全 文 ： * ?国家自然科学基金重点项目 ( 19805030)资助
收稿日期 : 2004-09-08 改回日期 : 2004-10-31
梯度磁场对芝麻种子生物效应的影响 *
尹美强 张家良 马腾才 王旭珍 林青松
(大连理工大学三束材料改性国家重点实验室 大连 116024) (大连理工大学化工学院 大连 116024)
摘 要 应用电子顺磁共振 (ESR)波谱仪对磁场处理过的芝麻种子连续 14d跟踪测量 ,结果表明磁场可促进芝麻
种子内部自由基浓度增加 ,且其自由基浓度随贮藏时间的延长明显降低 ,14d后其自由基浓度降低 30% 以上。用
最佳磁场强度分别对芝麻种子进行 12min、24min、36min、48min和 60min不同梯度处理 ,结果表明电流 50A (磁场
强度 835G)的磁场处理芝麻种子 36～48min生物效应最佳 , 能有效提高芝麻种子发芽率和发芽势 ,促进根系生长。
关键词 磁场 电子顺磁共振 芝麻种子 自由基 生物效应
Effect of magnetic field with different strengths on the free radical concentration in Sesamumindicumseeds . Y IN Mei-
Qiang, ZHANG Jia-Liang, MA Teng-Cai (State Key Laboratory for Materials Modification by Laser , Ion and Electron
Beams, Dalian Universityof Technology, Dalian 116024, China) , WANG Xu-Zhen, LIN Qing-Song( Collegeof Chemi-
cal Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China) , CJEA ,2006,14(1) : 51～53
Abstract Theelectron spin resonance was used to trace the free radical concentration in the seed of Sesamum indicum
treated with magnetic field oncea day for 14 days . The results show that the free radical concentration in the Sesamum
indicum seeds increases with the magnetic field treatment, and decreases obviously with the prolongation of storageperiod
and loses more than 30% 14d later . The experiments with theoptimumintensityof magnetic field (835G) to treat Sesa-
mum indicum seeds for 12min, 24min, 36min, 48min and 60min demonstrate that the treatment time between 36 and
48min can get an ideal biological effects .
Key words Magnetic field, Electron spin resonance, Sesamum indicum seed, Free radical , Biological effect
(Received Sept . 8, 2004; revised Oct . 31, 2004)
磁场处理种子可产生磁致生长效应和遗传效应 , 提高种子萌发率 , 促进根系生长 , 增加吸水肥能力 , 缩
短生育期及增加穗粒数和千粒重等 [ 1] 。 Jae Duk Moon等 [ 8] 用 1000G 磁场处理番茄种子 15～60s其发芽率
提高 1. 1～2.8倍 , 并认为磁场通过影响种子内部自由基和蛋白酶活性等生化过程提高种子活力。Masafumi
Muraji 等 [ 9] 研究表明交变磁场可促进玉米根系生长。自由基是植物体内活性氧产生的直接诱发因子 , 过强
的自由基会损伤植物 ,温和的自由基则可提高植物抗逆性[ 2] , 但目前对活性氧在维持和调节植物正常生理
功能中作用尚缺乏足够重视[ 3] 。磁场处理玉米种子后与自由基相关的超氧化物歧化酶 ( SOD)和过氧化氢酶
( CAT )活性增高 ,丙二醛 (MDA)含量降低 [ 4] 。有报道表明磁场处理后种子放置一段时间后磁场生物效应逐
渐消失。本试验研究了磁场对芝麻种子及其苗期生物效应的影响 , 为寻求磁场处理芝麻种子的最佳强度和
时间提供理论依据。
1 试验材料与方法
试验采用实验室自制的装置 (见图 1) ,220V 交变电流通过整流后变为直流输出 ,在载流线圈内部产生梯度
磁场 ,其最大电流强度为 100A。磁场强度可由电流的改变控制 , 并用 SHT-?型数字式特斯拉计测定不同电流
