高压静电场处理缓解高粱种子快速脱水伤害的生理机制

李 宸，杨小环，吴冬梅，李 颖，刘 朦，鲁一微，马金虎

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西农业大学工学院，山西太谷030801）

高粱（Sorghum bicolor L.Moench）属禾本科高梁属一年生草本植物，根系发达，耐逆性强，具有抗旱、抗涝、耐盐碱、耐瘠薄等特点。高粱是世界五大类作物之一，也是我国最早栽培的禾谷类作物[1]。山西是我国高粱生产的主要省区之一，年种植面积在6.67 万hm2左右，是山西旱作农业生产的主要栽培作物[2]。

种子质量的优劣直接影响农作物生长后期的产量和农产品的品质。目前，高粱种子生产在成熟收获期脱水时，常采用自然干燥脱水的方法，费工、费时。而采用工厂化高温、快速烘干的方法进行种子干燥脱水，可节约大量劳动力，也利于种子标准化生产，但种子在进行高温、快速脱水前，由于种子的成熟度、种子的大小很难均匀一致，导致种子的含水量也不一致。因此，当种子含水量相对较高时，对种子进行高温快速脱水处理会对种子造成伤害。如何运用科学的种子处理技术，在种子进行快速脱水处理前对种子进行预处理，缓解高温快速脱水对种子的伤害值得深入研究。

电场处理对植物种子有明显的生物效应[3-5]。张作伟等[6]研究表明，电场处理能促进种子的萌发，其发芽势、发芽率、发芽指数及活力指数与对照相比，分别提高20.7%、3.0%、13.0%、25.9%。胡建芳等[7]研究发现，高粱种子经500 kV/m、30 min 高压电场处理后，种子在萌发过程中α-淀粉酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性均比对照有所提高。陈建中等[8]研究表明，用340 kV/m、14 min 高压静电场处理谷子种子，可诱导种子在萌发过程中吲哚乙酸、玉米素核苷和赤霉素含量增加，抑制脱落酸含量增加。蔡兴旺等[9]研究表明，采用不同时间和电场强度的高压静电对黄瓜种子进行电场处理，可提高种子发芽势、发芽率，促进幼苗生长发育。王宣高等[10]研究发现，在3 200 kV/m 高压静电场中，处理棉花陈年种子0～60 s，随着处理时间的增加，陈年棉种的发芽势、发芽率、活力指数以及脱氢酶的活性显著提高。陈花等[11]研究表明，用4 kV/cm、15 min 和4 kV/cm、25 min 电场强度处理荞麦种子，能够促进苗期水分胁迫条件下脯氨酸、可溶性糖的积累，提高体内SOD、POD 活性、减少膜脂过氧化产物MDA 的积累。用高压静电场对种子进行预处理，缓解高温快速脱水对种子伤害的研究未见有报道，电场预处理缓解高温快速脱水对种子伤害的机制也尚不清楚。

本试验以收获期的晋杂30 号高粱杂交种、恢复系种子为材料，采用高压静电场对种子进行高温快速脱水干燥前预处理，研究高压静电场预处理对种子萌发、早期幼苗生长以及种胚膜透性、保护酶活性、可溶性糖含量等的影响，旨在研究清楚高压静电场处理缓解种子高温快速脱水伤害的生理机制，为高粱种子工厂化加工，提高种子质量提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试高粱品种为晋杂30 号，杂交种和亲本恢复系种子均采自山西农业大学金谷农业科技园区高粱制种基地。于2018 年8 月25 日，在早播高粱制种田分别选取授粉后50 d 的结实饱满、无病虫害的杂交种和恢复系果穗20 穗，立即带回实验室，进行脱粒，取少量种子测定种子的含水量（杂交种种子含水量22.7%，恢复系种子含水量24.4%），其余种子备用。

1.2 试验方法

1.2.1 种子自然干燥脱水和高温快速干燥脱水处理 种子自然干燥脱水处理（CK）：取适量种子，置网袋中，室温下自然干燥脱水。种子高温快速干燥脱水处理（T1）：取适量种子，置垫有2 层滤纸的瓷盘中，将瓷盘放入鼓风干燥箱中，设置45 ℃烘干24～48 h（种子含水量达到14%左右为止）。

1.2.2 种子电场处理 高压电场发生装置如图1所示。电场发生器采用闭环调整高频脉宽调制技术，将频率为50 Hz 的交流电压，经多级倍压整流得到直流高压，输出电压在0～30 kV。种子电场处理时，将种子平铺在金属板上进行处理。经前期预试验，杂交种和恢复系种子均用4.0 kV/cm、60 min的处理条件对种子进行电场预处理。种子电场预处理之后再进行高温快速脱水处理（T2）。

