一种提高小麦幼芽抗旱性的种子处理装置及方法与流程

本发明属于农业技术领域，涉及一种提高小麦幼芽抗旱性的种子处理装置及方法，具体地说，涉及一种提高小麦幼芽抗旱性的大气压介质阻挡放电等离子体种子处理装置及方法。

背景技术：

随着全球气候持续变暖，水资源短缺及其在全球时空分布不均造成包括中国在内的80多个国家严重缺水，干旱已经成为世界农业生产的主要限制因素。小麦是我国第二大粮食作物，在农业生产中有举足轻重的地位。陕甘宁一带黄土旱塬是我国重要的小麦产区，增产潜力大，但该地区气候多属半干旱和半湿润易旱类型，干旱缺水是限制该地区小麦产量的主要因素之一。因此，提高该地区小麦抗旱性对小麦增产增收、解决水资源短缺对小麦生产的负面影响具有重要意义。

环境中生物与非生物因素对农作物基因表达具有重要的调节作用。一般情况下，大多数基因处于沉默状态而不表达；通过一定方式的外界刺激激发基因表达，促进作物生长，是提高作物抗旱性能的有效途径。常用的抗旱性调控方法主要有激素调节(脱落酸、赤霉素、细胞分裂素、多胺等)、干旱锻炼、种子浸泡(抗旱剂、营养素等)、施肥、硅施加、外源过氧化氢施加、磁场调控、强电场处理、紫外辐射等。其中，磁场调控和强电场处理因无外源物质的引入而受到广泛关注。然而，电场和磁场均为单一的物理因素，调控处理需要的时间较长，效率低，平均增产幅度约为6％，且处理效果不稳定。因此，新型高效作物抗旱性调控方法的研发十分必要。

等离子体是物质存在的第四种状态，由完全或部分电离的导电气体组成，在其空间内含有丰富的高活性原子、分子、离子和自由基等粒子。以高压不均匀电场引发的气体放电是实验室常用的获得放电等离子体的方法，其过程产生大量高能电子、离子、自由基、分子(臭氧、过氧化氢等)、紫外辐射以及强电场等理化效应。在与材料表面接触时，放电等离子体会将自身能量传递给材料表面的分子和原子，一些活性粒子还会注入到材料表面引起碰撞、激发、重排、异构等，从而改变材料的表面性能。目前，放电等离子体在种子萌发、农作物增产等方面得到了广泛研究。已有的研究主要集中在种子萌发的宏观生物效应及生产应用方面，对等离子体调控是否会引起小麦种子抗旱性的研究较为鲜见。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种提高小麦幼芽抗旱性的种子处理装置及方法，该装置能够促进干旱条件下小麦种子萌发，并促进干旱条件下小麦幼苗生长，放电处理后幼芽的膜脂过氧化水平降低，氧自由基对幼芽伤害减弱，放电处理能够提高幼芽对干旱的抵抗能力。

其具体技术方案为：

一种提高小麦幼芽抗旱性的种子处理装置，包括可调频交流高压电源、反应器和电气参数检测系统。交流高压电源2的峰值电压调节范围0～50kV，频率50～1000Hz可调；高压电极为不锈钢片；石英玻璃片紧贴于高压电极正下方，作为放电介质；金属网为接地电极。交流高压电源2的高压端与反应器1的高压电极相连，其低压端与反应器1的接地电极相连。数字示波器3、电压探头4和电流探头5共同构成电气参数检测系统，检测放电电压和电流信号。实验中，高压电极和接地电极之间的距离可调，小麦种子放置于接地电极上。载气由气瓶8供应，其流量由流量计7控制；载气经过流量计7调控后，从反应器1的入口进入反应系统，然后穿过金属网后排出；排出的尾气采用KI吸收液9吸收，并用臭氧测试仪6检测气相剩余臭氧浓度。