强度下磁场强度 ,电流强度 12.5A、25A、37.5A、50A、62.5A 所对应的磁场强度分别为 209G、425G、611G、835G
和 1016G。供试芝麻种子(市售 )置 30℃风干 2d,使种子含水量一致 (以减少含水量不同所造成的自由基信号不
同) ,在电流强度为 0A(对照 ,CK )、12. 5A、25A、37.5A、50A 和 62.5A 条件下处理 30min;在得出最佳磁场强度基
础上再设置 0min、12min、24min、36min、48min和 60min不同处理时间。第 3天统计发芽势 , 第 5天测量统计苗
第 14 ?卷第 1期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .14 No .1
2 0 0 6 ?年 1 月 Chinese Journal of Eco-Agriculture Jan ., 2006
图 1 磁场装置图 *
Fig . 1 The experimental setup of magnetic field
* 图中 T 为变压器 , L 为滤波器 , C1、C2 为电容器。
期发芽率、根长、百株苗根重和地上部重 (茎重 + 叶重 ) 后得出最
佳处理参数。芝麻种子置 20℃培养箱中暗培养 , 发芽以种子露
白 1mm为标准 ,其发芽势按下式计算 :
种子发芽势 = 3d发芽的种子数供试种子数 ×100% (1)
磁场处理后第 2 天用日本产 JES-FE-1XG 电子自旋共振
( ESR)波谱仪室温测定样品自由基 , 波谱频率为 9443MHz, 磁
场强度为 3360G ,磁场扫描范围为 200G, 调制幅度为 2G, 微波
功率为 2mW。用 ESR 波谱峰的峰-峰值表示自由基浓度 , 测
定过程中用锰标标定以消除 ESR 仪本身随时间变化所造成的
误差 ,最后以第 1次测量的信号强度为 1进行归一化。
2 结果与分析
2 . 1 磁场处理后芝麻种子 ESR 波谱变化
芝麻种子经不同强度磁场处理后其内部自由基信号峰增强 ,种子新增大量自由基产物 ,电流强度为 0A(对照 ,
CK)、12.5A、25.0A、37.5A、50.0A 和 62.5A ,其自由基浓度 (用 ESR 波谱峰的峰-峰之间距离表示)分别为 56.5a .u、
58.5a .u、67.5a .u、74.5a .u、77.0a .u及 73.1a .u,表明随磁场强度的增加而芝麻种子内部自由基浓度相应增加 ,且当磁场
强度增至 835G时其自由基浓度达最大值 ,比对照增加 36.28%;当磁场超过这一强度时其自由基浓度反而变小。
2 . 2 贮藏时间对芝麻种子自由基浓度的影响
目前磁场处理种子尚未得到广泛应用 ,其主要原因是种子处理效应随贮存时间的延长而磁场效应逐渐
消失。如磁场强度为 835G 处理芝麻种子后 1～14d贮藏时间对其自由基浓度的影响分别为 1.000、0.950、
0. 924、0. 926、0. 910、0. 860、0. 864、0. 858、0. 776、0. 784、0. 764、0. 742、0. 699和 0.687(各数值经过归一化处
理 ,只代表随天数变化 , 自由基浓度占第 1天的百分数 ) ,这表明随贮藏时间的增加而自由基浓度呈明显下降
趋势 ,14d后其自由基浓度下降 45. 6% , 与未处理种子自由基浓度几乎相同 ,初步推断磁场处理种子生物效
应的消失与自由基浓度的降低可能有直接联系。
2 . 3 磁场对芝麻种子生物效应的影响
表1 不同电流强度下磁场处理后芝麻种子发芽状况
Tab.1 Thegerminationconditionsof Sesamumindicum
seed in thedifferent current strengthes
电流强度/ A
Current strength
实验室 Lab 大田 Field
发芽势/ %
Germination
power
发芽率/ %
Germination
rate
出苗率/ %
Sprouting
rate
0 ?47 .50 95 . 0 38. 3
12 ?. 5 55 .67 97 . 0 40. 0
25 ?. 0 58 .33 97 . 5 59. 7
37 ?. 5 64 .33 97 . 0 60. 0
50 ?. 0 70 .17 96 . 0 69. 1
62 ?. 5 55 .00 94 . 0 77. 5
种子发芽势的高低直接反映其萌发过程中代谢启动的
表 2 磁场强度 835G 处理时间的生物效应
Tab.2 Thebiological effects in the835G intensityof magnetic field
处理时间/ min
Treatment
time
发芽率/ %
Germination
rate
发芽势/ %
Germination
power
根重/ g
Roots
weight
茎 + 叶重/ g
Stems+ leaves
weight
平均根长/ cm
Averageroot
length
0 ?83 .0 51 -.50 1 . 025 1 a.559 1 M. 864
12 ?91 .0 59 -.83 1 . 032 1 a.677 2 M. 079
24 ?93 .5 68 -.67 1 . 082 1 a.731 2 M. 345
