弧光等离子体与梯度磁场结合处理番茄种子的生物效应

弧光等离子体与梯度磁场结合处理番茄种子的生物效应 弧光等离子体与梯度磁场结合处理番茄种 子的生物效应 第26卷第1期 2006年3月 核聚变与等离子体物理 NuclearFusionandPlasmaPhysics Vo1.26.No.1 March2006 文章编号:0254—6086(2006)01—0075—06 弧光等离子体与梯度磁场结合 处理番茄种子的生物效应 尹美强,马腾才,黄明镜2,马步洲2 (1.大连理工大学三柬材料改性圉宗重点实验室.大连116024; 2.山西省农科院旱地农业研究中心.太原030031) 摘要:介绍了弧光放电等离子体与梯度磁场相结合来处理植物种子这一新必的等离子体生物技术.给出了 番茄种子(中蔬6号)经不同参数的磁化等离子体处理后的生物效应及种子的抗旱性对比.结果表明:种子中脯氨 酸含量明显提高,说明磁化等离子体能通过降低细胞渗透辫来增加番茄抗旱性;SOD,POD活性,根系活力和ATP含 量增加,表明磁化等离子体可以通过清除植物体内自由基和增强代谢来增加番茄对水分胁迫的抗性. 关t词堪,化等离子体;番茄;抗旱性 中圈分类号:0539文献标识码:A 1引育 利用电,磁,激光等物理方法处理种子已有较多 的报道n】.但将低温等离子体技术用于提高幼苗 抗旱性方面的报道较少.电晕放电后的绿豆和大豆 出苗率和生长势都有较明显的提高,且优于电场处 理的结果口.JohnCVolin等利用射频放电等离子 体化学技术处理五种作物种子,在种皮表面形成不 同类型的薄膜,种子更容易保存,污染减少,发芽时 间和发芽率都有明显变化[4].RomanMora等利用介 质阻挡放电处理感病大豆种子,利用臭氧对种子表 面的消毒作用及离子对种子的刺激效应,发芽率提 高70%以上. 黄明镜等利用弧光放电等离子体与梯度磁场相 结合,处理了小麦,玉米,南瓜和萝卜等多种作物,发 现这一技术能有效提高多种作物种子的发芽势,发 芽率,种子活力及作:{_3If的抗旱性能】.本文利用磁 化等离子体和梯度磁场相结合处理番茄种子,确定 最佳处理参数后对番茄幼苗的抗旱机理进行了研 究. 2材料与方法 2.1实验装置 实验装置为大连理工大学自行研制的DW.I型 磁化等离子体种子处理机,如图1所示.实验装置 由高压汞弧光放电等离子体发生器和8组线圈组成 的会切磁场两部分组成.上部为汞电弧等离子体发 生器,管长25cm.内径2.5cm.真空度5Pa.放电功率 400W,放电电压20kV,放电频率50Hz.电弧放电产 生的光辐射主要集中在紫外波段,波长为250— 300nm,高能光子与灯管临近区域的大气相互作用 造成气体激发和电离,能够观察到蓝色的电离区. 光照强度25X10一Wh-cm,,臭氧浓度为15ppm. 会切磁场磁体供电的最大电流为3.5A,场强梯度 150C,s?m,.最大强度为400Gs.带电粒子被磁场约 束,延长了等离子体与种子的相互作用时间.待处 理的种子从上方进入,经过孤光放电管附近的等离 子体区,再穿赴梯度磁场区,完成组合处理,实验参 数可控.此装置已经申请专利. 收稿日期:2005—08—17;修订日期:2005—11—11 基金项目:国家重点基金资助项目(19805030);山西省自然基金赍助项目 (20051078) 作者简介:尹美强(1976一).女.山西省人.博士研究生.主要从事等离子体生物工程 研究. 76核聚变与等离子体物理第26卷 5 2 3 图1磁化等离子体装置简图 l——种子人口;2——弧光放电灯管;3——分散种子 的金属柱;4——由8组线圈组成的梯度磁场;5——电源; 6——种子出口. 2.2材料的处理与培养 选取籽粒饱满,大小均匀的中蔬6号番茄种子, 分别设置磁场供电电流为0.5A,1.0A,1.5A,2.0A 和2.5A(文中未注明的电流即指磁场供电电流),经 磁化等离子体处理后,整齐摆放在直径为7cm铺有 两层滤纸的培养皿的底部,每皿50粒,加4ml蒸馏 水,置25cI=的培养箱中进行暗培养.进行了3次这 样的实验.整个过程保证水分供应充分. 2.3干旱胁迫(PEG.6000)处理 经1.5A等离子体预处理的种子,在浸湿的滤 纸上发芽,第9天进行干旱胁迫处理.为防止培养 皿的水分稀释固定浓度的PEG溶液,首先将皿内的 水倒干净后,再依次加入浓度分别为0%(蒸馏水), 5%,10%,15%,20%和25%的PEG.60005ml,经24 小时后,取下胚轴和根系作为供试样品.