高压电场处理对高粱种子萌发期酶活性的影响

胡建芳，张作伟，杜慧玲，陈建中，王慧杰

(1.山西运城农业职业技术学院 农林与工程系，山西 运城 044000; 2.山西农业大学 文理学院，山西 太谷 030801; 3.山西省农业科学院 作物科学研究所，山西 太原 030031)

高压电场处理对高粱种子萌发期酶活性的影响

胡建芳1，张作伟1，杜慧玲2*，陈建中1，王慧杰3

(1.山西运城农业职业技术学院 农林与工程系，山西 运城 044000; 2.山西农业大学 文理学院，山西 太谷 030801; 3.山西省农业科学院 作物科学研究所，山西 太原 030031)

为了探讨适宜高压电场处理高粱种子促进种子萌发的机制，以晋杂122号高粱种子为试材，采用完全随机试验设计方法，研究高压电场处理对种子萌发期α-淀粉酶、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)活性的影响。结果表明，高粱种子经适宜高压电场处理后，萌发活力均有提高，其中，T4处理(500 kV/m×30 min)提高幅度最大，T5处理(500 kV/m×40 min)次之；各处理高粱种子萌发期的α-淀粉酶活性均高于对照(未经电场处理)，且T4处理最高，为3.80 mg/(g·min)，比对照提高了156.75%；各处理高粱种子萌发期的CAT活性与对照相比变化不一致，仅T2(400 kV/m×40 min)、T5、T8(600 kV/m×40 min) 3个处理高于对照；除T8处理高粱种子萌发期的POD活性与对照接近外，其余各处理均高于对照，以T3处理(400 kV/m×50 min)最高，为115.81 U/(g·min)，比对照提高了69.16%；各处理高粱种子萌发期的SOD活性均高于对照，其中T4处理最高，为774.45 U/g，比对照提高了175.31%，T2、T5处理次之，分别比对照提高了171.93%、100.05%。可见，适宜电场处理高粱种子可提高种子内α-淀粉酶、SOD、POD活性，促进种子萌发。

高压电场； 高粱； 种子萌发； α-淀粉酶； CAT； SOD； POD

高压电场处理作为一项物理农业技术，能够促进植物生长，提高植物的抗逆性，且具有装置简单、操作方便、快捷高效、无污染、便于批量处理的特点，在农、林、牧业等多个领域得到越来越多的推广和应用[1-3]。已有研究表明，适宜高压电场处理植物种子后，可提高种子的萌发活力，激活种子内部代谢酶和保护酶的活性，促进种子内部物质的新陈代谢[4-6]。高粱是山西省传统的小杂粮作物，在酿造、饲用方面有着广阔的市场和应用前景[7]。近年来，随着人们对小杂粮食品的重新认识和喜爱，高粱生产也受到科研工作者的重视，利用高压电场处理技术促进种子萌发和幼苗生长在在高粱栽培中具有实践意义。目前，高压电场处理的效应机制尚不明确，尤其是高压电场处理高粱种子对其酶活性方面的影响鲜见报道。笔者在前期研究中发现，不同电场处理会对高粱种子萌发产生阈值效应，并通过建模分析得到了高压电场处理高粱种子的优化方案，即电场强度为400～605.38 kV/m，处理时间为22.55～53.05 min[8]。为进一步从生理生化的角度探讨高压电场处理提高高粱种子萌发活力的内在机制，在已优化的方案区间内，选择不同梯度的电场处理条件处理高粱种子，探究电场处理后高粱种子萌发活力与酶活性的变化情况，从而为高压电场技术在高粱栽培中的应用提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试高粱种子为晋杂122号，由山西省农业科学院高粱研究所提供，2013年收获，种子含水率为(12.8±0.4)%，千粒质量为(29.85±0.36)g，种子收集后置于15 ℃以下、相对湿度60%～65%的环境中保存待用。

1.2 高压电场发生装置

高压电场发生装置见图1，该装置由电场发生器、金属网、塑胶绝缘棒、金属板四部分组成。利用电场发生器将频率为50 Hz的220 V交流电压转变为直流高压(区间为0～150 kV)，加在金属网电极上，这样在金属网和金属板之间就形成了一个连续可调的均匀正向电场[电场强度(E)=电压(kV)/极间距离(cm)]。

1.电场发生器; 2.金属网; 3.绝缘棒; 4.种子; 5.金属板; 6.大地

1.3 试验设计

采用完全随机设计方法，设置场强梯度为400、500、600 kV/m，处理时间梯度为30、40、50 min，共9个处理组合，每个处理3次重复，以不进行电场处理为对照。选取籽粒完整饱满、大小一致的高粱种子，每个处理150粒(约4.5 g)，均匀平铺在金属板中央，按表1试验设计方案依次进行电场处理后，按GB/T 3543.4—1995进行发芽试验，并调查统计种子的萌发指标。种子胚根突破种皮1 cm时，每个处理称取0.2 g，液氮速冻后，置于-80 ℃冰箱贮存待测酶活性。

