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等離子體由氣體部分電離或完全電離產生,電場或強紫外輻射使物質外層電子擊出,形成具有高位能、高動能的自由電子,自由電子與背景氣體發生碰撞,從而產生各種活性物質,其組分包括電子、原子、正負離子、激發態和非激發態氣體分子及其他活性粒子。

等離子體在農業中的應用作為一個新興的研究方向,研究前景十分廣闊。種子作為農業生產中最基本的生產資料,推廣先進的選種育種技術對我國農業的發展至關重要。本文對等離子體在處理作物種子效應及機理方面的研究進行總結,歸納等離子體對作物種子表皮的影響及作用機理,闡述等離子體對作物種子萌發和幼苗生長的影響及作用機理,為等離子體在育種上的實際應用及后續研究提供參考。

等離子體在種子處理中的應用

等離子體處理作物種子,對種子表皮具有一定的滅菌消毒作用,可降低作物在后續生長中發生病蟲害的風險;等離子體還能改變種皮結構,激活種子內部各種酶活性,使種子的生命力增強,促進種子萌發;采用等離子體處理作物種子,刺激幼苗生長的內源物質,能增強植株抗逆性,加速幼苗的生長發育。

等離子體在種子處理中的作用機理

促進種子萌發

等離子體處理過程中空氣被電離,產生電子、中性粒子受激原子和離子等活性粒子。當這些粒子不斷轟擊種子表面時,導致表面化學鍵斷裂、斷鏈、氧化或化學降解,破壞表面形貌,提高了種子的通透性,增強吸漲作用,促進了種子的萌發;經過等離子體處理,促進了萌發中的種子及幼苗中α-淀粉酶、琥珀酸脫氧酶、過氧化物酶和超氧化歧化酶等多種酶活性的提高,使種子呼吸作用增強,生命活力旺盛,生物氧化過程加快,物質的運輸和合成能力也加速進行,有效提高了種子活力,促進種子萌發。

促進種子生長

等離子體處理對種子的生長參數具有一定的影響,其與氣體作用產生大量的活性物質,包括帶電粒子、具有化學活性的亞穩態活性物質和紫外光子,改變了種子的潤濕性,降低了種子與土壤和環境固有的脅迫關系,促進幼苗初生代謝產物(蛋白質)的積累;減輕細胞脂質過氧化程度;提高了生物膜透性、過氧化氫酶的活性和種皮通透性;增強抵御外界不良環境的能力,提高幼苗脫水忍耐能力和保水力,有助于幼苗抗旱性的改善,促進種子的生長,使其發芽勢、發芽率提高,抗旱力增強,具有一定的推廣和使用價值。

殺菌

研究普遍認為,等離子體滅菌消毒與其產生的活性成分相關。病菌的死亡是由于其細胞結構或蛋白質被破壞所導致。活性粒子中的活性氧粒子和活性氮粒子,通過對病菌細胞形態造成損傷、對病菌DNA的氧化以及蛋白質的變性等方式引發病菌死亡。紫外線可使病菌中的DNA分子生成胸腺嘧啶二聚體,進而抑制其生長和繁殖。此外,帶電粒子具有很高的電子能量,電荷在病菌細胞壁外側會積累靜電力,當靜電力的強度超過細胞外膜拉伸強度時,則會引起病菌細胞壁的破裂,達到殺菌滅毒的效果。