根系用蒸 馏水冲洗3次,滤纸吸干后立即用液氮冷冻,放人 一 70?的冰箱中保存待用.下胚轴用鲜样直接分 析. 2.4生理指标的测定 用氯化三苯基四氮唑(TrC)法"测量根系活 力,采用氮蓝四唑(NBT)光化还原抑制法测量过 氧化物歧化酶(SOD)活性和采用茚三酮显色法测 量脯氨酸含量. 过氧化物同工酶的测量?..:取番茄根系和下胚 轴各0.3g,加捉墩缓冲液lml在冰浴上研磨匀浆,经 4000r?min离心10rain,上面的清液即为酶提取液, 置于冰箱中保存待用.用垂直平板聚丙烯酰胺凝胶 电泳法对过氧化物同工酶进行分析,浓缩胶和分离 胶的浓度分别为3%和8%,电极缓冲液为Tris一甘氨 酸系统,pH8.3,电泳时浓缩胶的电流30mA,待溴酚 蓝指示剂进入分离胶中电流提高到40mA.电泳后 用醋酸联苯胺法染色. ATP含量测量:分别取下胚轴1.0g和根系 0.5g,加入丙酮5ml,在85?的热水浴中挥发14rain, 再加入超纯水5ml,在沸水浴中提取8rain,放人冰水 中冷却后,倒人离心管中,6000r?minI1冷冻离心 (4?)10rain,经过0.45/~m的滤膜过滤后上样.色谱 条件:色谱柱为HypersilC18不锈钢柱(300mmX 3.9mmX5pm),柱温为室温(25?2)?;流动相为 0.1mol-L,Na2HPO.溶液,PH6.0,流速0.8ml- min,;检测波长254nm,灵敏度0.005UFS;记录纸速 5mm?min,;上样量20. 上面所有指标测量均重复3次,下面图表中所 有数据均为平均值?标准误差. 3结果与分析 3.1最佳等离子体参数筛选 图2为不同强度磁化等离子体处理后根系活力 的变化图.随着处理电流增大,根系活力不断增强, 当电流达到1.5A时,活力最高,比对照(CK)增加 153.33%,超过这一电流后,根系活力又呈下降的趋 势.但所有处理后的幼苗根系活力都明显高于对 照. 图2不同强度磁化等离子体处理后根系活力的变化 876543210 f-q.一Jo2_暑芒烬帐球 第i期尹美强等:弧光等离子体与梯度磁场结合处理番茄种子的生物效应 图3为不同强度磁化等离子体处理后POD同 工酶谱带分析图.经预处理的幼苗,POD同工酶带 的条数没有明显的差异,但所有处理后的幼苗下胚 轴POD同工酶的染色都比对照深,其中1.0A和 1.5A的酶带颜色最深,表明它的过氧化物酶活性 最强.根系POD活性变化没有下胚轴的明显.经 过不同参数的磁化等离子体处理后的幼苗其根系活 力和POD同工酶都表现出增强的趋势,摹本没有负 效应.参数为0.5,2.0A的磁化等离子体对中蔬6 号有明显的激活效应.我们在抗旱试验中采用 1.5A作为最佳处理参数. :'—??-1_ CK0.1.01.52-02.5CK0.5i.0i.52.02.5 下胚轴根系 图3不同强度磁化等离子体处理后POD同 工酶谱带分析 CK5%10%15%20%25% PEG浓度 图4磁化等离子体对干旱胁迫下番茄幼苗 根系活力的影响 3.2磁化等离子体对水分胁迫下根系活力的影响 图4为磁化等离子体对干旱胁迫下番茄幼苗根 系活力的影响图.水分胁迫对番茄幼苗的根系活力 有很大的影响.PEG浓度小于5%时,根系活力上 升.随着PEG浓度的进一步升高,根系活力逐渐下 降,当PEG浓度达到25%时,处理组和对照组的根 系活力分别下降8O.O6%和67.96%.但在不同浓 度的PEG水分胁迫下,1.5A磁化等离子体均可提 高番茄幼苗的根系活力,使处理后的种子幼苗根系 活力明显高于对照. 3.3磁化等离子体对水分胁迫下脯氨酸含量的影 响 在水分,盐及重金属毒害等胁迫条件下,脯氨酸 作为植物体内的渗透调节物质,不仅能调节细胞的 渗透势.而且能明显保护细胞内大分子物质的构型. 防止变性n...受到干旱胁迫的番茄幼苗,随着胁迫 程度的增加,脯氨酸在下胚轴和根系中逐渐积累. 当PEG浓度大于15%时,经1.5A磁化等离子体处 理后,下胚轴中脯氨酸的含量明显多于对照,如图 5a所示.当番茄幼苗受到严重水分胁迫(PEG> 2O%)时,处理后的幼苗根暴的脯氨酸含量呈明显的 上升趋势,而对照中却急剧下降,如图5b所示.以 上结果表明磁化等离子体可以通过提高脯氨酸含量 降低细胞渗透势来提高番茄的抗旱性. 