全 文 ：核 农 学 报 2010，24(3):470 ～ 475
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
文章编号:1000-8551(2010)03-0470-06
磁化等离子体处理大豆种子的生物学效应
尹美强 郭平毅 温银元 王计平 赵 娟
(山西农业大学农学院，山西 太谷 030801)
摘 要:利用不同剂量的磁化等离子体处理晋豆 20 种子，分析被处理种子发芽率、幼苗生长、呼吸与能量
的代谢以及同功酶谱的变化，为探讨磁化等离子体对种子的作用机理提供依据。结果表明，经不同剂量
磁化等离子体处理后，种子的发芽率和幼苗的根长、干重没有显著变化;2. 0 ～ 3. 0A 处理组苗高、鲜重比
对照分别增加 17. 8% ～ 26. 9% 和 12. 70% ～ 17. 08%;2. 0A 处理侧根数比对照显著增加，增幅为
11. 8%。当处理剂量为 2. 5A 时，根系活力提高 60. 9%，叶片和根系的呼吸速率分别提高 43. 68% 和
38. 92%，ATP 含量分别提高 37. 79%和 47. 68%。磁化等离子体处理大豆种子后幼苗同工酶谱没有特
异性条带的产生，但 POD 和酯酶同工酶的活性得到了普遍提高，其中 2. 5A 处理后 POD 活性最高。综
合分析指标表明 2. 5A 的磁化等离子体处理对刺激种子活力、促进种子发芽和幼苗生长效果最佳。
关键词:磁化等离子体;大豆种子;ATP 含量;同工酶
BIOLOGICAL EFFECTS OF MAGNETIZED PLASMA ON SOYBEAN SEEDS
YIN Mei-qiang GUO Ping-yi WEN Yin-yuan WANG Ji-ping ZHAO Juan
(College of Agriculture，Shanxi Agricultural University，Taigu，Shanxi 030081)
Abstract:Soybean Jindou 20 seeds were treated by magnetized plasma with different dose， the seed germination，
growth，respiratory，energy metabolism and isoenzyme patterns of seedlings were investigated. The results showed that
no significant differences in seed germination rate，root length and dry weight of seedlings were detected under all
treatments;however the seedling height and fresh weight increased by 17. 8 ～ 26. 9% and 12. 70% ～ 17. 08% in the
range of 2. 0A ～ 3. 0A treatment intensity;lateral root number increased by 11. 8% significantly (P < 0. 05)under
2. 0A treatment intensity. When the treatment intensity was 2. 5A，the root activity was improved by 60. 9%;the
respiratory rate of leaf and root were increased by 43. 68% and 38. 92%，and the ATP content of leaf and root were
enhanced by 37. 79% and 47. 68%，respectively. Isoenzyme patterns of the peroxidase (POD)and esterase(EST)in
leaf and root had almost no changes，but the POD and EST activity increased obviously after the plasma treatment.
Comparative analysis indicated that 2. 5A was the optimum treatment to stimulate seed vigor，promote seed germination
and seedling growth.
