响应面法优化超声诱导辽藁本种子萌发研究

摘要：" 为测试超声诱导方法对促进辽藁本种子发芽的影响，本文就超声功率、时间及水浴温度等指标，研究了不同因素条件对辽藁本种子发芽率的影响。结果表明：辽藁本种子发芽的优化条件为超声功率68 W，超声时间5 min和超声水浴温度34 ℃；在此条件下辽藁本种子预期发芽率为51.89%，实验验证算术平均值为54.07%，最佳超声诱导条件实验组与空白组相比，发芽率提升了10.74%。本研究表明，适宜的超声处理对辽藁本种子发芽率有积极的影响。

关键词：" 辽藁本；" 发芽率；" 超声诱导；" 响应面法

中图分类号：" "S 567" " " " " " " "文献标识码：" "A" " " " " " " " 文章编号：１００1 － 9499（２０25）01 － 0005－ 04

Optimization of Ultrasonic Induced Seed Germination of Ligusticum jeholensn by Response Surface Method

SHEN Qi1 GAO Zhitao1 BAI Xue1 ZHANG Wei1 YAN Lei2 WANG Honggang1**

（1." Yichun Branch of Heilongjiang Academy of Forestry，" Heilongjiang Yichun 153000 ;" 2." Yichun Forest Industry Shuangfeng Forestry Bureau Limited Liability Company，" Heilongjiang Yichun 153000）

Abstract In order to test the effect of ultrasonic induction on seed germination， the germination rate of Ligusticum jeholensn seed was studied by ultrasonic power， ultrasonic time and water bath temperature. The results showed that the optimal conditions for seed germination were ultrasonic power of 68W， ultrasonic time of 5min and ultrasonic water bath temperature of 34℃. Under these conditions， the expected germination rate of L. jeholensn seed was 51.89%， and the arithmetic mean value of experimental verification was 54.07%. Compared with the blank group， the germination rate of the experimental group under optimal ultrasonic induction conditions was increased by 10.74%. The results showed that suitable ultrasonic treatment had a positive effect on seed germination rate.

Key words Ligusticum jeholensn; germination rate; ultrasonic induction; response surface method

辽藁本（Ligusticum jeholensn）为伞形科藁本属多年生草本植物，以根茎和根入药[ 1 ]，为我国传统大宗药材，史载于《神农本草经》[ 2 ]，性温，味辛，具有祛风、散寒、除湿、止痛等功效，主治风寒感冒、巅顶疼痛、风湿痹痛等疾病[ 3 ]。其嫩茎叶富含人体所需的氨基酸、维生素及矿物质等[ 4 ]。长期的过度采挖导致了野生辽藁本的存量锐减，市场对其需求已超出自然供给能力，因此开展人工种植成为解决野生辽藁本资源短缺的有效途径[ 5 - 6 ]。目前，在辽藁本人工栽培中，无性繁殖是主流方式，而种子繁殖的应用相对较少，其中一个重要因素是辽藁本种子的发芽率普遍较低。相关研究指出，导致辽藁本种子休眠的关键原因，是种胚发育不成熟与存在抑制发芽的化学物质的双重影响[ 7 ]。这一现状无疑给辽藁本的人工栽培技术带来了显著的挑战，凸显了现有繁殖方式的局限性。因此辽藁本的人工繁育方法急需优化、改进，以提升繁殖效果，确保其可持续供应。

传统的辽藁本种子前期处理手段主要是以不同激素刺激或不同栽植基质做为试验设计手段。但传统的处理手段存在种子催芽质量难以控制、萌发率低、发芽时间不统一等弊端。近年来，超声波技术已被广泛地应用于农林业、工业及医药业等各领域。李占君等[ 8 ]发现超声诱导可以促进防风种子的发芽，提高发芽率，并运用PBD（Plackett－Burman Design）进行关键因素的筛选，通过爬坡实验得出关键因素的中心点，结合BBD（Box－Behnken Design）响应面优化影响发芽率的关键因素条件。王岸娜等[ 9 ]运用响应面法研究了培养时间、浸泡时间和浸泡温度对发芽藜麦黄酮、多酚、GABA含量积累的影响。王蔓等[ 10 ]通过对超声单因素及响应面的分析，确定了最佳的影响绿豆芽重超声条件。

