接触辉光放电等离子体对枸杞...萌发的促进作用及其处理工艺_李琬.pdf

第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月辐射研究与辐射工艺学报 J.Radiat.Res.Radiat.PVol.41,No.1February 2023接触辉光放电等 离 子体 对 枸 杞 种 子 萌发的促进 作用 及 其 处 理 工 艺李 琬 龙海涛 许卫兵 薛华丽 曹文强 李昭弟 蒲陆梅（甘肃农业大学理学院 兰州 730000）摘要 为促进枸杞种子的萌发，探究接触辉光放电等离子体（CGDP）对枸杞种子萌发的影响及最佳处理工艺。以枸杞种子为研究对象，考察在不同处理时间、电压及电解质条件下CGDP对枸杞种子萌发的影响。在单因素实验的基础上，以种子发芽率、发芽指数、活力指数为指标，采用响应面优化处理种子工艺，通过种皮形貌观察与接触角测定，初步探讨了CGDP对种皮结构和性质的影响。结果表明：处理种子的最佳条件为处理时间15 min、电压550 V、电解质Na2SO4，种子萌发率最高时为95.56%；处理后种皮变得平整、纹理模糊，种子亲水性增强；幼苗叶片中叶绿素含量提升。分析结果可知，辉光放电等离子体可通过改变种皮结构对枸杞种子的萌发及生长产生促进作用。关键词 辉光放电等离子体，枸杞，种子萌发，叶绿素含量中图分类号 Q691.5DOI:10.11889/j.1000-3436.2022-0103Effects of contact glow discharge plasma on Lycium barbarum seed germination and seed treatment methodologyLI Wan LONG Haitao XU Weibing XUE Huali CAO Wenqiang LI Zhaodi PU Lumei(College of Science,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730000,China)ABSTRACT In order to promote the germination of Lycium barbarum seeds,the Lycium barbarum seeds were treated by contact glow discharge plasma(CGDP),the effects of CGDP on germination were explored under different treatment time,voltages,and electrolyte conditions.The seed treatment process was optimized by response surface optimization design based on seed germination rate and vigor indexes.The effects of CGDP on the structure and properties of the seed coat were preliminarily studied through the detecting changes in the morphology and the contact angle of the seed coat.The results showed that the optimized conditions for seed treatment were 15 min,voltage 550 V,Na2SO4 electrolyte,and the highest seed germination rate was 95.56%.After treatment,the seed coat becomes flat,the texture is blurred,and the hydrophilicity of the seeds is enhanced;the chlorophyll content in the leaves of seedlings increases.Therefore,glow discharge plasma treatment can promote the germination and growth of Lycium barbarum seeds.KEYWORDS Glow discharge plasma,Lycium barbarum,Seed germination,Chlorophyll contentCLC Q691.5基金资助：国家自然科学基金（31860472）资助第一作者：李琬，女，1996年7月出生，2018年于四川师范大学获得学士学位，现为甘肃农业大学硕士研究生，化学专业通信作者：蒲陆梅，博士生导师，E-mail:收稿日期：初稿 2022-10-09；修回 2022-11-18Supported by National Natural Science Foundation of China(31860472)First author:LI Wan(female)was born in July 1996,and obtained her bachelor s degree from Sichuan Normal University in 2018.Now she is a graduate student at Gansu Agricultural University,majoring in chemistryCorresponding author:PU Lumei,doctoral supervisor,E-mail:Received 09 October 2022;accepted 18 November 2022辐 射 研 究 与 辐 射 工 艺 学 报 2023,41:0104010104012枸杞（Lycium barbarum L）别名山枸杞、中宁枸杞、津枸杞、明目子等，为茄科枸杞属落叶灌木，主要分布于我国西北与华北地区，约有80多种。