Key words:magnetized plasma;soybean seeds;ATP content;isoenzyme
收稿日期:2009-09-20 接受日期:2009-12-29
基金项目:山西农业大学创新基金 (2006028)，山西农业大学博士启动基金(412559)
作者简介:尹美强(1976-)，女，山西临猗人，博士，副教授，主要从事等离子体生物工程及植物逆境生理学方面的研究。E-mail:yinmq999 @
163. com
通讯作者:郭平毅(1956-)，男，山西寿阳人，博士，教授、博士生导师，主要从事植物生理及化学调控方面的研究。E-mail:pyguo@ sxau. edu. cn
太空生物学研究表明，太空环境除在育种方面取
得了积极的成果外，对处理种子的当代也具有显著的
生物学效应［1，2］。近年来，受太空生物学效应的启发，
模拟太空环境或太空某种单因素效应，探索其对种子
当代生物效应，如发芽、生长速率、开花期、生物产量、
经济产量的报道逐渐增加［3 ～ 6］。磁化弧光等离子体处
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3 期 磁化等离子体处理大豆种子的生物学效应
理番茄种子后，其能量代谢和抗逆性明显提高，成熟期
提前，产量可提高 20. 7% ［6］。Dubinov A E［7］等研究了
大气压辉光放电对燕麦和大麦发芽和幼苗生长的影
响，表明大气压辉光放电对种子具有明显的刺激效应，
连续放电好于脉冲放电的处理效果，并且发现真空对
种子发芽也有一定的促进效应。Roman Mora［8］等利
用介质阻挡放电处理感病大豆种子，由于臭氧对种子
表面的消毒作用及离子对种子的刺激效应，发芽率提
高 70%以上。本研究利用磁化等离子体处理大豆种
子，通过分析种子的发芽、幼苗的生长、呼吸与能量的
代谢以及同功酶谱的变化，旨在探讨磁化等离子体对
种子的作用机理。
1 材料与方法
1. 1 试验装置与试验材料
1. 1. 1 试验装置 利用大连理工大学自行研制的
DW －Ⅰ型磁化等离子体种子处理机处理种子。试验
装置由水银弧光等离子体发生器和感应电磁场 2 部分
组成。弧光等离子体发生器:管长 25cm，内径 2. 5cm，
真空度 10 ～ 20Pa，放电功率 400W，最大放电功率
1. 6kW。感应电磁场:由 8 组电感应线圈相间反向串
联构成 7 组相互串联在一起的会切磁场系统，纵向磁
场的空间变化范围是 0 ～ 500 高斯，径向磁场的空间变
化范围是 0 ～ 175 高斯。磁场线圈由交流电源供电，电
压是 300V，电流连续可调，变化范围是 0 ～ 5A。
放电时产生的光谱主要集中在紫外波段，波长为
250 ～ 400nm，高能光子与灯管外的大气相互作用产生
蓝色光电离气体，光照强度 2. 5 × 10 － 5 Wh / cm2，臭氧
浓度为 10 ～ 25ppm，试验装置已申请专利。
1. 1. 2 试验材料 以晋豆 20 为试验材料(由山西省
农业科学院作物与遗传研究所提供)。其幼苗生长稳
健，根茎粗，多根瘤，茎杆壮，抗倒伏。春播生育期
136d 左右，夏播生育期 100 ～ 105d。晋豆 20 为山西省
大面积推广的品种，并适合陕西北部，甘肃、新疆、宁夏
春播，山西南部、河北中南部、北京、天津等省(市)夏
播。
1. 2 试验设计
种子处理:选择籽粒饱满、大小均匀(百粒重 21g
左右)的大豆种子，经磁化等离子体种子处理设备设
不同参数处理，电流分别为 CK、0. 5、1. 0、1. 5、2. 0、2. 5
和 3. 0A，每处理 90 粒种子，平均分 3 份作为 3 个重
复，每个重复 30 粒种子。
实验室发芽试验(砂培):在直径为 15cm 的培养
皿底部装 120g 沙子(清洗后 120℃烘干、消毒 1h)，均
匀摆放 30 粒处理后的大豆种子，顶部覆盖 30g 沙子，
第一次加水 30ml，加盖后放在光照培养架上进行培
养，光周期 12h。3d 后揭开盖子，每隔 1d 加水 10ml，
保证水分充分供应。每个处理 3 次重复。开始发芽后
(以子叶顶出沙土表面视为发芽)，每天记录种子发芽
