等离子体技术在种苗培育肥药减施增效领域应用进展

唐伟斌，许长峰，2

(1.邢台学院 生物科学与工程学院，河北邢台 054001；2.河北省数字化淡水水产养殖技术重点实验室，河北邢台 054001)

种苗培育是种植业的基础，种子正常萌发和幼苗健壮生长是植物生产前期关键。利用生物方法和物理技术防治病虫害是目前现代农业种苗培育肥药减施增效、发展绿色生产的研究热点。应用等离子体技术处理作物种子成为了近年来国际上发展最快的农业增产新技术之一，俄罗斯在这一领域的研究比较早，程度较为深入，并且尝试将等离子体种子处理装置应用于实际生产。近年来，国内科研机构和高等院校围绕等离子体技术的作用机理、应用范围和效果效能开展了探索，并逐步应用于实际生产。其表现出来的环保且高效之优势明显，逐渐为世人所青睐。

等离子体(Plasma)具有数量众多的特殊性质，又被称为第四大物质存在状态。其特性是因为在高温或强电磁场下，气体被电离，从而产生大量的数量相等但所带电荷相反的离子和电子所致。高压非平衡等离子体可通过各种碰撞途径产生活性粒子，如电子的撞击和分裂。在国防、工业、医疗、环境保护、水平养殖等领域等离子体技术已得到了广泛应用。近年来该技术在农业生产领域的应用研究如火如荼，重点集中在病害防治、食品贮藏、调控长势、畜禽消毒、养殖尾水净化、谷物灭菌等方面。在植物生产领域，采用等离子体机处理大田、蔬菜、油料等作物种子，后续表现出明显的发芽提前、出苗整齐、生长健壮、抗逆抗病、结果提早，增产提质等优良性状。顺应植物生产肥药减施增效的绿色产业要求，等离子体技术在种子播前处理、种子萌发、幼苗培育等环节的应用效果逐渐显现。

1 等离子体技术在种子消毒环节应用

种子表面所携带的多种病菌是导致猝倒病、立枯病、根腐病等苗期病害高发原因，使得种子消毒成为了种苗培育生产前期必需环节。生产中为确保顺利萌发，常常会利用各种手段对种子进行预处理，较为常用的方式为化学药剂浸泡和种子包衣。但这些预处理方式需要大量使用化学农药，存在严重安全与环境污染的风险，耗时长、成本高，与肥药减施增效的绿色产业要求相背离。试验结果证明，采用等离子体技术播前处理种子，具有杀菌抑菌效果，兼可健壮幼苗。

1.1 消杀种子病菌效果研究

抑制和消减种子表面的病菌是等离子体技术在植物生产领域应用最早和最广的内容。国外学者对水稻、玉米等十余种种子采用不同的等离子体发生装置进行前灭菌处理实验[1-2]，发现对包括赤霉菌、曲霉菌、青霉菌、尖孢镰刀菌、白菜黑斑菌、葱黑斑病菌，以及大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草杆菌等在内的十数种真菌、细菌均产生效果，病菌生长受到明显的抑制，而作物生长没有受到干扰。杀菌抑菌的效果决定于采用的气体源、处理强度与时间、病菌的初始感染程度和样品种子表面的结构特征[3]。

国内的研究结果趋向一致。李学慧等的大豆种子交变梯度电磁场等离子体处理实验结果证明[4]，等离子体能对种子的表面进行杀菌和消毒，另外种子的萌发力也可得到有效提升。

迄今统计，等离子体技术已在大田作物(小麦、水稻、玉米、大麦、硬粒小麦、黑麦等)、蔬菜作物(芥菜、黄瓜、生菜、豌豆、萝卜、胡萝卜、番茄、鹰嘴豆、菜豆、小扁豆、茄子、羊莴苣、皱叶甘蓝等)、油料作物(大豆、花生、油菜、芝麻等)、观赏与药用植物(羽扇豆、羽衣甘蓝、泡桐、黎、紫菀、红花、穿心莲等)中常见种类上进行了试验和推广，其消杀种子表面病菌效果明显，绿色环保，且对种子的萌发和幼苗生长表现出促进效应。