进一步，所述反应器为筛网-板式介质阻挡放电反应器。

一种提高小麦幼芽抗旱性的种子处理方法，包括以下步骤：将介质阻挡放电处理后的种子置于50ml三角瓶中用医用酒精消毒10min，无菌水冲洗3次后浸种催芽；对照组采用无菌水浸种，干旱胁迫组采用聚乙二醇PEG-6000溶液浸种；用吸水纸吸去种子表面水分，均匀摆放在湿润的培养皿中，培养皿中事先放置经喷洒至湿润但没有液体流动的两片定性滤纸，干旱胁迫组喷洒PEG-6000溶液，对照组喷洒无菌水，每个培养皿50粒种子，加10ml蒸馏水或溶液；将培养皿标号后置于20℃恒温恒湿光照培养箱中让种子自然萌发，正常对照组每天浇以适量无菌水，干旱胁迫组每天喷洒PEG-6000溶液以保持发芽床湿润；每天记录发芽的颗数，培养四天，第四天从每盘中随机取出15颗种子，测量根长、芽长、鲜重、干重等，并计算发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明能够促进干旱条件下小麦种子萌发，并促进干旱条件下小麦幼苗生长，放电处理后幼芽的膜脂过氧化水平降低，氧自由基对幼芽伤害减弱，放电处理能够提高幼芽对干旱的抵抗能力。放电处理后小麦发芽势和发芽率分别增长了24.0％和8.8％；而对于20％PEG干旱胁迫组，放电处理后小麦发芽势和发芽率分别增长了107.6％和33.4％。放电处理后小麦根长和芽长分别增长了11.8％和4.7％；而对于15％PEG干旱胁迫组，放电处理后小麦根长和芽长分别增长了33.7％和84.1％。放电等离子体处理后幼芽O₂·^-含量均有所降低。这说明放电处理后过氧自由基对幼芽伤害减弱，放电处理能够提高幼芽对干旱的抵抗能力。

附图说明

图1为本发明提高小麦幼芽抗旱性的种子处理装置的结构示意图；

图2为反应器的结构示意图；

图3为放电处理前后小麦种皮结构变化，其中，a和c:处理前；b和d:处理后；d中箭头指示裂痕。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

本发明采用气相介质阻挡放电等离子体系统(如图1)。主要由可调频交流高压电源、反应器和电气参数检测系统组成。可调频交流高压电源的峰值电压调节范围0～50kV，频率50～1000Hz。本研究采用的反应器为筛网-板式介质阻挡放电反应器(如图2)，反应器器壁10为有机玻璃管，高压电极11是厚为2mm的不锈钢片，采用云母片或石英玻璃片12作为放电介质，接地电极13是致密不锈钢金属网，待处理种子填充在接地电极13上。处理时，先将一定量的小麦种子单层平铺于接地电极13上，然后打开高压电源开始放电，实现大气压条件下空气等离子体对种子的处理。实验过程中，气体从介质阻挡放电反应器入口14进入，穿过金属网后从出口15排出。通过调控等离子体运行条件可以控制种子的处理强度。电气参数检测系统包括电压探头、电流探头和示波器。电压探头和电流探头用以采集放电系统中的电压、电流信号，由示波器显示并记录相应的电压、电流参数及波形。臭氧测试仪用于检测尾气中臭氧浓度。

将介质阻挡放电处理后的种子置于50ml三角瓶中用医用酒精消毒10min，无菌水冲洗3次后浸种催芽；对照组采用无菌水浸种，干旱胁迫组采用聚乙二醇PEG-6000溶液浸种。用吸水纸吸去种子表面水分，均匀摆放在湿润的培养皿中(培养皿中事先放置经喷洒至湿润但没有液体流动的两片定性滤纸，干旱胁迫组喷洒PEG-6000溶液，对照组喷洒无菌水)，每个培养皿50粒种子，加10ml蒸馏水或溶液。将培养皿标号后置于20℃恒温恒湿光照培养箱中让种子自然萌发，正常对照组每天浇以适量无菌水，干旱胁迫组每天喷洒PEG-6000溶液以保持发芽床湿润。每天记录发芽的颗数，培养四天，第四天从每盘中随机取出15颗种子，测量根长、芽长、鲜重、干重等，并计算发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数。