主要功效为滋肾、养肝、润肺等，枸杞种皮结构致密，透水性较差。田间播种和室内预备试验表明，枸杞具有硬实休眠特性，种子吸水困难，萌发率较低1。因此，在种子播种前应该对其先进行处理，以打破休眠状态，提高发芽率。目前，促进枸杞种子萌发的方式主要有机械磨皮、热水浸种、硫酸浸泡。机械磨皮可能会造成种子损伤；酸浸泡与热处理促进种子的萌发效果因品种及处理措施而异，如若处理不当，会导致种子丧失发芽能力。在用硫酸浸泡时，若处理时间过长，H2SO4的强氧化性会使种子碳化，且利用化学药剂还会造成土壤污染2。因此，对种子进行安全且不污染环境的改良处理尤其重要。近年来，等离子体技术在种子播种前处理方面的应用越来越广泛。其处理方式有效地避免了化学试剂对种子的伤害，为减少农药使用量，减轻环境的污染提供了新的解决方案。等离子体，也称为物质的第四态，是一种部分或完全电离的气体，包含热和非热等离子体。热等离子体达到数千开尔文的温度，并出现在太阳、照明、电火花、托卡马克等环境中，因此，不适用于生物应用。非热等离子体，也称为低温或冷等离子体，在接近环境温度下发生，高动能仅存储在电子中3。它的医学应用非常广泛，其中包括消毒、加速血液凝固及改善伤口和感染愈合、牙科应用和癌症治疗4。在过去几年中，非热等离子体在农业和植物生物学中的使用也得到了广泛报道。其中涉及到种子的杀菌、表面特性的修饰、代谢组学途径和酶活性，增强种子萌发和初始生长5。接 触 辉 光 放 电 等 离 子 体（Contact glow discharge plasma，CGDP）是一种新兴的电化学方法。属非热等离子体，与电解液面接触的电极在高压直流电的作用下发生辉光放电，在溶液中产生OH、O3、H2O2、O2、H2O+、OH 等高能活性粒子，从而诱导溶液中物质发生反应。目前，在聚合中应用6、废水处理7、毒素降解8、苜蓿种子萌发9等都有研究，但对于影响枸杞种子萌发的研究还未见报道。本文通过响应面实验设计CGDP不同因素对于枸杞种子发芽率、发芽指数、活力指数的影响，优化CGDP处理枸杞种子的工艺。进而为促进枸杞种子萌发提供一种高效、实用的处理方式。也为CGDP处理促进枸杞种子萌发提供理论依据。1 材料与方法1.1 CGDP实验装置实验装置由直流稳压稳流电源（北京大华无线电仪器厂）组成，该电源可以提供01 000 V电压和01 A电流。接触辉光放电等离子体发生器（自制，示意图见图110），其直径0.5 cm的铂丝为阳极，直径1 cm的石墨棒为阴极，外部设备冷却水装置控制反应温度。为使种子与等离子体活性成分充分接触，电解过程中用DF-101S恒温加热磁力搅拌器（巩义市予华仪器有限责任公司）促使搅拌子不断搅拌。仪器：TU-1901紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；HH-4数显恒温水浴锅（江苏金坛市荣华仪器厂）；JSM-5510LV型扫描电子显微镜；恒温恒湿光照箱；SDC-200S 接触角测量仪。试剂：无水硫酸钠、氯化钠、氯化钾、甲醛，均为分析纯。1.2 方法枸杞种子从市场购买的宁夏枸杞一号枸杞鲜果中分离得到。挑选饱满的枸杞种子，先用75%乙醇溶液浸泡，再使用2%HClO溶液浸泡5 min后用蒸馏水洗净，于室温下晾干备用。1.2.1 CGDP处理单因素实验：在550 V电压、Na2SO4电解质条件下 不 同 处 理 时 间 3 min、6 min、9 min、12 min、15 min、18 min；在15 min、Na2SO4电解质条件下不同电压510 V、530 V、550 V、570 V；550 V电压、处理15 min条件下不同电解质Na2SO4、NaCl、KCl。以研究电压、时间、电解质对枸杞种子萌发的影响。1.2.2 种子萌发采用纸上发芽法对种子进行培养，在 9 cm直径的培养皿中铺入双层滤纸，并用移液管移取3.5 mL图1实验装置示意图Fig.1Schematic diagram of experimental equipment李 琬等：接触辉光放电等离子体对枸杞种子萌发的促进作用及其处理工艺0104013无菌水，每个培养皿中均匀置入30粒处理过的枸杞种子（未经等离子体装置处理的为对照组），用封口膜封闭以防止水分蒸发，置于恒温恒湿光照箱中进行培养（16 h 光照，8 h 黑暗），光照箱光照强度为54 mol/（m2s），温度为25，每天补充无菌水以保证水分充足，设置三组平行实验。1.2.3 萌发状况及数据分析培养7 d，每日记录种子发芽数，萌发以胚芽突破种皮为标准。连续3 d没有新增发芽数为止。记录并计算种子的发芽率，种子发芽率（Gr）以发芽种子数占总种子数百分比表示（MSD）。发芽率（Gr）、发芽指数（Gi）、活力指数（Vi）见式（1）、（2）、（3）。Gr=N7100%/Nts(1)Gi=Ntg/Dt(2)Vi=Gi Lt(3)式中：N7为7 d的发芽数；Ntg为种子t天发芽数；Dt为相应的发芽日数；Nts为供试种子数；Lt为苗长，mm。1.2.4 种皮观察和接触角测定（1）种子经过干燥后，用导电胶带均匀地粘到铜台上，220 V，40 mA的条件下对样品进行喷金，然后用JSM-5510LV型扫描电子显微镜在15 kV的高压下进行观察、拍照。（2）使用SDC-200S接触角测量仪测量枸杞种子使用等离子体处理前后的接触角，利用座滴法进行测量，测量范围为0180，测量精度为0.1，光学系统为自动聚焦（6 mm）6 倍变焦透镜。1.2.5 幼苗长势记录及叶绿素测定随机各取处理组和对照组 10 株被移栽培养30 d的幼苗进行株高和叶片数量测量。使用丙酮提取法11进行叶绿素提取，取移栽培养 30 d 的枸杞幼苗 1 cm2叶片切成细丝放入装有5 mL 80%丙酮溶液的试管中避光至叶片细丝完全变为白色。使用紫外可见分光光度计（TU-1901）在波长645 nm和663 nm