另外，采用大气压下介质阻挡放电等离子体的试验表明[5]，单独使用氦气灭活病菌的效果要明显落后于在氦气中添加氧气的灭菌效果，分析认为主要是由于活性氧及活性氮的相应作用，而不是靠紫外线的辐射灭菌效应。

1.2 消毒灭菌机理研究

一般认为，等离子体的灭菌效应与放电过程中产生成分(带电气体、电场、紫外线、射线以及活性基团和粒子臭氧、自由电子、自由基、活性氧、NOX等)有关。空气等离子体除了带有电荷的离子作用外，放电的同时产生大量的臭氧，对细菌和病毒有强烈的杀伤作用。

病菌微生物的损伤和死亡，是由于菌体的蛋白质和细胞结构被破坏而导致。放电过程中产生的这些成分正是与病菌微生物体内的酶或DNA等生物大分子相互作用的“破坏者”。其中，活性氧可使得鸟嘌呤分子结构发生改变，引起DNA双螺旋链断裂，生物大分子损伤，表现出病菌微生物生长抑制或失活；紫外线与微生物作用，可形成具有抑制细菌复制能力的胸腺嘧啶二聚体，阻断病菌生长繁殖路径[6]。另一方面，当带电粒子产生的电场足够强时，会破坏细胞膜表面蛋白质和酶的活性，使得膜上蛋白质分离并产生孔洞，导致细胞质流失，细胞死亡。活性粒子则利用其活性含氧基团，首先破坏微生物细胞膜的通透性，然后进入细胞发生氧化作用，最终破坏细胞结构，致微生物细胞死亡而达到杀菌的效果[7]。

2 等离子体技术在种子萌发环节应用

种子萌发不仅仅受到水分、温度等外部环境的影响，还需要赤霉素、脱落酸等内在激素的调节，并通过吸胀吸水、转态、分解、吸收、合成等途径的共同作用。种皮在水分等萌发必需物进出种子的过程中起到阻断作用，而活性氧及活性氮等物质在种子萌发激素调节方面起到较大的作用[8]。

2.1 对种子萌发影响效果研究

大量的研究结果证实，绝大多数样品种子经过等离子体技术处理后的萌发态势均有所改善。DUBINOV等发现[9]，芥菜种子经脉冲放电等离子体技术处理，表面种皮会形成细小裂纹，进而有助于水分通过吸胀吸水途径进入种子，缩短萌发时间。等离子体短时间间接处理小麦种子，具有提升萌发特性的作用，其萌发率能提高17%左右。分析认为可能是小麦种子表面化学成分的改变而引起的[10]。ZAHORANOVA等利用扩散共面表面阻挡放电装置处理玉米种子[11]，出现种皮表面水接触角显著减小、而疏水性则对应升高的现象。种皮表面结构在电镜下并未观察到明显变化，傅里叶红外变换光谱检测数据却显示该样本表面的脂质减少、氮氧化物增加。电晕放电装置处理水稻，其种皮亦受到明显影响[12]。大气压介质阻挡放电等离子体处理黄瓜、生菜的种子[13-14]，辉光放电冷等离子体处理大豆、花生、油菜及芝麻的种子[15]，其发芽率、发芽势、幼苗活力等指标均提升明显。吕晓桂等通过常压冷等离子体预处理芥菜种子实验[16]，发现当放电电压为1200V、1600V，处理时间为8s、30s、90s的处理对种子的发芽速度有明显的促进作用，幼苗根长指标相比对照组均有优势，但种子发芽率指标未现明显影响；当放电电压为1400V、处理时间为60s时，等离子体处理明显地有利于干旱胁迫下的芥菜植株的生长。

