全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2015, 50 (4): 527–533, www.chinbullbotany.com
doi: 10.11983/CBB14145
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收稿日期: 2014-08-07; 接受日期: 2014-12-26
基金项目: 江苏省农业科技自主创新基金(No.CX(12)2014)和江苏高校优势学科建设工程(PAPD)
* 通讯作者。E-mail: ybshen@njfu.com.cn
磁处理对种子萌发生物效应研究进展
姚文飞1, 沈永宝2*
1南京林业大学风景园林学院, 南京 210037
2南京林业大学林学院, 南方现代林业协同创新中心, 国家林业局南方林木种子检验中心, 南京 210037
摘要 大量研究证实, 外加磁场和磁化水具有生物学效应, 这种生物学效应往往因处理方式、处理时间和处理对象的不同
而异。磁处理可以促进种子萌发、幼苗生长和根系伸长等。该文针对磁化水和外在磁场及其在种子萌发方面产生的生物效
应的研究现状进行综述, 以磁处理对种子吸水过程、呼吸强度、种子内部生理活性物质及相关代谢酶的影响等方面为切入
点, 结合自由基理论和电位差与信号转导理论, 重点分析磁处理对植物种子萌发的作用机理, 以期促进磁处理在农业领域
的应用和发展。
关键词 外在磁场, 磁化水, 种子萌发
姚文飞, 沈永宝 (2015). 磁处理对种子萌发生物效应研究进展. 植物学报 50, 527–533.
生物磁学(bio-magnetic)是研究物质磁性和磁场
与生物特征和生命活动之间相互联系、相互影响的现
象、本质和规律的边缘学科, 是生物物理学的组成部
分。目前, 生物磁学已在医学、环保、农业及生物工
程等领域得到了广泛应用。在农业科学领域, 磁场
(magnetic field, MF)和磁化水(magnetically treated
water, MTW)的生物学效应已被国内外学者研究证实
(Boe and Salunkhe, 1963; Flores-Tavizón et al.,
2012)。磁处理可以促进种子萌发 (Vashisth and
Nagarajan, 2010; Kubisz et al., 2012)、根系和幼苗
的生长(Pittman, 1963, 1964; Hoseini et al., 2013)。
与化学方法相比, 它是一种相对安全且经济的物理方
法。虽然磁处理的作用具有广泛性和复杂性, 但其生
物效应机制尚不明确。本文重点阐述了磁处理对种子
萌发生物效应的研究现状, 以期为今后磁处理在农业
上的应用和发展提供借鉴与参考。
1 磁处理
1.1 磁场
现代电磁生理和生物技术研究表明, 由于构成生物体
的各种生物组织内部都存在着复杂多样的电磁特性,
生物体完全可以与外在磁场发生相互作用, 这一作用
往往因磁场的类型、强度、均匀性以及作用部位和范
围等而不同。为了研究植物对磁场的感应方式, Gal-
land和Pazur (2005)将其分为4类: 弱静态均匀磁场
(weak static homogeneous magnetic fields)、强均匀
磁场(strong homogeneous magnetic fields)、强非均
匀磁场(strong inhomogeneous magnetic fields)和极
低频磁场(extremely low frequency magnetic fields)。
有关弱静态均匀磁场对植物产生的生物学效应的研
究主要集中于地磁场影响根系生长方向方面(Pitt-
man, 1963, 1964)。根据不同的磁场强度, 可将磁生
物效应分为强磁场效应(B≥0.1 mT)、地磁场效应(0.1
μT在农业领域得以广泛应用的多是10 mT以上的强磁
场。
1.2 磁化水
磁化水在实际生产应用中有多种方式, 利用永久磁铁
或电磁铁的各种组合方式可以产生均匀或不均匀磁
场, 通过改变磁铁数量和水流的压力, 便可诱导产生
不同强度的磁化水(Coey and Cass, 2000)。将水置于
恒定磁场中会改变水的电导率、表面张力和pH值等理
化性质(Fathi et al., 2006)。有些磁化水具体参数值
(如Ca2+含量)的变化, 主要取决于水流处于磁场中的
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528 植物学报 50(4) 2015
时间及水流速度。目前, 对磁化水研究的焦点是磁场
