本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高小麥幼芽抗旱性的種子處理裝置及方法，具體地說，涉及一種提高小麥幼芽抗旱性的大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體種子處理裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著全球氣候持續(xù)變暖，水資源短缺及其在全球時(shí)空分布不均造成包括中國在內(nèi)的80多個(gè)國家嚴(yán)重缺水，干旱已經(jīng)成為世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素。小麥?zhǔn)俏覈诙蠹Z食作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有舉足輕重的地位。陜甘寧一帶黃土旱塬是我國重要的小麥產(chǎn)區(qū)，增產(chǎn)潛力大，但該地區(qū)氣候多屬半干旱和半濕潤易旱類型，干旱缺水是限制該地區(qū)小麥產(chǎn)量的主要因素之一。因此，提高該地區(qū)小麥抗旱性對(duì)小麥增產(chǎn)增收、解決水資源短缺對(duì)小麥生產(chǎn)的負(fù)面影響具有重要意義。

環(huán)境中生物與非生物因素對(duì)農(nóng)作物基因表達(dá)具有重要的調(diào)節(jié)作用。一般情況下，大多數(shù)基因處于沉默狀態(tài)而不表達(dá)；通過一定方式的外界刺激激發(fā)基因表達(dá)，促進(jìn)作物生長，是提高作物抗旱性能的有效途徑。常用的抗旱性調(diào)控方法主要有激素調(diào)節(jié)(脫落酸、赤霉素、細(xì)胞分裂素、多胺等)、干旱鍛煉、種子浸泡(抗旱劑、營養(yǎng)素等)、施肥、硅施加、外源過氧化氫施加、磁場調(diào)控、強(qiáng)電場處理、紫外輻射等。其中，磁場調(diào)控和強(qiáng)電場處理因無外源物質(zhì)的引入而受到廣泛關(guān)注。然而，電場和磁場均為單一的物理因素，調(diào)控處理需要的時(shí)間較長，效率低，平均增產(chǎn)幅度約為6％，且處理效果不穩(wěn)定。因此，新型高效作物抗旱性調(diào)控方法的研發(fā)十分必要。

等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，由完全或部分電離的導(dǎo)電氣體組成，在其空間內(nèi)含有豐富的高活性原子、分子、離子和自由基等粒子。以高壓不均勻電場引發(fā)的氣體放電是實(shí)驗(yàn)室常用的獲得放電等離子體的方法，其過程產(chǎn)生大量高能電子、離子、自由基、分子(臭氧、過氧化氫等)、紫外輻射以及強(qiáng)電場等理化效應(yīng)。在與材料表面接觸時(shí)，放電等離子體會(huì)將自身能量傳遞給材料表面的分子和原子，一些活性粒子還會(huì)注入到材料表面引起碰撞、激發(fā)、重排、異構(gòu)等，從而改變材料的表面性能。目前，放電等離子體在種子萌發(fā)、農(nóng)作物增產(chǎn)等方面得到了廣泛研究。已有的研究主要集中在種子萌發(fā)的宏觀生物效應(yīng)及生產(chǎn)應(yīng)用方面，對(duì)等離子體調(diào)控是否會(huì)引起小麥種子抗旱性的研究較為鮮見。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)存在的缺陷，提供一種提高小麥幼芽抗旱性的種子處理裝置及方法，該裝置能夠促進(jìn)干旱條件下小麥種子萌發(fā)，并促進(jìn)干旱條件下小麥幼苗生長，放電處理后幼芽的膜脂過氧化水平降低，氧自由基對(duì)幼芽傷害減弱，放電處理能夠提高幼芽對(duì)干旱的抵抗能力。

其具體技術(shù)方案為：

一種提高小麥幼芽抗旱性的種子處理裝置，包括可調(diào)頻交流高壓電源、反應(yīng)器和電氣參數(shù)檢測系統(tǒng)。交流高壓電源2的峰值電壓調(diào)節(jié)范圍0～50kV，頻率50～1000Hz可調(diào)；高壓電極為不銹鋼片；石英玻璃片緊貼于高壓電極正下方，作為放電介質(zhì)；金屬網(wǎng)為接地電極。交流高壓電源2的高壓端與反應(yīng)器1的高壓電極相連，其低壓端與反應(yīng)器1的接地電極相連。數(shù)字示波器3、電壓探頭4和電流探頭5共同構(gòu)成電氣參數(shù)檢測系統(tǒng)，檢測放電電壓和電流信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，高壓電極和接地電極之間的距離可調(diào)，小麥種子放置于接地電極上。載氣由氣瓶8供應(yīng)，其流量由流量計(jì)7控制；載氣經(jīng)過流量計(jì)7調(diào)控后，從反應(yīng)器1的入口進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)，然后穿過金屬網(wǎng)后排出；排出的尾氣采用KI吸收液9吸收，并用臭氧測試儀6檢測氣相剩余臭氧濃度。

進(jìn)一步，所述反應(yīng)器為篩網(wǎng)-板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器。