2.2 影响种子萌发机理研究

研究表明，等离子体处理促进种子萌发机理，一般认为是所产生的大量活性物质(带电粒子、亚稳态活性物质、紫外光子等)致ROS、RNS、pH、氧还电位和电导率等产生变化，发生了刻蚀作用，改变了种子表面的物理结构、润湿性和种子内部的激素水平、酶活性，调控了与萌发相关的生理生化反应进程，具有正向影响，进而促进种子的萌发。

法国萨克雷大学研究团队对介质阻挡放电等离子体放电过程中气体成分进行分析，并参考生物学实验，推测等离子体处理影响种子休眠与活性，是由于ROS及RNS参与了相关作物信号通路的调控[17]。研究者的豌豆发芽与幼苗生长的实验表明[18-19]，等离子体处理促进发芽与幼苗生长的原因是缘于内源激素的分泌受到了影响，这些激素包括生长素和细胞分裂素。BORMASHENKO等对生菜[20]、黄豆及小麦种子用射频低温等离子体同时进行处理，发现种子表面的水接触角明显减小，认为这是氧化物质对种皮产生的影响，而这些氧化物质则来源于等离子体。吕晓桂等通过大气压氩气放电等离子体处理荠菜种子促进发芽的研究[16]，也提出原因可能是种皮表面的亲水性增强、辐照和热效应的积累。黄明镜等和杜红等都认为[21-22]，α-淀粉酶活性强及可溶性蛋白含量高可以提高种子的代谢水平，促进作物生长。不论是小麦种子还是陈玉米种子，经过等离子体处理后，均发现其淀粉酶活性增强，可溶性蛋白含量升高，发芽率和活力指数较对照组都有所提高。同时还发现幼苗的叶绿素含量有部分提升，这也有利于作物生长。刘山等解释经过等离子体种子处理机处理的种子更加健壮、苗齐苗旺原因[23]，认为其机理是提前启动了与萌发有关的生理生化变化过程，以及刺激了生理活性物质的产生，从而产生了较强的动力学过程。谢成燊进一步揭示[24]，空气冷等离子体处理玉米种子，玉米赤霉素含量提高，NO及H2O2产生，并通过调控组蛋白乙酰化相关基因的表达，最终促进种子的萌发。

3 等离子体技术在幼苗生长阶段的应用

幼苗期植株生长需要大量的氮肥，且呈现随生长期、种类、环境不同而变化的特点。人工施用氮肥，功效低、适性差，经常过量而减弱幼苗抗性。芽苗菜氮肥残留过多还会给消费者健康产生负面影响。等离子体处理种子后，不仅对萌发有益，还能强健幼苗、促进生长，表现出明显肥药减施增效作用。

3.1 对幼苗生长影响效果研究

用等离子体处理烟草种子，其萌发期、出苗期、团棵期以及开花期较对照提前2d以上，旺长期延长2d[25]，表明等离子体技术不仅具有促进种子萌发的作用，还有益于植物后期的生长发育。等离子体处理菜豆种子[26]，出苗期、伸蔓期、开花期、结荚期均得以提前，成熟提早，增加菜豆干重，提高早期产量。利用大气压介质阻挡放电等离子体对萝卜种子进行处理[18]，发现幼苗长度能够显著增长。胡萝卜亦如此[27]。LOS等的等离子体短时间接处理小麦种子试验，结果显示苗期生长指数提高[10]，分析认为小麦种子表面化学成分的改变对该变化有一定影响。李恺等以处理功率为变量[28]，对番茄种子进行等离子体技术处理，其幼苗的茎粗、株高、根茎叶干质量、根冠比和壮苗指数等指标，随着处理功率的增加呈现先上升后下降的变化趋势，分别在25-75W的处理区间达到峰值，幼苗生长的综合表现以75W处理最优。王志新等则以电流强度及处理次数为变量[29]，研究等离子体处理对生菜幼苗生长及产量的影响。结果表明：等离子体处理种子，其幼苗地上部鲜干质量、地下部鲜干质量、根体积有不同程度的增加。不同电流强度及不同处理次数的等离子体处理促进了生菜定植后的生长发育，生菜的叶绿素也有所改善。HENSELOVA等考量等离子体处理对玉米幼苗生长参数影响[30]，当处理时间为60s时，鲜重、干重和种子根的长度分别增加了10%、14%和21%。