表1 高压电场处理设置

1.4 测定项目及方法

1.4.1 种子萌发指标 将种子处理后放入恒温培养箱，每天记录发芽种子数(以胚根突破种皮2 mm作为萌发标准)，第3天计算发芽势。发芽结束(第5天)后，计算发芽率、发芽指数和活力指数。然后每个处理随机选取10株幼苗，用清水冲洗干净，滤纸吸干水分后迅速称量，取平均值得到鲜质量；同时，用刻度尺分别测量根长和芽长，取平均值。

发芽势=S1/ST×100%，

发芽率=S2/ST×100%，

发芽指数GI=∑(Gt/Dt)，

活力指数VI=GI×S。

式中：S1表示第3天发芽的种子数；S2表示发芽试验结束时，长成的正常幼苗数；ST表示供试种子数；Dt表示发芽日数；Gt表示Dt相对应的每天发芽种子数；S表示发芽结束时正常幼苗鲜质量(g)。

1.4.2 萌发期酶活性 α-淀粉酶活性的测定采用硝基水杨酸法；过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚法；超氧化物歧化酶(SOD)活性的测定采用氮蓝四唑法；过氧化氢酶(CAT)活性的测定采用高锰酸钾滴定法[9]。

1.5 数据处理与分析

利用Excel 2007、SPSS 13.0等软件对观测数据进行处理、方差分析、制表和绘图。

2 结果与分析

2.1 高压电场对高粱种子萌发的影响

从表2可看出，除T7、T8处理的发芽率和T9处理的鲜质量较CK稍有降低外，其他经过高压电场处理的高粱种子发芽势、发芽率、芽长、根长、鲜质量、发芽指数、活力指数均较CK有不同程度提高；此外，T1—T6处理的发芽势、芽长、根长、鲜质量、发芽指数、活力指数均显著或极显著高于CK，且明显高于T7—T9处理。

表2 高压电场处理对高粱种子萌发活力指标的影响

注：**、*分别表示处理组与对照组差异极显著(P<0.01)、显著(P<0.05)。

由于7项萌发指标所反映的信息存在一定的重叠，为了简化分析，对7项发芽指标进行主成分分析，得到的第一主成分特征值为5.713，该主成分对信息解释的贡献率为81.613%，能较好地反映高压电场处理高粱种子对其萌发活力的影响情况，因此，可以用其替代原来的7个指标变量，简化的萌发活力综合指标Y=0.384X1+0.300X2+0.394X3+0.403X4+0.362X5+0.385X6+0.408X7。由图2可直观地看出，各高压电场处理Y值较CK均有提高，其中以T4处理达到最大值，为3.64，T5、T2处理次之，分别为2.89、1.88，T9、T8处理较小，分别为-2.71、-2.30；电场强度为400 kV/m、500 kV/m的各处理Y值均高于电场强度为600 kV/m处理；电场强度为500、600 kV/m时，随着处理时间的延长，萌发活力综合指标Y值都呈减小趋势。

图2 高压电场处理对高粱种子萌发活力综合指标的影响

2.2 高压电场对高粱种子萌发期α-淀粉酶活性的影响

从图3可看出，经过高压电场处理的高粱种子萌发期α-淀粉酶活性较CK均有不同程度提高，且以T4处理最高[3.80 mg/(g·min)]，比CK提高156.75%。其中，在电场强度为400 kV/m时，不同处理时间的α-淀粉酶活性表现为40 min>50 min>30 min，分别为3.55、3.07、2.88 mg/(g·min)；电场强度为500、600 kV/m时，α-淀粉酶活性都表现为30 min>40 min>50 min，与萌发活力综合指标Y值的变化趋势相同，即随着处理时间的延长，α-淀粉酶活性依次降低；电场强度为600 kV/m的各处理的α-淀粉酶活性均低于电场强度为400、500 kV/m处理。

图3 高压电场处理对高粱种子萌发期α-淀粉酶活性的影响

2.3 高压电场对高粱种子萌发期CAT活性的影响

从图4可看出，在电场强度一定的条件下，各处理高粱种子萌发期的CAT活性总体上均随处理时间的延长表现为先升高后降低的趋势，仅T2、T5、T8处理高于CK，分别为11.56、10.51、12.17 U/(g·min)，其他处理均低于CK。即在400、500、600 kV/m 3个电场强度下，处理时间为40 min时，CAT活性高于CK；处理30、50 min 时，CAT活性均低于CK。