情况，萌发结束后(以连续 3d 无新种子萌发为萌发结
束)计算发芽率:
发芽率(GR)= n /N × 100%
式中，n 为发芽数;N 为种子总数。
在发芽试验开始后第 11 天测量苗高、根长、侧根
数以及鲜重和干重，每处理的重复测量 25 株。测量时
以幼苗基部至生长点为植株高度，基部至主根的根尖
为根长，并统计 25 株侧根总数。然后称量 25 株植株
的总鲜重，在烘箱中 105℃杀青 30min 后，80℃烘干至
重量不再变化，称量 25 株植株的总干重。
1. 3 指标测定
1. 3. 1 根系活力测定 用氯化三苯基四氮唑(TTC)
法［9］测定根系活力。发芽试验开始后第 11 天，取 10
株根系测量根系活力。
1. 3. 2 呼吸速率用光合仪测定 大豆种子经不同强
度的磁化等离子体处理后，在培养 11d 后，取子叶和根
系利用改造的光合仪进行呼吸速率测定，每个重复取
10 株进行测定，测 3 次取平均值。
1. 3. 3 ATP 含量测定 ATP 标准样购自 Sigma 公司，
用于确定出峰时间和标准浓度。样品制备:分别取叶
片 1. 0g 和根系 0. 5g，加入 5ml 丙酮，在沸水浴中煮沸，
待丙酮完全挥发后(约 8min)，加入超纯水 5ml，再在
沸水浴中加热浸提 8min，6000g 离心(4℃)10min，取上
清液，放冰箱待用。测定时取少量上清液，0. 45μm 滤
膜过滤。色谱条件:采用日本岛津 LD-10AD 高效液相
色谱仪，SPD-6AV 紫外检测器和 C-R6A 数据处理器。
色谱柱为 Hypersil C18 不锈钢柱(3. 9mm × 30cm);柱
温 25℃ ± 2℃，流动相 (0. 1mol /L Na2HPO4 溶液，
pH6. 0);流速 0. 8ml /min，检测波长 254nm;灵敏度
0. 005AUFS，记录纸速 5mm /min，进样量 20μl。
各生理指标的分析采用 Excel 2000 和统计软件
DPS 8. 50。
1. 3. 4 同工酶电泳 酶液的制备:取待测样品 0. 3g，
加 1ml 提取缓冲液(Tris-HCl 0. 1mol /L，pH8. 0;蔗糖
0. 45mol /L，抗坏血酸 0. 006mol /L，EDTA 0. 02mol /L，
聚乙烯吡咯烷酮 10%)和少许石英砂，在冰浴上研磨
成匀浆，4000g 离心 10min(0℃)，上清液即为酶提取
液，取此液 0. 5ml 加入等体积的上样缓冲液，混匀后置
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核 农 学 报 24 卷
于 － 20℃冰箱中保存待用。
电泳及染色:用垂直平板聚丙烯酰胺凝胶电泳法
对过氧化物同工酶进行分析，浓缩胶和分离胶浓度分
别为 3% 和 8%，电极缓冲液为 Tris-甘氨酸系统，
pH8. 3，电泳时浓缩胶的电流 30mA，待溴酚蓝指示剂
进入分离胶中电流提高到 40mA。POD 染色采用醋酸
联苯胺法［9］。
酯酶同工酶染色:称取 50mg α-醋酸萘酯，50mg β-
醋酸萘酯，100mg 坚牢蓝 RR，先用 5ml 丙酮溶解，再用
0. 1mol /L pH5. 0 的磷酸缓冲液稀释到 150ml，将胶板
浸入 100ml 此液中，37℃下显色约 20min，可看见桃红
色的磷酸酯酶同工酶条带。弃去染色液，用蒸馏水漂
洗，再用 7% HAC 固定。
2 结果与分析
2. 1 磁化等离子体处理对大豆发芽率和形态指标的
影响
从表 1 可以看出，不同参数的磁化等离子体处理
对晋豆 20 大豆的发芽率和各种形态指标的影响不同。
大豆的发芽率和幼苗的根长、干重没有影响，2. 0 ～
3. 0A 处理显著增加苗高，其中以 2. 5A 处理后最高，为
9. 39cm，比对照增加 26. 9%，与≤1. 5A 的处理间有显
著差异(P≤0. 05)。经 2. 0A 磁化等离子体处理后其
幼苗侧根数显著增加，比对照增加 11. 8%，其余强度
磁化等离子体处理大豆后差异不显著。大豆幼苗每
25 株鲜重在 3. 0A 处理时最大，与对照及 0. 5、1. 0A 处