36 94 .0 73 -.00 1 . 168 1 a.750 2 M. 407
48 97 .0 76 -.33 1 . 313 1 a.703 2 M. 263
60 92 .0 73 -.17 1 . 063 1 a.633 2 M. 041
快慢 , 因而它是度
量种子萌发快慢的
重 要 指 标[ 4] 。 由
表 1可知恒温条件
下磁场能明显促进
种子萌发 , 当磁场
强度为 835G 时其
发芽势比对照增加
22.67% , 而发芽率
则变化不明显。大
图 2 不同磁场强度对芝麻幼苗根系生长的影响
Fig.2 Theeffectof different intensitiesof magnetic
fieldontheroot growthof Sesamumindicumseedlings
图 3 不同处理时间对芝麻幼苗根系生长的影响
Fig .3 Theeffect of different treated timeon
the root growthof Sesamumindicumseedlings
52 中 国 生 态 农 业 学 报 第 14 ?卷
田实验发现随磁场强度的增加而出苗率明显增加 , 当磁场强度 1016G 处理后出苗率增幅最大 ( 39.2% ) , 表
明磁场明显提高芝麻种子发芽势和大田出苗率。表 2 表明磁场强度 835G 经不同时间处理后对种子发芽
率、发芽势、百株苗根重、地上部茎 + 叶重及平均根长均有明显影响 , 尤以磁场处理 48min对种子发芽率、发
芽势和根重效果最明显 ,磁场处理 36min则地上部重 ( 茎重 + 叶重 ) 和平均根长效果最佳。磁场处理更重要
是影响苗期生长 ,其中对苗期根系的影响最显著 [ 5] 。本研究表明不同磁场强度和不同处理时间对根系生长
分布的影响均有差异 (见图 2和图 3) ,每处理样品中筛选出 100粒籽粒饱满且大小均匀一致的芝麻种子进
行发芽试验 ,第 5天测量其根长 ,与对照相比经不同强度磁场处理 30min后芝麻幼苗根长随磁场强度的增加
而增加 ,其中根长 < 2.0cm的幼苗个数减少 , 而≥2. 0cm的幼苗个数明显增加 ,当磁场强度 > 835G 时其根系
长度有下降趋势 ,表明适当强度磁场可有效促进其根系生长。图 3表明 36～48min为最佳处理时间 , 48min
处理时间的根长 < 1. 5cm幼苗个数所占比例仅为 1% , 而≥2. 0cm幼苗个数却占 80%。
3 小结与讨论
本研究结果证明芝麻种子内部自由基参与了磁场处理种子生物效应的原发机制 , 经不同强度磁场处理
30min后其自由基浓度随磁场强度的增加而增加 ,当磁场强度达 835G 时芝麻种子内部自由基浓度最高 , 而
超过这一强度时其自由基浓度反而下降 ,且随贮存时间的延长其自由基浓度呈明显下降趋势。因此磁场处
理种子生物效应的消失与自由基浓度的降低可能有直接联系。梁运章等 [ 6] 研究认为一定强度磁场可调节
甜菜种子自由基重组率 ,使自由基浓度增加 , 且最佳处理时间和磁场强度处理后其自由基浓度增幅最大[ 6] ,
这与本研究自由基浓度与种子生物效应的关系结果基本一致。但磁场处理农作物的结果并非都对生产有
利 ,故农业生产中采用磁场处理技术前必须经过多次严格的重复实验 [ 7] 。
参 考 文 献 h
1 丘冠英 , 彭银祥 .生物物理学 .武汉 : 武汉大学出版社 , 2000 . 233～245
2 郑荣梁 , 黄中洋 .自由基医学与农学基础 .北京 :高等教育出版社 , 2001 . 1～6
3 柯德森 , 孙谷畴 ,王爱国 .低温诱导绿豆黄化幼苗乙烯产生过程中活性氧的作用 .植物生理与分子生物学报 , 2003 , 29( 2) : 127～132
4 蔡素雯 , 张红梅 ,杨 军等 .外磁场对玉米幼苗脂质过氧化的影响 .陕西师范大学学报 (自然科学版 ) , 1996, 24(3) : 79～82
5 习 岗 , 傅志东 .外磁场对作物种子萌发与生长的影响及其作用机理 .物理 , 1993 , 22( 10) : 610～614
6 梁运章 .静电场对甜菜种子自由基的影响 .高电压技术 , 1995, 21( 2) : 18～19
7 李国栋 .当代磁学 .北京 :中国科学技术出版社 , 1999
8 ?Jae Duk Moon, Hwa Sook Chung . Acceleration of germination of tomato seed by applying AC electric and magnetic fields . Journal of Elec-
trostatics, 2000 , 48: 103～114
9 ?Masafumi Muraji , Takuya Asai . Primary root growth rate of Zea mays seedling grown in an alternating magnetic field of different frequen-
cies . Bioelectrochemistry and Bioenergetics, 1998 , 44:271～273
第 1 ?期 尹美强等 :梯度磁场对芝麻种子生物效应的影响 53