研究试验表明，等离子体技术处理植物种子，普遍具有促进幼苗生长发育的功效，表现在根茎叶的干鲜质量的增加、根冠比和壮苗指数的优化，以及发育进程的加速和提前。

3.2 影响幼苗生长机理研究

沈人德指出[31]，等离子体之所以提高种子萌发、生长和抗逆性，是其产生的活性氧自由基提高了生物膜透性和种皮通透性，提高了水、氧、氮和微量元素等渗入到种皮中的效率。KITAZAKI等也认为[18]，大气压介质阻挡放电等离子体处理能够使得萝卜幼苗长度显著增长的原因与等离子中的自由基刺激有关。GIBA等研究成果更是支持了这一论断[32]。GIBA等发现活性氮自由基是种子萌发的内源媒介物质及外源物质的重要载体。

综合研究成果，等离子体处理种子，可促进幼苗生长的缘由，一是初生代谢产物(蛋白质)的积累，NO2可转变成NO3，起到植物生长所需氮源的作用；二是减轻细胞脂质过氧化程度；三是提高生物膜透性、过氧化氢酶的活性和种皮通透性；四是可增强抵御外界不良环境的能力。利用等离子体技术处理种子，具有促进种子萌发和促进幼苗生长的功效，可减少苗期施肥量用药量，起到肥药减施增效作用。

4 等离子体技术在种苗培育领域利用前景展望

等离子体种子处理技术是新兴的现代物理农业技术，具有处理时间短、对人体无害等优势，环保、高效、无残留，符合现代绿色农业的发展方向。该技术近年来迅速成为业内研究的热点。虽然研究者在等离子体处理种子的各指标试验均有所尝试，在多种作物上的处理上也取得了一定效果，但是关于相关效果机理的解释还缺乏依据，距离从实验室到田间应用还有很大差距。

4.1 机理研究

首先，等离子体处理种子技术已经在农业中有所应用。然等离子体成分十分复杂，各种活性成分的含量与组成对于使用效果影响较大。不同的激发方式、不同的剂量、不同的处理时间，甚至同一剂量、时间对不同的植物种子的效应也不一致。这其中，等离子体对前处理种子所产生的后续效应，包括萌发、苗期生长的表征特性所对应的生理生化特征的改变等方面分析研究报道较少。

其次，尽管等离子体的主要成分单独对菌种作用机理已经知晓，但各成分同时综合的杀菌作用并不是简单的协同关系，因此等离子体整体对种子和幼苗的灭菌、生长的作用机理认识仍不够充分，需要不断研究和完善。

再者，等离子体含有多种活性物质，这些组分是怎样参与到种子萌发的信号通路当中还不清楚。国内研究虽然已经观察到等离子体处理在种子萌发的正向作用，但是并未能深入研究其机理。

4.2 应用研究

迄今为止，仍然不能用通过实验检测得到的直接证据去解释分析等离子体放电特征、放电的物理和化学机制，以及等离子体影响和改变细胞和组织的生物学途径。等离子体发生设备的微放电或整个放电过程的具体局部细节还没有得到详尽的理论描述。工作条件不同，放电过程中的物理、化学过程交织复杂，使得等离子体的农业应用进展缓慢。

等离子体研发设备大多停留在实验室阶段，处理能力有限。且对不同的种子要采用不同的设备，缺乏通用的设备设计和实际操作规范。种苗业的等离子体种子处理技术规模化实际生产应用，还有大量的难题需要研究和探索，任重而道远。