理差异显著，而与 1. 5、2. 0、2. 5A 间无显著差异。
2. 2 磁化等离子体处理对大豆根系活力的影响
图 1 表明，磁化等离子体处理可以提高大豆的根
系活力。大豆根系活力随磁化等离子体强度的变化出
现 2 个峰值。处理强度为 0. 5A 时，大豆(晋豆 20)的
根系活力为 0. 532TTF mg /根·h，比对照增加 48. 6%，
磁化等离子体的处理参数大于 0. 5A 时，根系活力开
始下降，在 2. 0A 时降到最低，为 0. 412 TTF mg /根·h，
但仍比对照增加 15. 1%，之后又呈上升趋势，2. 5A 处
理的大豆根系活力增加幅度最大，为 60. 9%。
表 1 磁化等离子体处理后大豆(晋豆 20)的发芽率和形态指标
Table 1 Effect of magnetized plasma on the germination rate and morphological parameters of Jindou 20
处理
treatment
发芽率
germination
rate(%)
苗高
seedling hight
(cm)
根长
root length
(cm)
25 株侧根数
lateral root number
per 25 plant
25 株鲜重
fresh weight
per 25 plant (g)
25 株干重
dry weight
per 25 plant (g)
CK 84. 67 ± 2. 47a 7. 40 ± 0. 32c 4. 83 ± 0. 18a 144. 00 ± 26. 46b 19. 14 ± 0. 88c 4. 20 ± 0. 39a
0. 5A 85. 33 ± 1. 31a 7. 66 ± 0. 17c 4. 90 ± 0. 34a 144. 33 ± 23. 87b 19. 12 ± 1. 38c 4. 18 ± 0. 13a
1. 0A 86. 66 ± 3. 27a 7. 98 ± 0. 43bc 4. 78 ± 0. 22a 142. 33 ± 16. 56b 20. 46 ± 0. 45bc 4. 46 ± 0. 13a
1. 5A 82. 00 ± 2. 76a 7. 79 ± 0. 21c 4. 65 ± 0. 41a 134. 33 ± 32. 87b 22. 17 ± 0. 88ab 4. 58 ± 0. 11a
2. 0A 85. 33 ± 1. 18a 8. 84 ± 0. 09ab 4. 95 ± 0. 36a 161. 00 ± 6. 24a 21. 69 ± 1. 72ab 4. 30 ± 0. 26a
2. 5A 84. 00 ± 1. 59a 9. 39 ± 0. 12a 4. 98 ± 0. 15a 132. 67 ± 22. 81b 21. 57 ± 1. 04ab 4. 15 ± 0. 18a
3. 0A 85. 00 ± 1. 92a 8. 72 ± 0. 33ab 4. 63 ± 0. 08a 140. 00 ± 8. 19b 22. 41 ± 1. 24a 4. 48 ± 0. 40a
2. 3 磁化等离子体处理对大豆呼吸速率的影响
图 2 显示，随着处理电流强度的增加，子叶呼吸速
率基本呈上升趋势，处理为 2. 5A 时，呼吸速率达到最
大，然后下降。0. 5、1. 0、1. 5、2. 0、2. 5 和 3. 0A 处理后
子叶的呼吸速率比对照分别增加 12. 91%、19. 18%、
17. 53%、35. 98%、43. 68% 和 24. 50%。子叶的呼吸
速率大于根系。根系的呼吸速率在 0. 5A 处理下略有
下降，然后上升，在 2. 0A 时达到最大，比对照增加
40. 84%，2. 5 和 3. 0A 处理下比对照分别增加 38. 92%
和 30. 20%。
2. 4 磁化等离子体处理对大豆 ATP 含量的影响
图 3 表明，磁化等离子体处理的电流强度≤1. 0A
时，大豆根系中 ATP 含量几乎没有变化。当电流强度
≥1. 5A 时，ATP 含量明显增加，1. 5 ～ 2. 5A 磁化等离
子体处理使大豆根系中 ATP 含量增加 32. 28% ～