1.2.3 种子萌发和幼苗生长试验 挑选饱满、整齐一致的不同处理的杂交种和恢复系种子，采用沙床发芽的方法，取发芽盒，在发芽盒底部平铺300 mL洗净烘干消毒后的河沙，均匀喷洒45 mL 蒸馏水，每盒取50 粒不同处理的种子均匀摆放在沙床上，种子上再盖500 mL 河沙（厚约1 cm），均匀喷洒75 mL蒸馏水。将发芽盒置培养箱中，设置昼温20 ℃、夜温10 ℃条件进行培养，待幼苗顶出沙床时，给以光照（12 h）并及时补水。幼苗顶出沙床时每天统计种子的发芽数，至种子萌发生长15 d 时结束试验。不同处理取长势均匀一致的幼苗20 株，用自来水洗去沙子，滤纸吸干幼苗表面水分，测定幼苗的鲜质量，将幼苗置烘箱中烘干，测定干质量。

同上述方法进行材料培养，在种子萌发和幼苗生长过程中，分别在3、6、9、12 d 取完整的萌发的种子和幼苗用于各项生理指标的测定。所有试验设3 次重复。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 种子发芽指标的测定 杂交种、恢复系种子分别从第9 天和第10 天开始统计发芽势；种子发芽试验结束（15 d）时统计发芽率。

其中，Ga 表示初次统计的发芽种子数；Gn 表示供试种子数；Gb 表示试验结束时发芽种子数；Gt表示t d 内发芽种子数；Dt 表示发芽天数；W 表示20 株幼苗鲜质量。

1.3.2 生理指标测定 超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用氮蓝四唑法，过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚法，过氧化氢酶（CAT）活性测定采用H2O2紫外吸收法，丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸法，可溶性糖含量测定采用硫酸蒽酮法[12]。超氧阴离子（O2·-）自由基含量测定参照李忠光等[13]的方法进行。膜透性测定使用BEC—6800 实验室精密型多参数电导率仪。

1.4 数据统计分析

所有数据的统计分析均采用SAS 软件进行，并利用Excel 2003 软件作图。

2 结果与分析

2.1 电场处理对高粱种子萌发及幼苗生长的影响

由表1 可知，高温快速脱水处理（T1）对杂交种和恢复系种子均有明显的伤害，高温快速脱水处理下杂交种和恢复系种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数均显著低于对照。其中，杂交种的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数分别比对照降低了40.98%、31.76%、49.57%和71.80%；恢复系种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数分别比对照降低了46.27%、34.79%、49.84%和59.69%。高压电场处理（T2）可明显缓解高温快速脱水处理对种子的伤害。电场预处理，杂交种的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数分别比高温快速脱水处理高55.11%、37.91%、93.52%和175.00%；恢复系种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数分别比高温快速脱水处理高69.78%、43.15%、78.06%和101.00%。

表1 电场处理对高粱种子发芽指标的影响

2.2 电场处理对高粱种子膜透性的影响

由图2 可知，高温快速脱水处理（T1）对种胚的细胞膜有明显的伤害，高温快速脱水处理杂交种和恢复系种子的膜透性均显著高于对照。其中，杂交种的膜透性比对照升高了27.91%，恢复系种子的膜透性比对照升高了41.46%。而高压电场处理可明显缓解高温快速脱水处理对种子细胞膜的伤害。电场预处理，杂交种的膜透性比高温快速脱水处理降低了16.36%，恢复系种子的膜透性比高温快速脱水处理降低了18.37%。

2.3 电场处理对高粱种子萌发过程中保护酶活性的影响

由图3 可知，杂交种种子在萌发生长过程中，电场预处理高温快速脱水（T2）种胚SOD 活性均高于直接高温快速脱水处理（T1）。电场预处理高温快速脱水（T2）下，种子萌发生长3、6、9 d 时，SOD 活性分别比高温快速脱水处理（T1）升高20.01%、13.87%和16.15%，达到显著差异水平。恢复系种子种胚SOD 活性变化和杂交种种子相似，电场预处理高温快速脱水（T2）下，种子萌发生长3、6、9、12 d 时，SOD活性分别比高温快速脱水处理（T1）升高23.85%、27.77%、30.47%和27.58%，均达到显著差异水平。

由图4 可知，杂交种种子在萌发生长过程中，电场预处理高温快速脱水（T2）种胚POD 活性均高于直接高温快速脱水处理（T1）。电场预处理高温快速脱水（T2）下，种子萌发生长3、6、9、12 d 时，POD 活性分别比高温快速脱水处理（T1）升高27.32%、11.09%、12.39%和10.58%，均达到显著差异。恢复系种子种胚POD 活性变化和杂交种种子相似，电场预处理高温快速脱水（T2）下，种子萌发生长3、6、9、12 d时，POD 活性分别比高温快速脱水处理（T1）升高15.34%、15.80%、17.62%和12.26%，也均达显著差异。

由图5 可知，杂交种种子在萌发生长过程中，电场预处理高温快速脱水（T2）种胚CAT 活性均高于直接高温快速脱水处理（T1）。电场预处理高温快速脱水（T2），杂交种种子萌发生长3、6、9、12 d 时，CAT 活性分别比高温快速脱水处理（T1）高42.06%、46.53%、40.51%和34.93%，达显著差异。恢复系种子种胚CAT 活性变化和杂交种种子相似，电场预处理高温快速脱水（T2）下，种子萌发生长3、6、9、12 d 时，CAT 活性分别比高温快速脱水处理（T1）高20.24%、31.47%、18.68%和20.84%，也均达到显著差异。