一種提高小麥幼芽抗旱性的種子處理方法，包括以下步驟：將介質(zhì)阻擋放電處理后的種子置于50ml三角瓶中用醫(yī)用酒精消毒10min，無菌水沖洗3次后浸種催芽；對(duì)照組采用無菌水浸種，干旱脅迫組采用聚乙二醇PEG-6000溶液浸種；用吸水紙吸去種子表面水分，均勻擺放在濕潤的培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿中事先放置經(jīng)噴灑至濕潤但沒有液體流動(dòng)的兩片定性濾紙，干旱脅迫組噴灑PEG-6000溶液，對(duì)照組噴灑無菌水，每個(gè)培養(yǎng)皿50粒種子，加10ml蒸餾水或溶液；將培養(yǎng)皿標(biāo)號(hào)后置于20℃恒溫恒濕光照培養(yǎng)箱中讓種子自然萌發(fā)，正常對(duì)照組每天澆以適量無菌水，干旱脅迫組每天噴灑PEG-6000溶液以保持發(fā)芽床濕潤；每天記錄發(fā)芽的顆數(shù)，培養(yǎng)四天，第四天從每盤中隨機(jī)取出15顆種子，測量根長、芽長、鮮重、干重等，并計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明能夠促進(jìn)干旱條件下小麥種子萌發(fā)，并促進(jìn)干旱條件下小麥幼苗生長，放電處理后幼芽的膜脂過氧化水平降低，氧自由基對(duì)幼芽傷害減弱，放電處理能夠提高幼芽對(duì)干旱的抵抗能力。放電處理后小麥發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率分別增長了24.0％和8.8％；而對(duì)于20％PEG干旱脅迫組，放電處理后小麥發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率分別增長了107.6％和33.4％。放電處理后小麥根長和芽長分別增長了11.8％和4.7％；而對(duì)于15％PEG干旱脅迫組，放電處理后小麥根長和芽長分別增長了33.7％和84.1％。放電等離子體處理后幼芽O₂·^-含量均有所降低。這說明放電處理后過氧自由基對(duì)幼芽傷害減弱，放電處理能夠提高幼芽對(duì)干旱的抵抗能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提高小麥幼芽抗旱性的種子處理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為放電處理前后小麥種皮結(jié)構(gòu)變化，其中，a和c:處理前；b和d:處理后；d中箭頭指示裂痕。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

本發(fā)明采用氣相介質(zhì)阻擋放電等離子體系統(tǒng)(如圖1)。主要由可調(diào)頻交流高壓電源、反應(yīng)器和電氣參數(shù)檢測系統(tǒng)組成?？烧{(diào)頻交流高壓電源的峰值電壓調(diào)節(jié)范圍0～50kV，頻率50～1000Hz。本研究采用的反應(yīng)器為篩網(wǎng)-板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器(如圖2)，反應(yīng)器器壁10為有機(jī)玻璃管，高壓電極11是厚為2mm的不銹鋼片，采用云母片或石英玻璃片12作為放電介質(zhì)，接地電極13是致密不銹鋼金屬網(wǎng)，待處理種子填充在接地電極13上。處理時(shí)，先將一定量的小麥種子單層平鋪于接地電極13上，然后打開高壓電源開始放電，實(shí)現(xiàn)大氣壓條件下空氣等離子體對(duì)種子的處理。實(shí)驗(yàn)過程中，氣體從介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器入口14進(jìn)入，穿過金屬網(wǎng)后從出口15排出。通過調(diào)控等離子體運(yùn)行條件可以控制種子的處理強(qiáng)度。電氣參數(shù)檢測系統(tǒng)包括電壓探頭、電流探頭和示波器。電壓探頭和電流探頭用以采集放電系統(tǒng)中的電壓、電流信號(hào)，由示波器顯示并記錄相應(yīng)的電壓、電流參數(shù)及波形。臭氧測試儀用于檢測尾氣中臭氧濃度。

將介質(zhì)阻擋放電處理后的種子置于50ml三角瓶中用醫(yī)用酒精消毒10min，無菌水沖洗3次后浸種催芽；對(duì)照組采用無菌水浸種，干旱脅迫組采用聚乙二醇PEG-6000溶液浸種。用吸水紙吸去種子表面水分，均勻擺放在濕潤的培養(yǎng)皿中(培養(yǎng)皿中事先放置經(jīng)噴灑至濕潤但沒有液體流動(dòng)的兩片定性濾紙，干旱脅迫組噴灑PEG-6000溶液，對(duì)照組噴灑無菌水)，每個(gè)培養(yǎng)皿50粒種子，加10ml蒸餾水或溶液。將培養(yǎng)皿標(biāo)號(hào)后置于20℃恒溫恒濕光照培養(yǎng)箱中讓種子自然萌發(fā)，正常對(duì)照組每天澆以適量無菌水，干旱脅迫組每天噴灑PEG-6000溶液以保持發(fā)芽床濕潤。每天記錄發(fā)芽的顆數(shù)，培養(yǎng)四天，第四天從每盤中隨機(jī)取出15顆種子，測量根長、芽長、鮮重、干重等，并計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)。