47. 68%;处理电流超过 2. 5A 后，ATP 在根系中的含
量开始下降。叶片中 ATP 含量随处理电流的变化趋
势与根系中基本一致，电流强度≤1. 5A 时磁化等离子
体对大豆叶片中 ATP 含量没有影响，处理电流在 2. 0
～ 3. 0A 时大豆叶片中 ATP 含量增 加 21. 9% ～
274
3 期 磁化等离子体处理大豆种子的生物学效应
图 1 磁化等离子体处理对晋豆 20 根系活力的影响
Fig. 1 Effect of magnetized plasma treatment
on the root activities of Jindou 20
图 2 磁化等离子体处理对晋豆 20
呼吸速率的影响
Fig. 2 Effect of magnetized plasma treatment on
respiratory rate of Jindou 20
37. 79%。叶片和根系的 ATP 含量均在 2. 5A 时均达
到最大。因此，从能量代谢角度考虑，磁化等离子体对
晋豆 20 的最适处理参数为 2. 0 ～ 3. 0A。
2. 5 磁化等离子体处理对大豆同工酶的影响
同工酶分析可以识别基因的存在和表达，反映代
谢调控的改变及生理功能的差异，是研究生理生化变
化的灵敏指标。
2. 5. 1 磁化等离子体处理对大豆 POD 同工酶的影响
晋豆 20 种子经磁化等离子体处理后，其叶片和根系
POD 同工酶没有产生新的特异条带，但几乎每条带的
图 3 磁化等离子体对晋豆 20 ATP 含量的影响
Fig. 3 Effects of magnetized plasma on
the ATP content of Jindou 20
染色都比对照有所加强，说明等离子体处理后的 POD
酶活性增加(图 4)。在叶片中，条带 P1(Rf = 0. 10)和
P3(Rf = 0. 18)在各处理间的差异较明显，其中 1. 0A
和 2. 5A 处理的大豆叶片 POD 同工酶谱带染色最深，
表明这 2 个处理的过氧化物酶含量最大，活性最强;条
带 P7(Rf = 0. 47)在处理电流为 1. 5 ～ 2. 5A 时的染色
深于其他处理和对照;除条带 P1、P3、P7 外，其余条带
在各处理间没有差异。根系中，1. 0A 和 2. 5A 处理使
条带 P3(Rf = 0. 18)的活性明显高于别的处理;条带
P4(Rf = 0. 39)在磁化等离子体处理强度为 1. 0A 时的
活性最强，其余处理对大豆根系 POD 同工酶的影响没
有差异。
2. 5. 2 磁化等离子体对大豆酯酶(EST)同工酶的影
响 从图 5 可以看出，磁化等离子体对晋豆 20 叶片中
EST 同工酶有很大影响，而对根系中的 EST 同工酶影
响则不大。0. 5、1. 0、2. 5 和 3. 0A 的处理使大豆叶片
中的 EST 活性明显增强，表现为条带 E1(Rf = 0. 12)、
E2(Rf = 0. 18)、E3(Rf = 0. 37)、E5(Rf = 0. 61)、E6(Rf
= 0. 67)的染色程度比对照深;1. 5A 磁化等离子体处
理可以加深条带 E1、E2、E3、E6 的颜色，对条带 E4、E5
和 E7 没有影响。2. 0A 处理对大豆叶片的 EST 同工
酶条带数和活性影响不明显。另外，晋豆 20 根系中的
EST 同工酶弱于叶片，且各处理间没有差异。说明磁
化等离子体能有效促进大豆叶片中 EST 同工酶的合
成及增加其活性，有利于大豆幼苗中脂类分解，增加代
谢。
374
核 农 学 报 24 卷
图 4 大豆叶片和根系 POD 同工酶谱及其模式图
Fig. 4 POD isoenzyme pattern of Jindou 20 seedlings (leaf and root)from seed treated by magnetized plasma
泳道 1 ～ 7 为叶片，8 ～ 14 为根系;1 ～ 7 和 8 ～ 14 的处理电流为 CK、0. 5、1. 0、1. 5、2. 0、2. 5、3. 0A;
□的大小和颜色深浅表示各条带的活性强弱。图 5 同此
