（東北農(nóng)業(yè)大學園藝學院，黑龍江哈爾濱 150030）

磁場對結球甘藍種子萌發(fā)的影響及機理研究

崔路路 于海霞 李景富 姜景彬 許向陽*

（東北農(nóng)業(yè)大學園藝學院，黑龍江哈爾濱 150030）

以結球甘藍種子為試材，采用正交試驗和均勻試驗方法，研究了磁場強度、作用時間及處理前種子浸泡時間對各發(fā)芽指標的影響以及各影響因素的主次順序，并對磁場參數(shù)中磁場強度和作用時間進行大范圍篩選，更進一步從可溶性蛋白含量、丙二醛含量、抗氧化酶活性等方面探討磁場處理提高種子活力的作用機理。結果表明：適宜的磁場處理可以促進種子萌發(fā)，提高種子活力，以20 ℃蒸餾水浸泡8 h后1 000～3 500 GS磁場處理1～6 min為宜，但長時間、大強度磁場處理反而抑制種子萌發(fā)；磁場強度為種子萌發(fā)的主要影響因子，作用時間和浸泡時間的主次順序因發(fā)芽指標的不同而不同；與對照相比，磁場處理的種子萌發(fā)期間可溶性蛋白含量降低或升高的速率、MDA含量下降的幅度和速率、3種抗氧化酶活性上升的速率均加快，從而提高種子活力。

結球甘藍；磁場；種子；萌發(fā)

種子成熟后其內(nèi)部會發(fā)生一種不可抗拒且導致其活力下降的自然變化，這種現(xiàn)象的綜合效應稱為劣變或者老化（傅家瑞，1985）。老化致使種子活力越來越低，從而給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不同程度的損失。因此，通過相應方法或手段提高種子活力的研究日益引起重視，利用磁場處理提高種子活力的研究也漸漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開發(fā)中一個重要領域。多數(shù)研究表明，無論是經(jīng)濟作物還是大田作物，適宜強度（糧食作物1 500～2 000 GS，瓜類作物200～4 000 GS）磁場處理可以提高種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率，促進幼苗生長（高明英和賀少云，1992；Xi et al.，1994；弭曉菊 等，1999；Souza et al.，1999；劉新成和李秋禎，2000；夏麗華 等，2000；于海秋 等，2001；Piacentini et al.，2001），但其作用機理尚未明確。影響磁場處理效果的因素主要有2個：磁場參數(shù)（磁場類型、大小、作用時間、均勻度等）和種子特性（種子類型、種皮厚度、含水量等），各因子之間又存在交互作用，因此綜合研究以及對最佳參數(shù)的篩選變得非常重要。

本試驗采用穩(wěn)恒磁場設備對結球甘藍（Brassica oleracea L. var. capitata L.）種子進行處理，測定在磁場作用下種子萌發(fā)的各項指標，對比分析了影響因子中磁場強度、作用時間、種子浸泡時間的主次順序及最佳處理方式，并以各發(fā)芽指標為依據(jù)篩選適宜的磁場處理參數(shù)組合，進一步研究磁場處理對種子萌發(fā)期間生理指標的影響，以期為復蘇陳種子提供技術參數(shù)和理論依據(jù)，并為探討磁場處理提高種子活力的作用機理奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試種子為2010年2月生產(chǎn)的結球甘藍晚豐的種子，種子含水量≤8%，千粒重（3.03±0.01）g，由河北邢臺華豐種子有限公司提供。

試驗所用磁場發(fā)生設備主要包括磁場發(fā)生裝置（鐵芯線圈）、測量裝置（高斯儀）、電路控制裝置，可控磁場范圍0 ～5 000 GS，由東北農(nóng)業(yè)大學電氣與信息學院制作提供。

1.2 試驗方法

試驗于2013年4月在東北農(nóng)業(yè)大學園藝學院進行。首先采用水漂法選取顆粒飽滿、色澤均勻、外表無開裂的種子，然后用10%次氯酸鈉進行表面消毒10 min，之后用蒸餾水沖洗數(shù)次，室溫風干備用。

預備試驗結果表明，磁場處理對結球甘藍干種子影響甚微，甚至種子活力有下降的趨勢；而對濕種子則整體效果較好。故以下試驗皆先浸泡種子，然后再進行磁場處理。

1.2.1 正交試驗 按照L9（34）正交試驗設計，取因素A磁場強度（A1、A2、A3分別為1 000、2 000、3 000 GS）、因素B作用時間（B1、B2、B3分別為1、2、3 min）、因素C處理前種子浸泡時間（C1、C2、C3分別為4、8、12 h）3因素3水平組合處理，其中浸泡條件為20 ℃蒸餾水。根據(jù)國家標準GB5520-85（糧食、油料檢驗 種子發(fā)芽試驗）進行發(fā)芽試驗，以不經(jīng)浸泡和磁場處理的種子為對照，每處理100粒種子，3次重復。

