等离子体处理作物种子的应用及机理-plasma

等离子体由气体部分电离或完全电离产生,电场或强紫外辐射使物质外层电子击出,形成具有高位能、高动能的自由电子,自由电子与背景气体发生碰撞,从而产生各种活性物质,其组分包括电子、原子、正负离子、激发态和非激发态气体分子及其他活性粒子。

等离子体在农业中的应用作为一个新兴的研究方向,研究前景十分广阔。种子作为农业生产中最基本的生产资料,推广先进的选种育种技术对我国农业的发展至关重要。本文对等离子体在处理作物种子效应及机理方面的研究进行总结,归纳等离子体对作物种子表皮的影响及作用机理,阐述等离子体对作物种子萌发和幼苗生长的影响及作用机理,为等离子体在育种上的实际应用及后续研究提供参考。

等离子体在种子处理中的应用

等离子体处理作物种子,对种子表皮具有一定的灭菌消毒作用,可降低作物在后续生长中发生病虫害的风险;等离子体还能改变种皮结构,激活种子内部各种酶活性,使种子的生命力增强,促进种子萌发;采用等离子体处理作物种子,刺激幼苗生长的内源物质,能增强植株抗逆性,加速幼苗的生长发育。

等离子体在种子处理中的作用机理

促进种子萌发

等离子体处理过程中空气被电离,产生电子、中性粒子受激原子和离子等活性粒子。当这些粒子不断轰击种子表面时,导致表面化学键断裂、断链、氧化或化学降解,破坏表面形貌,提高了种子的通透性,增强吸涨作用,促进了种子的萌发;经过等离子体处理,促进了萌发中的种子及幼苗中α-淀粉酶、琥珀酸脱氧酶、过氧化物酶和超氧化歧化酶等多种酶活性的提高,使种子呼吸作用增强,生命活力旺盛,生物氧化过程加快,物质的运输和合成能力也加速进行,有效提高了种子活力,促进种子萌发。

促进种子生长

等离子体处理对种子的生长参数具有一定的影响,其与气体作用产生大量的活性物质,包括带电粒子、具有化学活性的亚稳态活性物质和紫外光子,改变了种子的润湿性,降低了种子与土壤和环境固有的胁迫关系,促进幼苗初生代谢产物(蛋白质)的积累;减轻细胞脂质过氧化程度;提高了生物膜透性、过氧化氢酶的活性和种皮通透性;增强抵御外界不良环境的能力,提高幼苗脱水忍耐能力和保水力,有助于幼苗抗旱性的改善,促进种子的生长,使其发芽势、发芽率提高,抗旱力增强,具有一定的推广和使用价值。

杀菌

研究普遍认为,等离子体灭菌消毒与其产生的活性成分相关。病菌的死亡是由于其细胞结构或蛋白质被破坏所导致。活性粒子中的活性氧粒子和活性氮粒子,通过对病菌细胞形态造成损伤、对病菌DNA的氧化以及蛋白质的变性等方式引发病菌死亡。紫外线可使病菌中的DNA分子生成胸腺嘧啶二聚体,进而抑制其生长和繁殖。此外,带电粒子具有很高的电子能量,电荷在病菌细胞壁外侧会积累静电力,当静电力的强度超过细胞外膜拉伸强度时,则会引起病菌细胞壁的破裂,达到杀菌灭毒的效果。