作用于普通水后, 对水理化性质的改变, 以及这一改
变对生物体内与水有关的代谢过程的影响。
2 磁处理对种子萌发的生物效应
2.1 磁场对种子萌发的生物效应
弱静态均匀磁场是影响地球上所有有机体进化演变
的一种重要自然因素(Flores-Tavizón et al., 2012)。
研究表明 , 大麦 (Hordeum vulgare)、燕麦 (Avena
sativa)、黑麦(Secale cereale)和小麦(Triticum aes-
tivum)的颖果与地球磁场相平行种植时, 其种子萌发
速率和幼苗生长速度较垂直于地磁场种植快(Pitt-
man, 1963, 1964)。另有研究表明, 玉米(Zea mays)
和小麦的根系向南伸展时, 其种子发芽率会得到一定
程度的提高(Krylov and Tarakanova, 1960)。
强均匀磁场比弱静态均匀磁场大1–2个数量级,
它对植物体生长和新陈代谢活动的影响较前者要大
得多(Galland and Pazur, 2005)。Maronek (1975)提
出10 mT的电磁场可以部分替代低温层积促进栾树
(Koelreuteria paniculata)种子的萌发。有研究采用
125和250 mT的外在磁场处理水稻(Oryza sativa)、玉
米、撒尔维亚(Salvia officinalis)和金盏花(Calendula
officinalis)等多种植物的种子, 结果表明, 磁场处理
可以提高植物种子的萌发率(Carbonell et al., 2000;
Flórez et al., 2007, 2012)。使用150和200 mT的外在
磁场处理大豆(Glycine max)种子, 60分钟可以促进种
子水分的吸收, 提高种子的萌发速率、幼苗的长度、
鲜重、干重和活力指数(Shine et al., 2011)。国内研
究也证实采用强均匀磁场处理水稻 (田文勋等 ,
1989)、小麦(郑世英和徐建 , 2010)和紫苏 (Perilla
frutescens) (王计平等, 2013)等种子均存在显著的生
物学效应。
国内外将强非均匀磁场用于植物种子萌发方面
的研究报道较少。目前, 它主要用于促进花粉管萌发、
调节胞质运动以及植物各器官的生长速度等(Galland
and Pazur, 2005)。
极低频磁场一般通过电气设备和电线的连接等
产生, 其对植物种子的萌发和生长的影响往往决定于
磁通密度、频率和植物材料的预处理以及实验过程中
的处理方法(Davies, 1996; Phirke et al., 1996)。目前,
对极低频磁场的研究多趋向于其对幼苗和植物根系
生长的促进作用方面。
2.2 磁化水对种子萌发的生物效应
磁场对种子萌发的促进作用已被普遍证实(Moon and
Chung, 2000)。近年来, 关于MTW对种子萌发影响的
研究逐渐增多(Selim and Zayed, 2013; Mahmood
and Usman, 2014)。磁化水对一些植物种子的萌发具
有促进作用。Brachiaria decumbens种子经40 mT磁
场产生的静态磁化水处理后, 种子萌发速率提高了近
10% (Carbonell et al., 2004)。Morejón等(2007)采用
120 mT磁场产生的静态磁化水和动态磁化水(流速为
1.5 m·s–1)处理热带松(Pinus tropicalis)种子, 其发芽
率由43%提高到81%, 用磁化水处理过的种子萌发后
其幼苗生长速度也较对照快。
近年来, 有学者对磁化水提出质疑。邱念伟等
(2011)采用以2 m·s–1流速流经0.5 T磁场所得的磁化
水处理小麦种子, 发现小麦种子的发芽参数、幼苗株
高、根长、地上部和根部鲜重以及叶片的叶绿素含量、
可溶性糖、细胞汁液渗透势等与对照相比均无显著差
异。向日葵(Helianthus annuus)种子经0.55 m·s–1流
速1、3、5次流经150 mT磁场产生的磁化水处理后,
种子萌发和幼苗生长较对照均出现降低趋势(Mat-
wijczuk et al., 2012)。这种负生物学效应的产生可能
与磁化水产生方式以及实验对象的不同有关, 具体原
因还有待进一步研究。
2.3 累积效应和滞后效应
具有一定强度的外在磁场对种子产生生物效应时, 在
一定范围内, 其作用时间越长, 生物效应越显著, 即
表现出累积效应(accumulation effect)。当生物体受到
外界因素刺激产生某种生物效应后, 定义生物体修复
回到正常机能状态所需的时间为生物弛豫时间
(relaxation time, tr)。磁处理作用于生物体所产生的累