本研究主要利用创新手段，通过超声波刺激诱导辽藁本种子发芽手段，对影响种子发芽的影响因素进行分析与研究。利用Box-Behnken响应面法优化了辽藁本种子进行超声时的最优功率、时间和水浴温度，以期最大限度地提高辽藁本种子的发芽率。

1 材料与仪器

1. 1 实验材料

供试材料为辽宁省抚顺市农业科学研究院“抚香叶芹1号”（2年生苗）的辽藁本种子。

超纯水、次氯酸钠、琼脂粉、无水乙醇、酒精灯、脱脂棉、培养皿、量筒、滤纸、镊子等。

1. 2 实验仪器

KQ－100DE台式数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；CMPL－TP－40L超纯水机，成都优越科技有限公司；SW－CJ－2FD超净工作台，苏州广源净化科技有限公司；MJ－500－11恒温培养箱，上海一恒科技有限公司；其他仪器玻璃器皿等。

2 实验方法

2. 1 辽藁本种子预处理

挑选大小接近、成熟饱满、无霉变、无虫蛀的辽藁本种子，去离子水冲洗去除种子表面浮尘，置于10 cm×14 cm加厚自封袋中，使用40 ℃温水浸种24 h。

2. 2 超声诱导单因素实验

2. 2. 1 超声功率

取适量经预处理的辽藁本种子，以灭菌水为超声传输介质做超声诱导处理。分别使用不同超声功率40、60、80、100 W处理10 min，超声水浴温度40 ℃。超声诱导处理完毕的种子先使用75%乙醇溶液浸泡20 s，使用灭菌水冲洗3遍，每次至少震荡40次；再配合4%次氯酸钠溶液浸泡1 min，使用灭菌水冲洗3遍，每次至少震荡40次；将处理好的辽藁本种子50粒/组置于培养皿中，培养基为水琼脂培养基（WA），置于恒温培养箱中25 ℃，避光培养7 d后开始记录，连续3d无发芽视为实验终止，以此研究超声功率对种子发芽率的影响。

2. 2. 2 超声时间

取适量经预处理的辽藁本种子，以灭菌水为超声传输介质做超声诱导处理。分别在超声功率60 W，超声水浴温度40 ℃的条件下处理5、10、15、20 min。超声诱导处理完毕的种子同上述操作，研究超声时间对种子发芽率的影响。

2. 2. 3 超声水浴温度

取适量经预处理的辽藁本种子，以灭菌水为超声传输介质做超声诱导处理。分别在超声时间10 min，超声功率为60 W的条件下使用不同超声水浴温度30、35、40、45、50 ℃对种子进行超声诱导处理。超声诱导处理完毕的种子同上述操作，研究水浴温度对种子发芽率的影响。

2. 3 响应面实验

以上述单因素实验为基础，使用Box-Behnken响应面法，以超声功率、超声温度和超声时间为影响因子，以发芽率含量为响应值，挖掘辽藁本种子发芽最佳工艺（表1）。

2. 4 数据处理

本实验每组设3次生物学重复，结果以平均值表示。实验数据采用R语言（R-4.1.1）进行统计分析，各组之间的结果比较采用LSD多重比较，以p＜0.05为显著标准。Box-Behnken响应面法设计与分析采用Design Expert 13软件实现。

3 结果与分析

3. 1 超声处理对发芽影响的单因素实验

3. 1. 1 超声功率对辽藁本发芽率的影响

由图1（a）可以看出，辽藁本种子在不同的超声功率下发芽率均有显著的差异（plt;0.05），随着超声功率的升高，种子发芽率呈现先升高后下降的趋势，并在60W时最大，为56.67%。当超声波功率提升时，其产生的空化效应随之增强，对辽藁本种子表皮的细胞壁破坏及间隙清洁作用也更为明显。但若功率设置过高，反而可能损伤种子的细胞结构，进而影响其发芽率。