每天統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)（以胚根長度大于種子直徑計），第5天統(tǒng)計發(fā)芽勢，第7天統(tǒng)計發(fā)芽率并測定幼苗胚根長度（每處理隨機選取20株）；計算發(fā)芽指數(shù)（GI）和活力指數(shù)（VI）。

式中：N為種子總數(shù)；G1、G2分別為第5、第7天的發(fā)芽種子數(shù)；Gt為在t時間內(nèi)的發(fā)芽種子數(shù)，Dt為相應的發(fā)芽天數(shù)；S為幼苗胚根長度（mm）。1.2.2 磁場強度和作用時間參數(shù)篩選 按照U*10（108）均勻試驗設計，選擇磁場強度和作用時間2個因素，每個因素取10個水平（表1）。對照除不進行磁場處理外，其余條件均與處理相同。種子發(fā)芽試驗及發(fā)芽指標的測定同1.2.1。

表1 U*10（108）處理方案

1.2.3 磁場處理對種子萌發(fā)期間生理指標的影響選取種子活力指數(shù)最高的磁場處理組合再次進行發(fā)芽試驗，從第1天開始至第7天每天測定各生理指標。超氧化物歧化酶（SOD）活性采用生物試劑盒（南京建成生物工程研究所）進行測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法進行測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法進行測定（李合生，2000；張治安 等，2004）；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法進行測定（郝建軍，2007）；可溶性蛋白含量采用G-250考馬斯亮藍法進行測定（李合生，2000）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003、SPSS 16.0及回歸分析、方差分析軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果

由表2可知，不同磁場處理對結球甘藍種子各發(fā)芽指標的影響程度不同，大多數(shù)處理都能不同程度的提高種子發(fā)芽指標，其中T3處理的發(fā)芽勢最高，比對照提高了45.09%；T8處理的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)最高，分別比對照提高了40.42%和45.65%；T9處理的活力指數(shù)最大，比對照提高了46.68%。但個別處理不僅沒有提高種子的發(fā)芽指標，反而出現(xiàn)降低現(xiàn)象，如T7處理的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)，T4、T5處理的活力指數(shù)。綜合各指標提高幅度，磁場處理最佳效果組合為T9，即磁場強度3 000 GS、作用時間3 min、處理前種子浸泡8 h。

對磁場處理效果進行直觀分析（表3），磁場強度、作用時間、浸泡時間3個因素對4個發(fā)芽指標的影響程度不同，主次順序差異主要為浸泡時間和作用時間，各發(fā)芽指標中磁場強度均為主要影響因子。不同發(fā)芽指標的最佳組合方案也有所不同，磁場強度除發(fā)芽率為A3（3 000 GS）外，其余均為A1（1 000 GS）最佳；處理時間均為B3（3 min）最佳；浸泡時間發(fā)芽勢、發(fā)芽率為C1（4 h）最佳，發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)為C2（8 h）最佳。直觀分析所得最佳組合與試驗結果不同，經(jīng)進一步驗證，其活力指數(shù)為493.12，高于T9處理。

表2 正交試驗結果

表3 直觀分析結果

為了進一步研究各因素對結球甘藍種子發(fā)芽指標的影響程度，對上述試驗結果進行方差分析。從表4可以看出，除磁場強度對種子活力指數(shù)產(chǎn)生的影響達顯著水平外，磁場強度、作用時間、浸泡時間對各發(fā)芽指標均未產(chǎn)生顯著影響；且各因素對同一指標的影響程度不同，發(fā)芽勢和活力指數(shù)各影響因素的主次順序與直觀分析法所得結果相同?？傮w來看，磁場強度對各發(fā)芽指標的影響最大，作用時間次之（除發(fā)芽指數(shù)外）。

表4 方差分析結果

2.2 對磁場強度和作用時間參數(shù)的篩選

從表5可以看出，結球甘藍種子經(jīng)過一定時間磁場處理之后，大多數(shù)處理的發(fā)芽指標都高于對照，但提高幅度有差異。有些處理提高幅度較大，如M1處理（500 GS×7 min）的發(fā)芽勢比對照提高了60.36%；但有些處理反而降低了發(fā)芽指標，如M9處理（4 500 GS×8 min），說明適宜的磁場強度和作用時間參數(shù)組合才能提高種子活力。

表5 均勻設計試驗結果

以磁場強度、作用時間為自變量，以各發(fā)芽指標為因變量，進行回歸分析。

發(fā)芽勢回歸方程為：

式中：X1表示磁場強度，X2表示作用時間，下同；回歸系數(shù)R2=0.918 0**，F(xiàn)值=11.196。方程最大值Y=37.629 0，即最大發(fā)芽勢為37.63%，此時X1=3 480.54、X2=1.093 2，比對照提高了20.68%。