积效应与磁处理连续作用时间tx、生物弛豫时间tr及两
相邻作用之间的时间tv有关。当tr>tx且tr>tv时, 生物效
应是完全累积的; 当tr累积或无累积, 其中一部分被生物弛豫减小所抵消。
当生物效应达到一定程度后就不再产生累积。因为当
tr已经完成, 则效应无累积作用; 若在生物弛豫过程进
姚文飞等: 磁处理对种子萌发生物效应研究进展 529
行完之前, 下一个刺激已来临, 则表明效应可部分累
积。磁处理的累积效应表明, 其引起的生物效应存在
滞后现象, 即滞后效应(hysteresis effect)。经过一段
时间磁处理后, 其处理效应显著, 且即使停止磁处理
后, 其效应仍能维持一段时间(习岗和傅志东, 1993;
庞小峰, 2008)。
3 磁处理对种子萌发相关生理过程的
影响
当干燥的活种子吸水时, 种子萌发过程中的一系列事
件被启动, 如呼吸酶和细胞器的活化, RNA和蛋白质
的合成等, 最终导致胚根突出, 并完成萌发。因此,
有关种子萌发的大多数生理生化研究都集中于这些
过程。
3.1 磁处理对种子吸水过程的影响
有研究表明, 磁处理可以加快种子的吸水过程。经
0–10 mT静磁场处理过的莴苣(Lactuca sativa)种子,
吸水速率较未经磁处理的种子明显提高(Reina and
Pascua, 2001; Reina et al., 2001)。磁处理促进种子
吸收水分的原因在于加快了种子的吸水过程, 促进了
原生质由凝胶状向溶胶状态的转变, 使酶活性增强,
并提供充足的水分参与种子内部贮藏有机物质的转
化和可溶性物质的运输过程, 进而促进植物种子萌发
和幼苗生长。
3.2 磁处理对种子呼吸强度的影响
种子萌发是一个非常活跃的生长过程, 需要旺盛的物
质代谢和活跃的物质运输等, 这些都需要种胚强烈的
呼吸作用来保证。目前, 有关磁处理对植物种子呼吸
强度的影响, 主要观点是认为磁场作为一种外界物理
刺激, 增强了多种与呼吸代谢有关的呼吸氧化酶活性
和种子的呼吸作用, 加速了淀粉、脂肪和蛋白质的转
化, 提高了种子活力(赵树仁和高侃, 1980)。另外, 磁
处理加速了种子的吸水过程, 种皮膨胀软化加快, 使
氧气更容易透过种皮, 从而增加了水分和氧气的渗入
量, 为种子的呼吸作用提供了充足的氧气, 加上呼吸
氧化酶活性的增强, 使胚的呼吸作用增强, 进而促进
种子萌发。
3.3 磁处理对种子内部生理活性物质和酶活性的
影响
种子萌发需要大量营养物质和能量, 使用外在磁场或
磁化水处理植物种子, 种子内部的生理活性物质, 如
可溶性蛋白、淀粉和核酸等含量会发生相应的变化。
Hussein等(2012)研究证实, 用50 mT磁场处理小麦
种子0.5小时, 种子萌发第7天时, 蛋白质含量比对照
增加了8%。Pittman和Ormrod (1970)发现小麦种子
在萌发过程中, 经过磁处理的种子中含有更多还原
糖。
磁处理对植物种子内部酶活性的影响一直是研
究的重点。植物种子的萌发和幼苗的生长, 是一系列
酶促反应的体现, 这些酶促反应的速度主要取决于反
应时酶活性的大小。华宏等(2008)用磁场处理马尾松
(Pinus massoniana)种子, 发现过氧化物酶活性较对
照组明显提高。薛毓华等(1989)在早期研究中提出磁
处理对含有Mn、Cu、Zn和Fe等重要金属的酶(如
SOD)和蛋白质等顺磁性原子或离子产生影响(生物
分子的顺磁性与生物大分子含有过渡族金属元素有
关, 其强磁性主要源于d壳层和f壳层未成对的电子。
一般含有过渡族金属的生物大分子具有顺磁性), 从
而改变了这些酶和蛋白质的活性、结构和功能, 进而
影响到这些酶和蛋白质所参与的一系列生理生化反
应(如SOD催化自由基歧化等), 且磁场的直接效应与
磁场作用于水后再处理植物的间接效应作用机制相
似。
Vashisth和Nagarajan (2010)认为用50–200 mT
的外在磁场处理向日葵种子2小时, 种子萌发速度加
快, 其原因在于磁场使种子内部水解酶活性增强。在
对向日葵种子萌发过程中α-淀粉酶、脱氢酶和蛋白酶
活性变化的测定中, 发现磁处理种子中这3种酶的活
性均高于对照。在种子萌发过程中, 3种酶活性都出现
了先升高, 达到最大值后再降低的变化趋势, 且蛋白
酶在种子萌发的一系列生化过程中具有核心作用
(Shewry et al., 1995)。一定强度的外在磁场可以调控
植物体内某些特定酶的活性, 如谷氨酸脱氢酶(GDH)
的活性在6 T的恒定磁场中降低了10%, 而在0.07 T
的非恒定磁场中, 其活性降低了93% (Haberditzl,
1967)。另有研究证实, 强磁场还可以调节过氧化氢

