性均高于CK，與前人研究結(jié)論[18-19]相吻合；電場(chǎng)強(qiáng)度400、500 kV/m時(shí)，不同處理時(shí)間下SOD、POD 活性總體上高于600 kV/m各處理，尤其是在T4處理下維持在較高的活性狀態(tài),這與不同電場(chǎng)處理下高粱種子的萌發(fā)表現(xiàn)是一致的；CΑT活性則表現(xiàn)出不同的處理效應(yīng)，僅在高壓電場(chǎng)處理40 min(T2、T5、T8處理)時(shí)高于CK。這可能是因?yàn)榉N子萌發(fā)時(shí)呼吸代謝旺盛會(huì)產(chǎn)生過(guò)量自由基，保護(hù)酶系中SOD和 POD活性的增強(qiáng)是細(xì)胞免受自由基傷害的主要原因。

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[16] 高祥.高壓芒刺正電場(chǎng)促進(jìn)大豆種子萌發(fā)及提高其活性的實(shí)驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春:東北師范大學(xué),2007.

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Effects of High Voltage Electric Field on Enzyme Activity of Sorghum Seeds during the Germinating Period

HU Jianfang1,ZHANG Zuowei1,DU Huiling2*,CHEN Jianzhong1,WANG Huijie3

(1.Agriculture and Engineering Department,Shanxi Yuncheng Agricultural Vocational Technical College,Yuncheng 044000,China;2.College of Arts and Sciences,Shanxi Agricultural University,Taigu 030801,China; 3.Institute of Agricultural Crop Science,Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Taiyuan 030031,China )

In order to explore the reason why appropriate high voltage electric field(HVEF) can promote sorghum seed germination，the experiment was designed to decipher the possible mechanism.This experiment used the Jinza 122 as test material and the completely random design of experiment as method,and mainly focused on the change of α-amylase,CAT,SOD,POD activity of sorghum seeds.The results showed that the seed vigor of sorghum seeds increased with the treatment of HVEF.Further study showed that when the electrostatic field was 500 kV/m and the treatment time was 30 min(T4),the germination comprehensive index value reached maximum,followed by T5(500 kV/m×40 min).Compared to the control group (not treated by HVEF),all test groups showed higher α-amylase activity and among them T4showed the highest α-amylase activity,which was 3.80 mg/(g·min) and increased by 156.75% compared to the control group.The CAT activity of all the test groups decreased except T2(400 kV/m×40 min),T5,T8(600 kV/m×40 min).All POD activities of test groups were higher than control group except T8,which was similar to the control group.T3showed the highest POD activity, which was 115.81 U/(g·min) and increased by 69.16% compared to the control group.The SOD activities of all the test groups were higher than that of control,and T4reached maximum value, which was 774.45 U/g and increased by 175.31%,followed by T2and T5,which were increased by 171.93% and 100.05%.The results indicate that appropriate HVEF can promote sorghum seed germination by increasing the α-amylase activity and protective enzyme activity.

high voltage electric field; sorghum; seed germination; α-amylase; CAT; SOD; POD

S125；S514

A

1004-3268(2017)11-0030-05

2017-08-08

山西省農(nóng)業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(20130311014-3)

胡建芳(1971-)，女，山西河津人，副教授，博士，主要從事作物化學(xué)調(diào)控與逆境生理研究。

E-mail:hjf2023090@163.com

*

杜慧玲(1966-)，女，山西太谷人，教授，博士，主要從事作物化學(xué)調(diào)控與逆境生理研究。

E-mail:duhuiling66@163.com