2.4 电场处理对高粱种子萌发过程中丙二醛（MDA）和超氧阴离子（O2·-）含量的影响

从图6 可以看出，杂交种种子在萌发生长过程中，电场预处理高温快速脱水（T2）种胚MDA 含量均低于直接高温快速脱水处理（T1）。电场预处理高温快速脱水（T2）下，种子萌发生长3、6、9、12 d时，MDA 含量分别比高温快速脱水处理（T1）降低15.39%、8.03%、11.91%和12.34%，达显著差异。恢复系种子种胚MDA 含量变化和杂交种种子相似，电场预处理高温快速脱水（T2）下，种子萌发生长3、6、9、12 d 时，MDA 含量分别比高温快速脱水处理（T1）降低5.47%、9.93%、13.53%和11.84%，也均达到显著差异。

从图7 可以看出，杂交种种子在萌发生长过程中，电场预处理高温快速脱水（T2）种胚超氧阴离子（O2·-）含量均低于直接高温快速脱水处理（T1）。电场预处理高温快速脱水（T2）下，杂交种种子萌发生长3、6、9 d 时，超氧阴离子（O2·-）含量分别比高温快速脱水处理（T1）降低9.5%、17.82%和18.85%，达显著差异。恢复系种子种胚MDA 含量变化和杂交种种子相似，电场预处理高温快速脱水（T2）下，种子萌发生长3、6、9、12 d 时，超氧阴离子（O2·-）含量分别比高温快速脱水处理（T1）降低10.6%、16.6%、18.59%和19.34%，也达到显著差异。

2.5 电场处理对高粱种子萌发过程中可溶性糖含量的影响

从图8 可以看出，杂交种种子在萌发生长过程中，电场预处理高温快速脱水（T2）种子可溶性糖含量均高于直接高温快速脱水处理（T1）。电场预处理高温快速脱水（T2）下，杂交种种子萌发生长6、9、12 d 时，可溶性糖含量分别比高温快速脱水处理（T1）高9.1%、12.28%和12.82%，达显著差异。恢复系种子可溶性糖含量变化和杂交种种子相似，电场预处理高温快速脱水（T2）下，种子萌发生长3、9、12 d 时，可溶性糖含量分别比高温快速脱水处理（T1）高7.85%、11.0%和14.58%，达到显著差异。

3 结论与讨论

杨体强等[14]研究发现，电场处理油葵种子可显著提高水分胁迫下油葵幼苗SOD、POD、CAT 的活性。杨体强等[15]研究表明，电场处理降低了柠条种子对干旱胁迫的敏感性，使发芽势、发芽率、SOD 活性和POD 活性提高，MDA 含量降低。电场处理作用可明显增强种子对干旱胁迫的耐受性。本试验结果表明，用高压电场对高粱杂交种和恢复系种子预处理后再进行快速脱水干燥，种子的膜透性显著低于其快速脱水处理。种子在萌发生长过程中，SOD、POD、CAT 等保护酶活性均明显高于快速脱水处理，而种胚MDA 和超氧阴离子（O2·-）含量均明显低于高温快速脱水处理。说明，高压电场预处理可能从减轻高温快速脱水对种子膜系统的伤害、诱导种子保护酶的活性，增强了种子抗氧化系统的能力，提高了高粱杂交种和恢复系种子对高温快速脱水的耐受性，从而使种子在萌发和早期幼苗生长过程中维持了较高的抗逆酶活性。

陈建中[16]研究发现，用高压电场对谷子进行处理，提高了干旱胁迫下谷子孕穗期叶片可溶性总糖含量、可溶性蛋白含量。表明高压电场处理在一定程度上促进了干旱条件下渗透调节物质的积累。本试验结果表明，高压电场处理种子后，种子在萌发和早期幼苗生长过程中，可溶性糖含量均高于高温快速脱水处理。说明，高压电场处理诱导了种子内可溶性糖含量的增加，使种子在萌发和早期幼苗生长过程中，种胚可溶性糖含量维持在一个较高的水平，促进了细胞正常的代谢。

本试验结果表明，高压电场预处理，杂交种和恢复系种子的发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数4 项发芽指标均显著高于其高温快速脱水处理。说明，高压电场预处理可有效缓解高温快速脱水干燥对杂交种和恢复系种子的伤害，促进种子萌发和早期幼苗生长。其可能的生理机制是，电场预处理减轻高温快速脱水对种胚膜的破坏，诱导种子萌发和早期幼苗生长过程中幼苗保护酶活性和可溶性糖含量升高，降低了幼苗MDA 和超氧阴离子（O2·-）含量，从而缓解高温快速脱水对种子的伤害。