(1)以未经放电等离子体处理组为对照组。在放电电压13.0kV，放电处理时间4min的条件下，不同PEG浓度对小麦种子萌发的影响如表1所示。实验结果表明，随着干旱强度的增加，对照组和放电处理组小麦种子发芽势和发芽率均不断降低；此外，与对照组相比，经过放电等离子体处理后各组小麦种子发芽势和发芽率均显著提高。干旱胁迫组经过放电等离子体处理后，发芽势和发芽率的增长率大于无干旱胁迫组；对于无干旱胁迫组，与对照相比，放电处理后小麦发芽势和发芽率分别增长了24.0％和8.8％；而对于20％PEG干旱胁迫组，放电处理后小麦发芽势和发芽率分别增长了107.6％和33.4％。这说明放电等离子体处理能够促进干旱条件下小麦种子萌发。

表1.不同PEG剂量下小麦种子的发芽率(％)

与对照组相比差异显著性*p<0.05，**p<0.01

(2)在放电电压13.0kV，放电处理时间4min的条件下，不同PEG浓度对小麦种子萌发的根长和芽长的影响如表2所示。实验结果表明，随着干旱强度的增加，对照组和放电处理组小麦种子根长和芽长均不断降低；此外，与对照组相比，经过放电等离子体处理后各组小麦种子根长和芽长均显著提高。干旱胁迫组经过放电等离子体处理后，根长和芽长的增长率大于无干旱胁迫组；对于无干旱胁迫组，与对照相比，放电处理后小麦根长和芽长分别增长了11.8％和4.7％；而对于15％PEG干旱胁迫组，放电处理后小麦根长和芽长分别增长了33.7％和84.1％。这说明放电等离子体处理能够促进干旱条件下小麦幼苗生长。

表2.不同PEG剂量下小麦萌发的根长和芽长

与对照组相比差异显著性*p<0.05，**p<0.01

(3)在放电电压13.0kV，放电处理时间4min的条件下，考察了不同干旱强度(0％，5％，10％，15％和20％PEG添加)对小麦种子幼芽MDA的影响，如表3所示，实验中以未放电处理组为对照组。实验结果表明，对照组和放电处理组小麦幼芽MDA含量均随PEG剂量增加而显著增加，说明干旱强度增加了对膜的伤害。此外，与各对照组相比，放电等离子体处理后幼芽MDA含量均有所降低。这说明放电处理后幼芽的膜脂过氧化水平降低，氧自由基对幼芽伤害减弱，放电处理能够提高幼芽对干旱的抵抗能力。

表3.不同干旱强度条件下放电处理前后小麦幼芽MDA的变化(1d)

*表示与未放电处理组相比，差异显著性p<0.05(0％：p＝0.029；5％：p＝0.016；10％：p＝0.013；15％：p＝0.023；20％：p＝0.016)

(4)在放电电压13.0kV，放电处理时间4min的条件下，考察了不同干旱强度(0％，5％，10％，15％和20％PEG添加)对小麦种子幼芽O₂·^-的影响，如表4所示，实验中以未放电处理组为对照组。实验结果表明，对照组和放电处理组小麦幼芽O₂·^-含量均随PEG剂量增加而显著增加，说明干旱强度增加了幼芽体内过氧自由基离子的合成。此外，与各对照组相比，放电等离子体处理后幼芽O₂·^-含量均有所降低。这说明放电处理后过氧自由基对幼芽伤害减弱，放电处理能够提高幼芽对干旱的抵抗能力。

表4.不同干旱强度条件下放电处理前后小麦幼芽O₂·^-的变化(1d)

*表示与未放电处理组相比，差异显著性p<0.05(0％：p＝0.031；5％：p＝0.047；10％：p＝0.034；15％：p＝0.027；20％：p<0.01)

(5)放电等离子体处理前后小麦种皮结构的SEM照片如图3所示，其中放电处理电压为11kV。从图中可以看出，未经放电等离子体处理的小麦种皮呈现多个边缘轮廓清晰的矩形小区域(图3a)；而经过放电等离子体处理后这些矩形小区域变得较为柔和，其边缘轮廓模糊且难以辨别(图3b)。此外，经过放电等离子体处理后小麦种皮表面局部出现裂痕，如图3d中箭头所指。这说明小麦种皮结构被放电等离子体活性物质氧化，局部因活性物质攻击而被刻蚀，这可能促进小麦种子吸水，进而促进萌发。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。