3.4磁化等离子体对水分胁迫下POD和SOD活 性的影响' 水分胁迫期间,下胚轴出现5:条过氧化物同工 酶谱带,如图6所示.各种处理结果之间没有明显 的谱带差异.从染色深度来看,第5条的差异最大, 经预处理过的种子,所有的条带颜色比对照深,活性 明显增强.值得注意的是在PEG浓度为5,15% 时,下胚轴POD活性比不受干旱胁迫(蒸馏水)的活 性低,在PEG浓度为25%时,POD活性比对照明显 增强.根系的POD活性在PEG浓度为10%时活性 最高,总体表现为处理后的幼苗POD活性明显增 强. SOD和POD是植物抗氧化过程中两种重要的 保护酶,能够清除细胞中超氧阴离子(oi)和过氧化 氢(H2O),对保护细胞膜的完整,防止细胞衰老及 提高幼苗抗逆能力有重要作用.图7为磁化等离子 体处理对干早胁迫下番茄幼苗下胚轴和根系SOD 活性的影响图.随着PEG浓度的增加,下胚轴和根 系的SOD活性呈明显的上升趋势.番茄幼苗未受 '胁迫时.磁化等离子体处理后的下胚轴和根系的 SOD活性与对照几乎没有差别,受到不同浓度的 PEG水分胁迫后,处理后的SOD活性都明显高于对 照,其中,下胚轴增加幅度为I7.4,31.9%,根系为 14.34,37.73%. O5O505O505O 5443322?0O l_q...—l'暑邑_.蜒慑 核聚变与等离子体物理第26卷 -下胚轴 CK5''lo''15%2o''25% PEG浓度一'' b根系 50 事45 40 35 纂3o 鬣25 翟20 15CK5,'lO'' 15%2O%25% PEG浓度/% 图5磁化等离子体处理对于旱胁迫下番茄幼苗下胚轴和根系脯氨酸古量的影响 沸t h糸 .I.秘撵{嚣繁 》.,{ I23456789lO! l234789l2 图6磁化等离子体处理对于旱胁迫下番茄幼苗下胚轴和根系POD同工酶谱的影 响 rl,3,5?7,9?11为处理.2.4,6,8.10,12为对照;卜_l,3,5,7.9.11为对照.2,4,6.8.10.12为 处理?n和b中1,2为蒸馏水;3.4为5%PEG~7,8淘15%PEG;9,l0为20%PEG;II.12 为25%PEG. a下胚轴 26O 220 暑lso蜒 曼l4o lo0 CKS%10'A15%2o%25% PEG浓度/% b根系 28O 25O 220 量190耀160 量130 lo0 CK5%lO%15%20%25% PEG浓度 图7磁化等离子体处理对干旱胁迫下番茄幼苗下胚轴和根系SOD活性的影响 事,.I.-Tl,l缸曩腻薯 第1期尹美强等1弧光等离子体与梯度磁场结合处理番茄种子的生物效应 CK5%10*615%20%25% PE0舍量PE0含量/0 ,6 图8磁化等离子体处理对于早胁迫中下胚轴和根系ATP含量的影响 3.5磁化等离子体对幼苗ATP含量的影响 ATP是能量代谢和能荷调节的核心物质,在生 命体的各种代谢过程中起着代谢活动中心的作用. ATP含量增加表明细胞的合成代谢加强.图8为磁 化等离子体处理对干旱胁迫中下胚轴和根系ATP 含量的影响图.经不同浓度的PEG处理的幼苗, ATP含量呈下降趋势.PEG6000浓度在0—15% 时,磁化等离子体处理后的幼苗下胚轴ATP含量低 于对照,当PEG6000浓度?I5%时,处理后下胚轴 ATP含量增加l2.3—141.7%.从PEG浓度?10% 起处理后的根系中ATP含量开始增加,增加幅度 为2.4—73.2%.这表明逆境条件下番茄下胚轴和 根系中能量代谢减弱,磁化等离子体可以通过增强 能量代谢的水平提高抗旱性. 4讨论 实验证明,磁化等离子体利用弧光灯产生的臭 氧,紫外光和光子对空气中氧气和氮气的光致电离 以及梯度磁场共同作用于种子,一方面对种子的生 理活性的改善有积极作用,另一方面可以清除种子 表面的病虫害. 植物根系是活跃的吸收器官和合成器官,根的 生长情况和活力水平直接影响地上部的生长和营养 状况及产量水平.实验发现不同参数的磁化等离子 体能不同程度地提高番茄种子的根系活力.POD对 外界环境的刺激有较高的敏感性,磁场和电场l" 处理种子后,其幼苗期过氧化物酶反应非常敏感,能 有效促进POD活性的增加,本文结果表明POD对磁 化等离子体有较高的敏感性,可作为磁化等离子体 最佳处理参数的选择依据.综合以上两个指标,以 磁场供电电流1.5A的处理效果最佳. SOD和POD是逆境条件下酶促防御系统中的 关键酶,主要功能是通过清除逆境条件诱导产生的 细胞内活性氧自由基,使植物体内的自由基维持在 动态平衡状态,提高植物抗逆性.