發(fā)芽率回歸方程為：

其中R2=0.913 0*，F(xiàn)值=10.488。方程最大值Y=41.721 98，即最大發(fā)芽勢為41.72%，此時X1= 3 122.85、X2=1.572 7，比對照提高了21.84%。

發(fā)芽指數(shù)回歸方程為：

其中R2=0.873 5*，F(xiàn)值=6.905。方程最大值Y=55.586 579，即最大發(fā)芽指數(shù)為55.59，此時X1= 1 882.7、X2=5.74，比對照提高了132.98%。

活力指數(shù)回歸方程為：

其中R2=0.929 3**，F(xiàn)值=13.138。方程最大值Y=550.462，即最大活力指數(shù)為550.46，此時X1= 2 216.21、X2=5.825，比對照提高了65.49%。

由以上方程可以看出，發(fā)芽勢和活力指數(shù)的回歸系數(shù)達到極顯著水平；發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)的回歸系數(shù)達到顯著水平。這說明在一定磁場強度和作用時間的組合下，結球甘藍種子活力提高。綜合來看，結球甘藍種子在20 ℃蒸餾水中浸泡8 h后經(jīng)1 000～3 500 GS磁場處理1～6 min，可以提高種子的各項發(fā)芽指標。但是，隨著磁場處理強度增加，處理時間需相應的減少，長時間、高強度磁場處理反而會導致種子活力下降。

2.3 種子萌發(fā)期間生理指標的變化

選取正交試驗中種子活力指數(shù)最高的組合（磁場強度1 000 GS、作用時間3 min、處理前種子浸泡8 h），再次進行發(fā)芽試驗，測定結球甘藍種子萌發(fā)期間生理指標的變化，從生理角度探討種子活力提高的作用機理。

2.3.1 可溶性蛋白含量的變化 蛋白質是種子主要成分之一，可溶性蛋白含量的高低反映細胞內(nèi)代謝強度和酶活性。磁場處理與未經(jīng)磁場處理的種子萌發(fā)期間可溶性蛋白含量變化曲線如圖1所示，磁場處理與對照可溶性蛋白含量的變化趨勢基本一致，均隨著種子萌發(fā)天數(shù)的增加呈先下降后升高的變化趨勢；但是，種子萌發(fā)1～5 d時磁場處理比對照可溶性蛋白含量下降速度快，5 d后磁場處理的可溶性蛋白含量比對照提高的速度也快。原因可能是種子萌發(fā)其內(nèi)部貯藏蛋白分解為氨基酸，這些氨基酸再合成新的蛋白，磁場處理加快了種子內(nèi)部代謝速率和貯藏物質利用，以及新蛋白合成速率。

圖1 結球甘藍種子萌發(fā)期間可溶性蛋白含量變化曲線

2.3.2 丙二醛（MDA）含量的變化 丙二醛是膜脂過氧化的終產(chǎn)物。由圖2可知，種子萌發(fā)前期磁場處理和對照的MDA含量均呈降低趨勢，且磁場處理的下降幅度和速率均高于對照；種子萌發(fā)6 d后磁場處理和對照的MDA含量均有所上升。原因可能是種子萌發(fā)內(nèi)部某些保護酶或自身恢復和修復機制啟動，降低了膜脂過氧化程度，而后期由于營養(yǎng)不足等導致其含量上升，磁場處理提高了酶活性和修復速度，從而使其速率加快。

圖2 結球甘藍種子萌發(fā)期間丙二醛含量變化曲線

2.3.3 抗氧化酶活性的變化 種子劣變老化過程中，膜脂過氧化產(chǎn)生大量自由基，細胞內(nèi)部修復系統(tǒng)啟動，自由基清除酶類（SOD、CAT、POD等）發(fā)揮作用，這些酶的活性直接影響老化種子自身的膜結構和膜組分，間接影響種子活力。由圖3、圖4、圖5可知，總體來看種子萌發(fā)期間磁場處理和對照的3種抗氧化酶活性均呈上升趨勢，但磁場處理的上升速率均高于對照?？赡苁怯捎诜N子萌發(fā)體內(nèi)保護性酶類逐漸被激活，磁場處理提高了這些酶的活性，從而提高種子活力。