3. 1. 2 超声时间对辽藁本发芽率的影响

由图1（b）可以看出，辽藁本种子在不同的超声时间下发芽率有显著的差异（plt;0.05），随着超声时间的延长，种子发芽率呈现先升高后下降至稳定的趋势，在5 min时达到最大，为57.78%。随着超声处理时长的增加，其对辽藁本种子外皮细胞壁的破坏效果以及对细胞壁间隙的清理作用更为突出。然而，过长的处理时间，由于持续的机械作用和能量影响，可能引起种子细胞的损害。

3. 1. 3 超声水浴温度对辽藁本发芽率的影响

由图1（c）可以看出，辽藁本种子在不同的超声水浴温度下发芽率有显著的差异（plt;0.05），随着超声水浴温度的升高，种子发芽率呈现先升高后下降的趋势，在35 ℃时达到最大，为54.44%。当超声处理的温度提升至约35 ℃时，辽藁本种子中的酶活性达到较高水平，有利于促进其生理生化反应。然而，若温度继续攀升，酶活性及生理生化过程则可能受到抑制。当温度升高至50 ℃时，种子辽藁本种子体内酶活性失活，种子不发芽。

3. 2 响应面实验结果

根据单因素实验的综合结果，运用Design- Expert 13软件，将超声功率（A）、超声时间（B）和水浴温度（C）作为自变量，发芽率（R）作为响应变量，构建了一个3因素3水平的Box-Behnken设计实验（表2）。

从表3中得出的数据，获得了基于发芽率的回归模型及其系数的统计显著性分析。分析结果揭示，本研究所选的二次多项式模型达到统计学上的显著性标准（P＜0.05）。通过失拟项的P值（0.410 9＞0.05）评估，证实了模型与实际数据的贴合度高，且回归方程结果具有合理性。这有效反映了实验中各因素与响应变量之间的实际联系。进一步的分析显示，因子A对种子发芽率的影响具有显著性（P＜0.05），而因子B、C的影响则不显著；此外，A2和B2同样表现出显著性。综上所述，超声功率被确认为影响发芽率的关键因素。

通过对实验数据的拟合，建立了一个多元二次回归方程：发芽率R=51.33+2.22A-0.832 5B-0.833 75C-" 2.222 5AB-2.225AC-2.222 5BC-3.998 5A2-5.666B2-" 2.888 5C2。由图2（a）可知，随着超声功率和超声时间的增加，种子发芽率先升高后降低，分别在功率68 W和5 min时达最大值。同理在图2（b）和图2（c）中可得辽藁本种子发芽率对应响应值增量状态最佳时条件分别为：AC（68 W，34 ℃），BC（5 min，34 ℃），且A、C和B、C均为差异性不显著（P＞0.05）。

3. 3 最佳工艺验证

通过响应面拟合，确定了促进辽藁本种子发芽的最佳条件：超声处理时间为5 min，功率为68 W，水浴温度设定在34 ℃，预计发芽率为51.89%。实际测试中，最终发芽率达到了54.07%，与模型预测值的相对偏差仅为2.183%，这表明模型预测与实际情况高度一致，证实了模型的可靠性。

4 讨论与结论

超声波技术是一种弹性机械波，因其简单、方便、快捷、安全等优点而得到了广泛应用，作用于物质介质中，用于与物质的提取、实验的检测、仪器的清洗以及植物种子的萌发。本文研究了超声波对辽藁本种子发芽率的影响，通过单因素实验筛选出合适的超声功率、超声时间及超声水浴温度的范围，再经响应面优化后最佳超声条件为：超声功率68 W、超声时间5 min、超声水浴温度34 ℃，辽藁本种子在此处理条件下，发芽率达到54.07%，此数值与理论值相近，证实了二次多项式模型的有效性。

参考文献

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