游离脯氨酸作为 植物体内的渗透调节物质,在逆境条件下大量积累, 降低了细胞的渗透压,提高植物抗性.ATP作为"能 量货币"能够有效促进植物体内的各种代谢反应,从 而提高植物体的活力和对外界的抗性.金新文等研 究发现ATP含量与蔬菜品种的抗热性呈正相关. 在我们的实验中,适当的磁化等离子体处理可增强 番茄幼苗SOD和POD活性,提高游离脯氨酸和ATP 含量,表明这一处理能通过清除细胞内部的自由基, 降低细胞渗透压和促进能量代谢来增强番茄对水分 胁迫的适应性. 低温等离子体生物技术在俄罗斯得到应用较 早,但对机理方面研究很少.我们从其生理机制上 解释了磁化等离子体对种子的综合效应,但因为其 发挥作用的物理因子比较复杂,如空气中不同气体 的电离,臭氧的产生,磁场以及紫外:光等一系列的因 素,这些因子对种子的激活效应以及它们之间的协 作效应都有待进一步探讨. 核聚变与等离子体物理第"26卷 参考文献: [1]Jae—DukMoon.Hwa—ScokChung.Accelerationofgermina— tionoftomatoseedbyapplyingacelectricandmagneticfields 【J】.JournalofElectricandMa$~etieFields,2000,48:103 一 l】4. [2]MasafumiMuraji.TakuyaAsai.WatamTstebe.PrimaryIOOt growthrMeDfZcamaysseedlingsgrownin且nalternating magneticfieldofdifferentfi-equencies[J].Bioelectroche. mistryandBioenergetics.199g,44:271—273. 【3]陈家森,朱晓波.刘万红.一项在农业生产中有应用前 景的技术一电晕放电技术[J].物理,1997,25(11):671 — 674. 【4JJohnCVolin,FervnczSDenes,RaymondAYoung.eta1. 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Thebiologicaleffectofarcdischargeplasmacombinedwith gradualmagneticfieldontomatoseeds YINMei—qiang,MATengcai,HUANGMing-jing2,MABu.zhou2 (1.StateKeyLaboratoryofMaterialModificationbyLaser,IonandElectronBeams,DalianuvcrsityofTechnology,Dalian116023; 2.AridFarmingResearchCenter,ShanxiAcademyofAgriculturalSciences,Taiyuan030031) Abstract:Usingarcdischargeplasmacombinedwithgradualmagneticfieldtotreatseedsisanewplasmabiological technology.Thebiologicaleffectanddroughtresistanceoftomatoseedstreatedwithdifferentplasmaparameterswere compared.Theincreasingofpralinecontentindicatesthatthedroughtresistanceoftomatoseedlingscouldbeincreased duetoreductionofpenetrationpotentialofplantcel1.IncreasedSOD,PODactivity,lOOtactivityandATPcontent8how thatwaterstresscouldbealleviatedbyeliminatingthefreeradicleandincreasingmetabolism. Keywor凼:Magnetizedplasma;Tomato;Droughtresistance