圖3 結球甘藍種子萌發(fā)期間POD活性變化曲線

圖4 結球甘藍種子萌發(fā)期間SOD活性變化曲線

圖5 結球甘藍種子萌發(fā)期間CAT活性變化曲線

3 結論與討論

種子，從宏觀方面來講是農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中最基本的生產(chǎn)資料之一，從微觀方面來講它是植物個體發(fā)育中的一個階段（傅家瑞，1985），是一個生命有機體，隨著生長發(fā)育到生理成熟，其活力達到最大，而后逐漸下降，直至消失。因此，保持和提高種子活力是非常有意義的，而其中一個重要的環(huán)節(jié)就是播種前處理，應用也較為廣泛。但是由于處理方法、時間、溫度、種子特性等因素的不同，不可能將一種方法單一籠統(tǒng)的應用于所有的種子。本試驗結果證實，播種前利用磁場刺激結球甘藍種子能在一定程度上提高其活力，但應用此方法前應進行預試驗，篩選出適宜的參數(shù)條件。本試驗經(jīng)大范圍參數(shù)篩選表明，結球甘藍種子用20 ℃蒸餾水浸泡8 h后再以1 000～3 500 GS磁場處理1～6 min，可以明顯提高種子的各項發(fā)芽指標。

由于涉及到許多物質和生物的微觀過程、生理生化反應以及磁場效應等方面的一系列問題，目前磁場處理提高種子活力及萌發(fā)效果的作用機理尚無明確結論。研究者們從不同角度對這一問題提出各種假說（高和平 等，2004；包金花和云興福，2010）。預備試驗中用相同磁場處理干、濕兩種狀態(tài)的結球甘藍種子，結果發(fā)現(xiàn)磁場處理對干種子的影響甚微，甚至種子活力有下降的趨勢，而濕種子則整體處理效果較好。水是生物體內(nèi)生化反應的重要介質，并且水本身也具有一定分子團結構，其總是處于一種締合和解締成大小分子團的平衡中，適當磁場處理極可能打破這種平衡，水分子結構發(fā)生變化，從而容易進入細胞，成為細胞“興奮”的基礎，為代謝提供足夠的水分（徐安起 等，1998；劉亞麗 等，2002；智慧 等，2005）。同時，磁場處理又活化水分子進而催化生物大分子，特別是水解酶和氧化還原酶活性增強，從而表現(xiàn)出代謝反應加快，提高植物的抗逆性（陳懷軍，2008；Ruzic et al.，2009）。還有研究表明，磁場處理還可提高生物體內(nèi)某些生化有機物質如有機酸、激素、核酸的含量，有助于提高植物體抵抗外界不良環(huán)境的能力（盧升高和愈勁炎，1990；徐安起 等，1998）。本試驗初步證實，磁場處理可以提高種子內(nèi)部的代謝程度和貯藏物質的利用，同時增強酶活性、提高植株抗逆性；不過在其他生理生化和超微結構方面，例如抗氧化酶促其他酶及蛋白酶活性，生長激素變化，DNA及RNA含量，蛋白同工酶，細胞膜、細胞器和染色體的影響等分子水平和轉錄水平均有待于進一步研究，從多個層次探討磁場處理提高種子活力的作用機理。

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Effect of Magnetic Field on Brassica oleracea L. var. capitata L. Seed Germination and Studies on Its Mechanism

CUI Lu-lu，YU Hai-xia，LI Jing-fu，JIANG Jing-bin，XU Xiang-yang*

（College of Horticulture，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，Heilongjiang，China）

Taking Brassica oleracea L. var. capitata L. seed as experimental material，the effect of magnetic field intensity，and magnetic acting time and seed soaking time before treatment on seed germination index and primary and secondary relations between all factors were studied by orthogonal test and uniform test method．Then the large scale screening of magnetic field intensity and magnetic acting time were carried out to further investigate the mechanism of using magnetic field treatment to improve seed vigor from the view points of soluble protein content，malondialdehyde content，and antioxidant enzyme activity．The results indicated that suitable magnetic field treatment could promote seed germination and improve seed vigor．Magnetic field intensity was the main factor affecting seed germination．The primary and secondary order of action time and soaking time were varied with different germination indexes. Seed germination was inhibited by too high magnetic field intensity for a long time. Soaking seed in 20 ℃ distilled water for 8 hours，1-6 minutes was appropriate treatment by 1 000-3 500 GS magnetic field．After magnetic field treatment，the soluble sugar and protein contents were increased，MDA content decreased，and enzyme activities of antioxidant system were increased，thus the seed germination effect was improved．

Brassica oleracea L. var. capitata L.；Magnetic field；Seed；Germination

崔路路，男，碩士研究生，專業(yè)方向：蔬菜遺傳育種，E-mail：neaucui@163.com

*通訊作者（Corresponding author）：許向陽，男，研究員，博士生導師，專業(yè)方向：蔬菜遺傳育種與生物技術，E-mail：xxy709@126.com

2013-11-04；接受日期：2014-01-09

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系專項（CARS-25），哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項（2011RFXXN031）