530 植物学报 50(4) 2015
酶、羧基歧化酶(Akoyunoglou, 1964)和鸟氨酸脱羧酶
(Mullins et al., 1999)的活性。
4 磁处理促进种子萌发的调控机制
目前, 磁处理技术已在农林、医学、环保和生物工程
等多方面开展应用和研究, 但有关磁处理对植物种子
和其它生命系统的影响机制还未形成统一的理论, 对
其机理的研究多为体外模型或假说。
4.1 自由基理论
1969年, Fridovich和McCord发现了超氧化物歧化酶
(superoxide dismutase, SOD)及其重要的生物学作
用。这一发现肯定了自由基与机体的密切联系, 是自
由基生物学发展的里程碑。自由基(free radical)是独
立存在的, 具有不成对电子的分子、原子、离子和基
团, 它参与了许多重要的生命活动, 细胞增殖、分化
和基因表达等都与自由基有着密切的联系。关于自由
基, 目前研究较多的是活性氧(reactive oxygen spe-
cies, ROS), 它普遍存在于植物体内, 有超氧阴离子
自由基(·O2–)、过氧化氢(H2O2)、羟基自由基(OH-)、
单线态氧(1O2)、脂氧自由基(RO-)和脂质过氧自由基
(ROO·)等类型, 是细胞需氧代谢的正常产物。研究表
明, ROS在多种生理和病理过程中起重要作用, 一般
认为它在高浓度时具有负作用; 在低浓度时则是有利
的或必需的(EI-Maarouf-Bouteau and Bailly, 2008)。
有实验结果和理论研究证实, 在一些生物体内存
在磁感应接收器(magnetoreception), 它与光致自由
基对(photo-generated radical pairs)的存在有很大关
系。另外, 磁处理可以调节自由基的重组率, 使自由
基浓度增加 , 同时提高细胞组分对自由基的反应
(Walleczek, 1995; Podlešny et al., 2005)。由于线粒
体呼吸链中涉及的一些维甲酸和卟啉可以形成自由
基对, 还有学者指出几百毫特斯拉的外在磁场可以提
高电子传递速率和活性氧的合成(Waliszewski et al.,
1999)。对种子而言, 自由基浓度一定程度的增加会
产生一种改变生物膜脂蛋白双分子层的触发效应, 使
生物膜的透性提高, 加速了水分、氧气和一些微量元
素迅速渗入到种子内部, 促进种子提早萌发。尹美强
等(2006)采用梯度磁场处理芝麻(Sesamum indicum)
种子, 发现种子内部的自由基参与磁场处理种子生物
效应的原发机制。采用835 Gs磁场处理种子时, 其内
部自由基浓度最高, 当超过这一强度时, 其自由基浓
度下降。实验结果表明, 以835 Gs磁场处理48分钟对
种子发芽率和发芽势的提高效果最为显著。
4.2 电位差与信号转导
有研究表明磁处理作用的初始位点是细胞膜, 通过改
变膜表面的电荷分布, 调节受配体结合, 激活信号转
导系统, 影响细胞膜上离子通道的电特性, 最终导致
细胞生命活动的改变(Adey, 1993; Tenuzzo et al.,
2006)。Reina和Pascual (2001)以及Reina等(2001)
认为磁场作用可能是通过改变细胞内Ca2+或跨膜离
子的浓度, 导致细胞渗透压与吸水能力发生变化, 进
而影响植物种子萌发。Ca2+作为植物多种信号转导过
程的第二信使, 可以在无数的环境信号触发下介导细
胞的各种反应(Kostyuk and Lukyanetz, 2006)。在细
胞外和细胞质中都有Ca2+存在, 两者存在一定的浓度
差。当细胞膜受到刺激后, 会使细胞外的Ca2+进入细
胞内部, 从而实现钙信号的传递。Ca2+从胞外流向胞
内主要是通过细胞膜上的钙通道来完成(Grassi et
al., 2004)。在外界刺激下, 细胞内部出现周期性钙峰
的现象为钙振荡, 它是胞质游离钙的一种较为普遍的
运动形式。大部分的实验表明, 当细胞处于外部磁场
中时, 在细胞内会出现钙振荡, 细胞中Ca2+浓度的迅
速增加是磁场作用于细胞之后出现的早期信号之一
(Galland and Pazur, 2005)。细胞内部Ca2+浓度的升
高会激活各细胞的信号途径, 进而引发相应的生理反
应。
5 问题与展望
目前, 磁处理促进植物种子萌发的生物学效应已被人
们普遍接受并在实践中应用, 但仍存在一些问题。(1)
磁处理属于生物磁学范畴, 但磁处理对植物种子萌发
影响的研究又涉及物理学、化学、生物学、作物学和
林学等学科, 需要多学科知识的综合。在实验过程中,
研究者往往由于缺乏部分理学或农学知识而导致多
种问题难以得到综合分析和解决。(2) 基于目前不同