图4 高压电场处理对高粱种子萌发期CAT活性的影响

2.4 高压电场对高粱种子萌发期POD活性的影响

从图5可看出，不同电场处理条件下，高粱种子萌发期POD活性除T8处理与CK接近外，其余各处理均高于CK。其中，T3处理最高[115.81 U/(g·min)]，比CK提高了69.16%；T4、T6处理次之，分别为115.76、114.46 U/(g·min)。电场强度为400 kV/m时，高粱种子萌发期POD活性随着处理时间的延长而增大；电场强度为500 kV/m时，处理30、40、50 min的高粱种子萌发期POD活性变化不大；电场强度为600 kV/m时，高粱种子萌发期POD活性随处理时间的延长整体先降低后缓慢升高。

图5 高压电场处理对高粱种子萌发期POD活性的影响

2.5 高压电场对高粱种子萌发期SOD活性的影响

从图6可看出，不同处理高粱种子萌发期SOD活性均高于CK。其中，T4处理最高(774.45 U/g)，比CK提高175.31%，T2、T5处理次之，分别为735.31、599.14 U/g，比CK分别提高了171.93%、100.05%。电场强度为400 kV/m时，不同处理时间SOD活性表现为40 min>50 min>30 min；电场强度为500、600 kV/m时，SOD活性随着处理时间的延长而降低，表现为30 min>40 min>50 min。。

图6 高压电场处理对高粱种子萌发期SOD活性的影响

3 结论与讨论

发芽势、发芽率、芽长、根长、鲜质量、发芽指数、活力指数是反映种子萌发速率和生长量的指标，其大小可以综合评判种子的萌发活力[10]，用主成分分析7项发芽指标，可避免信息重叠和多指标造成统计的困难和干扰，更加科学准确、合理地评价种子的萌发活力。本试验结果表明：优化高压电场处理后，高粱种子的萌发活力均高于CK，但不同电场处理对其促进作用不同，电场强度400、500 kV/m的处理效果均好于600 kV/m，其中以T4处理(500 kV/m×30 min)作用最为显著，T5处理(500 kV/m×40 min)次之，表明高压电场处理对种子的萌发有阈值效应，电场强度的大小和处理时间都会影响其处理效果，这与前人的研究结论[11]吻合。一定强度的电场处理后高粱种子的萌发性状得到改善和提高，可能是因为一定强度的电场处理可使自由基含量提高，从而使生物膜透性增加，酶活性增强，进而使种子提早萌发，生长加快[12]。

种子萌发是一个复杂的过程，受多因素调控，其生理活动过程离不开酶的参与[13]。电场处理可提高种子内的淀粉酶、脱氢酶、POD及同工酶等多种酶的活性，酶活性的提高可以促进种子的呼吸作用，为种子萌发提供必要的物质和能量保障，加速新细胞形成，促进根芽分化和生长，这也是种子在电场处理后萌发活力提高的内在原因[14-16]。前人研究认为，酶活性的增强与电场处理诱导酶的合成有关，其机制可能是电场作用引起蛋白质、糖、脂质等极性分子和离子的定向排列，从而引起含金属离子酶的构象发生变化[14-15]。α-淀粉酶普遍存在于生物体中，是一种重要的淀粉水解酶，在种子萌发过程中起着重要作用。本试验结果表明，高压电场处理后，与CK相比，各处理α-淀粉酶活性均有提高，且各处理α-淀粉酶活性的变化情况与萌发活力综合指标Y值的变化大体一致。因此，高压电场处理激活α-淀粉酶活性可能是促进种子萌发活力提高的主要因素。

SOD、POD、CAT是生物体内的主要保护酶，能够在一定程度上清除生物体内过剩的活性氧和自由基，使生物能够保持其体内活性氧的代谢平衡，降低脂质过氧化作用对细胞膜的损伤，维持细胞的正常代谢[17]。作物种子萌发初期，脂类分解代谢旺盛，呼吸链电子传递产生大量氧自由基，细胞内一般用具有较高活性的SOD、POD、CAT等酶促防御体系来清除过量的自由基，维持自由基代谢平衡[17]。本试验结果表明，适宜高压电场处理种子后，SOD、POD活性均高于CK，与前人研究结论[18-19]相吻合；电场强度400、500 kV/m时，不同处理时间下SOD、POD 活性总体上高于600 kV/m各处理，尤其是在T4处理下维持在较高的活性状态,这与不同电场处理下高粱种子的萌发表现是一致的；CΑT活性则表现出不同的处理效应，仅在高压电场处理40 min(T2、T5、T8处理)时高于CK。这可能是因为种子萌发时呼吸代谢旺盛会产生过量自由基，保护酶系中SOD和 POD活性的增强是细胞免受自由基伤害的主要原因。

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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

山西省农业科技攻关项目(20130311014-3)

胡建芳(1971-)，女，山西河津人，副教授，博士，主要从事作物化学调控与逆境生理研究。

E-mail:hjf2023090@163.com

*

杜慧玲(1966-)，女，山西太谷人，教授，博士，主要从事作物化学调控与逆境生理研究。

E-mail:duhuiling66@163.com