(1)以未經(jīng)放電等離子體處理組為對(duì)照組。在放電電壓13.0kV，放電處理時(shí)間4min的條件下，不同PEG濃度對(duì)小麥種子萌發(fā)的影響如表1所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著干旱強(qiáng)度的增加，對(duì)照組和放電處理組小麥種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均不斷降低；此外，與對(duì)照組相比，經(jīng)過放電等離子體處理后各組小麥種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均顯著提高。干旱脅迫組經(jīng)過放電等離子體處理后，發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的增長率大于無干旱脅迫組；對(duì)于無干旱脅迫組，與對(duì)照相比，放電處理后小麥發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率分別增長了24.0％和8.8％；而對(duì)于20％PEG干旱脅迫組，放電處理后小麥發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率分別增長了107.6％和33.4％。這說明放電等離子體處理能夠促進(jìn)干旱條件下小麥種子萌發(fā)。

表1.不同PEG劑量下小麥種子的發(fā)芽率(％)

與對(duì)照組相比差異顯著性*p<0.05，**p<0.01

(2)在放電電壓13.0kV，放電處理時(shí)間4min的條件下，不同PEG濃度對(duì)小麥種子萌發(fā)的根長和芽長的影響如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著干旱強(qiáng)度的增加，對(duì)照組和放電處理組小麥種子根長和芽長均不斷降低；此外，與對(duì)照組相比，經(jīng)過放電等離子體處理后各組小麥種子根長和芽長均顯著提高。干旱脅迫組經(jīng)過放電等離子體處理后，根長和芽長的增長率大于無干旱脅迫組；對(duì)于無干旱脅迫組，與對(duì)照相比，放電處理后小麥根長和芽長分別增長了11.8％和4.7％；而對(duì)于15％PEG干旱脅迫組，放電處理后小麥根長和芽長分別增長了33.7％和84.1％。這說明放電等離子體處理能夠促進(jìn)干旱條件下小麥幼苗生長。

表2.不同PEG劑量下小麥萌發(fā)的根長和芽長

與對(duì)照組相比差異顯著性*p<0.05，**p<0.01

(3)在放電電壓13.0kV，放電處理時(shí)間4min的條件下，考察了不同干旱強(qiáng)度(0％，5％，10％，15％和20％PEG添加)對(duì)小麥種子幼芽MDA的影響，如表3所示，實(shí)驗(yàn)中以未放電處理組為對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)照組和放電處理組小麥幼芽MDA含量均隨PEG劑量增加而顯著增加，說明干旱強(qiáng)度增加了對(duì)膜的傷害。此外，與各對(duì)照組相比，放電等離子體處理后幼芽MDA含量均有所降低。這說明放電處理后幼芽的膜脂過氧化水平降低，氧自由基對(duì)幼芽傷害減弱，放電處理能夠提高幼芽對(duì)干旱的抵抗能力。

表3.不同干旱強(qiáng)度條件下放電處理前后小麥幼芽MDA的變化(1d)

*表示與未放電處理組相比，差異顯著性p<0.05(0％：p＝0.029；5％：p＝0.016；10％：p＝0.013；15％：p＝0.023；20％：p＝0.016)

(4)在放電電壓13.0kV，放電處理時(shí)間4min的條件下，考察了不同干旱強(qiáng)度(0％，5％，10％，15％和20％PEG添加)對(duì)小麥種子幼芽O₂·^-的影響，如表4所示，實(shí)驗(yàn)中以未放電處理組為對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)照組和放電處理組小麥幼芽O₂·^-含量均隨PEG劑量增加而顯著增加，說明干旱強(qiáng)度增加了幼芽體內(nèi)過氧自由基離子的合成。此外，與各對(duì)照組相比，放電等離子體處理后幼芽O₂·^-含量均有所降低。這說明放電處理后過氧自由基對(duì)幼芽傷害減弱，放電處理能夠提高幼芽對(duì)干旱的抵抗能力。

表4.不同干旱強(qiáng)度條件下放電處理前后小麥幼芽O₂·^-的變化(1d)

*表示與未放電處理組相比，差異顯著性p<0.05(0％：p＝0.031；5％：p＝0.047；10％：p＝0.034；15％：p＝0.027；20％：p<0.01)

(5)放電等離子體處理前后小麥種皮結(jié)構(gòu)的SEM照片如圖3所示，其中放電處理電壓為11kV。從圖中可以看出，未經(jīng)放電等離子體處理的小麥種皮呈現(xiàn)多個(gè)邊緣輪廓清晰的矩形小區(qū)域(圖3a)；而經(jīng)過放電等離子體處理后這些矩形小區(qū)域變得較為柔和，其邊緣輪廓模糊且難以辨別(圖3b)。此外，經(jīng)過放電等離子體處理后小麥種皮表面局部出現(xiàn)裂痕，如圖3d中箭頭所指。這說明小麥種皮結(jié)構(gòu)被放電等離子體活性物質(zhì)氧化，局部因活性物質(zhì)攻擊而被刻蝕，這可能促進(jìn)小麥種子吸水，進(jìn)而促進(jìn)萌發(fā)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。