研究者所选用的实验材料和方案的不同, 出现不同的
研究结果是不可避免的, 由于植物材料或实验方法的
不同使得磁处理的相关研究难以得到统一的衡量标
姚文飞等: 磁处理对种子萌发生物效应研究进展 531
准, 同时, 由于缺乏详细的相关动态变化曲线或量效
曲线标准, 使得研究者对研究对象的适用磁场强度界
限难以确定, 也相应地增加了探明植物种子如何对磁
处理做出反应的难度。
磁处理有助于种子萌发已被大量研究证实, 但仍
有部分研究表明, 磁化水存在负生物学效应。这可能
与不同种子类型采用不同的处理方式有关, 也说明磁
处理对种子的生物学效应可能存在一定的阈值, 当超
过这一阈值时即会产生负效应, 其具体原因还有待进
一步研究。同时, 国内外关于磁处理对种子生物效应
作用机理的研究还不够透彻, 有关自由基理论、电位
差和信号转导理论还需多方实验加以证实。另外, 目
前国内外学者多倾向于进行磁处理对具有非休眠特
性植物种子萌发的研究, 在对其深入探究的基础上可
以探讨磁处理是否有助于具有休眠特性种子休眠的
解除。总之, 磁处理的生物学效应是多方面的, 其对
种子萌发的影响是一个极为复杂的过程, 其作用机制
也需进一步研究。
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姚文飞等: 磁处理对种子萌发生物效应研究进展 533
Advances in the Biological Effects of Magnetic Treatment on
Seed Germination
Wenfei Yao1, Yongbao Shen2*
1College of Landscape Architecture, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China
2College of Forestry, Nanjing Forestry University; Co-innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing
Forestry University; Southern Tree Seed Inspection Center National Forestry Administration, Nanjing 210037, China
Abstract Studies have confirmed that the biological effects of magnetic field and magnetically treated water differ with
different magnetic treatment or processing time. Magnetic treatment could increase seed germination, seedling growth
and root elongation, for example. This paper discusses research into the effect of magnetic treatment on seed germina-
tion to promote the application and development of magnetic treatment in agriculture in terms of seed absorbance and
respiration, seeds inside physiologically active substances, and related metabolic enzymes, combined with the free radi-
cal theory and electrical potential difference theory.
Key words external magnetic field, magnetically treated water, seed germination
Yao WF, Shen YB (2015). Advances in the biological effects of magnetic treatment on seed germination. Chin Bull Bot
50, 527–533.
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* Author for correspondence. E-mail: ybshen@njfu.com.cn
(责任编辑: 白羽红)