Lanes 1 ～ 7 mean the leaf samples，8 ～ 14 mean root samples;the treatment current of lanes 1 ～ 7 and 8 ～ 14 was CK，0. 5，1. 0，1. 5，2. 0，
2. 5，3. 0A，respectively;□ size and color depth represent the activity of each band. The same as figure 5
图 5 大豆叶片和根系酯酶同工酶谱及其模式图
Fig. 5 EST isoenzyme pattern of Jindou 20 seedlings (leaf and root)from seed treated by magnetized plasma
3 讨论
磁化等离子体处理大豆种子后，其发芽率和干重
变化不明显。经处理的种子发芽后，以 2. 5A 处理组
的苗高最大，比对照增加 26. 9%;在磁化等离子体处
理电流为 2. 0 ～ 3. 0A 时，鲜重比对照增加 12. 70% ～
17. 08%(P≤0. 05)。大豆根系在 2. 5A 的处理下，其
根长和侧根数变化不明显，但根系活力明显增强。因
此，不同的形态指标对等离子体的敏感度不同。从形
态指标来看，2. 0A ～ 3. 0A 的等离子体对晋豆 20 种子
的萌发及幼苗的生长发育有较强的促进作用，且以
2. 5A 的处理表现最佳。
Calabrese［10］总结了辐射和化学药剂的刺激效应
随剂量变化的规律，“剂量 －反应曲线”规律一般随剂
量的增加刺激效应也明显增加，当剂量增加到一定程
度，刺激效应达到最大;随着剂量继续增大，刺激效应
又逐渐下降甚至消失。等离子体对种子作用的研究多
集中在诱变和转基因上，而对种子当代刺激效应的研
究较少。本试验在电流为 0. 5A ～ 3. 0A 的处理中，随
着处理剂量的增加，呼吸速率和 ATP 含量增加，在
2. 5A 的处理下达到最大值，呼吸速率比对照提高
43. 68%，叶片和根系中的 ATP 含量分别提高 37. 79%
和 47. 68%。当电流超过 2. 5A 时，各项指标开始下
降。
从 POD 和 EST 的同工酶谱来看，磁化等离子体能
明显促进大豆叶片和根系的 POD 活性，叶片的酯酶同
工酶谱条带颜色也明显加深，说明其活性增加。低剂
量可促进贮存蛋白的动员，使子叶代谢水平提高，加
速萌发。高剂量可能使蛋白质合成受阻，从而抑制了
植物的生长，但随着生长时间的延长，幼苗受到的伤
害开始有所恢复。郭金华等研究了 N +注入大豆种子
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Journal of Nuclear Agricultural Sciences
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后种子活力及其幼苗的抗氧化酶活性的变化，结果表
明低剂量具有刺激效应，能促进种子萌发和幼苗的生
长，高剂量对种子的萌发和幼苗的生长有抑制作用。
并且发现一定剂量的 N +注入可削弱大豆幼苗的脂质
过氧化作用，利于提高大豆的抗寒性，这与 SOD、POD
和 CAT 活性提高及 MDA 含量的降低直接相关［11，12］。
金梦阳［13］等研究60 Co γ 辐照续随子种子后幼苗的
CAT 和 SOD 活性与辐照强度的关系，发现 CAT 和
SOD 活性随剂量增加表现出先升高后降低的趋势，
600Gy 时出现活性峰值，并认为续随子的适宜辐照剂
量应在 600Gy 左右。因此，植物体内比较敏感的酶系
同工酶谱和其活性可作为辐照剂量或强度的选择依
据。
综上所述，适当剂量的磁化等离子体能有效刺激
种子当代的活力，促进种子发芽和幼苗生长。同时，幼
苗的根系活力、呼吸速率和 ATP 含量明显提高，有效
促进了幼苗的生长代谢。同时，POD 和酯酶同工酶的
类型、活性和幼苗的生长密切相关，试验表明，磁化等
离子体有效促进了这 2 种同工酶的活性。
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