强电场电离辐射对水稻萌发力的影响

材料，在放电极接地之间施加频率为5-20KHz、电压10-40KV的高频高压电源，电子的平均能量将达到10eV，这种由高频高压电源在两极板中产生的场强比直流高电压、脉冲高电压的临界击穿场强和介质阻挡放电的场强都要高。为了满足强电场电离放电的要求，应选取具有如下特性的电介质材料：体积电阻率> 1015Ω·cm；临界击穿电场强度> 250kV·cm- 1；相对介电常数> 10；介质损耗<3.9×10- 4 ；吸水率为0 %；表面粗糙度为0.25～0.5μm；热膨胀系数为（6.5～7.5）×10- 6mm·K- 1 ；导热率>21W·（m·K）- 1；硬度>1000HV；损耗<4×10- 5[4]。

图1强电场电离放电装置

（二）电离的原理

强电离放电过程中，强电离放电产生的OH*数目是弱电离放电的10 余倍。以H2O 分子电离、激发、超激发为主产生OH*、e -aq 等自由基。水合电子（e-aq） 是一种具有独特的性质的自由基，不少化学反应是由e-aq所诱发的，水合电子比游离电子更加稳定。强电场电离、激发H2O 分子时，每注入100eV 将产生2.8 个OH*和2.75个e-aq。[4]要实现大气压下强电场离子辐射种子产生诱变，其关键是使电子从强电场中获得的平均能量≥10ev，由于在电场中，电子能量按麦克斯韦规律分布，它就足以与大部分气态原子（分子）碰撞产生电离，使之变为“活性粒子：电子、离子、亚稳态原子和分子、自由基、紫外光子等” [5]。在激励电场的作用下，定向轰击种胚细胞，它们将“能量传递给种子表面的原子和分子，产生一系列的物理、化学过程，一些粒子还会注入进种子表面，引起级联碰撞、散射、激发、重排、异构、缺陷…” [5]，能较好地产生能量沉积、质量沉积和电荷交换的“三因子效应”，导致DNA的损伤和生物体诱变。利用此技术能够使强电场电离辐射离子注入水稻种子。

三、强电场电离下水稻种子各种生物效应和产量的变化

将水稻种子随机挑选大小均匀的6到7组，试验组为1-6和对照组为CK组，每组100粒。在相同的强度（160V激励电压）下，以不同的时间： 10s、15s、20s、25s、30s、50s辐射试验1-6组。然后对各组种子的生化指标时行测试并与对照组进行比较。检测参照张志良等（1990）[6]及李合生（2000）[7]的方法。

（一）对种子活力的影响

利用种子可溶性物质通过细胞膜外渗成为电解质水溶液，用DDS-11A数显电导率仪测定渗漏浸泡液的电导性来描述种子活力，电导率越低，种子活力越强。各组种子的电导率如图2所示。

图2 各组电导率

结果表明：适宜强度的强电场电离处理，种子活力有不同程度的提高，说明适宜强度的不同辐射时间的处理，对种子萌发有刺激作用，能增加种皮透性，促进种子内部细胞活化，打破休眠状态，加速种子萌发过程储藏物质的分解、转化和再利用，该物质积累加快，使幼苗生长旺盛，能充分调动种子自我调节能力，从而提高了种子生长过程对营养物质的吸收和能量物质的转化利用。

（二）对各种保护酶活性的影响

取种子幼胚与磷酸缓冲液研磨成匀浆，离心提取粗酶液，对同一品种的植物水稻种子幼胚的α-淀粉酶、总淀粉酶、过氧化氢酶（CAT），过氧化物酶（POD）的活性进行检测。

1.淀粉酶的活性

α-淀粉酶、总淀粉酶活力对比结果如图3、4所示。实验发现：试验组α-淀粉酶、淀粉酶总活性均比对照组的都要好。并且试验4组水稻种子，也就是经过激励电压为160V的強电场电离辐射25s 后，α-淀粉酶活力最高。试验5组水稻种子，也就是激励电压为160V的強电场电离辐射30s 后，淀粉酶总活力最高。

2.过氧化氢酶和过氧化物酶的活性

过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）活性对比结果如图5、6所示。实验发现：试验组过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）均比对照组的有显著提高，都高出。并且试验4组种子，也就是经过激励电压为160V的強电场电离辐射25s 后，过氧化氢酶（CAT）活力比CK组高出40.8%，为最高值，过氧化物酶（POD）活力也为最高。

（三）对产量的影响

我们对强电场电离辐射水稻种子进行田间试验种植，其结果如图7所示。结果表明，试验各组的产量均比对照组有所提高，其中试验2组提高最显著，增幅达12.8%。

图7 各组产量

以上研究结果表明，强电场电离辐射植物种子会引起一系列植物幼胚的生理生化指标、保护酶类活性和产量的变化。

四、机理分析

通过酶活性的实验，可以得出经辐射的试验组淀粉酶的活性都高于对照组，且缩短了发芽时间。原因在于种胚在辐射下产生极化，引起电荷分布、排列、特别是金属酶构象的变化，使相应酶的活性增加（激活）， 加速了各种贮藏物质的转化和分解，为萌发提供了足够的能源物质。植物体内O2-，OH-，H2O2对植物有伤害作用，经适量辐射后，提高了过氧化氢酶的活力[7]，能去除细胞内H2O2的有害成分，在种子萌发时对细胞膜和新细胞的形成起到一定的修复和保护作用。其原因是植物的细胞膜是磷脂双分子层和相关的蛋白分子组成，磷脂的主要成分是多不饱和脂肪酸，细胞内H2O2能与不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应，破坏了细胞膜的功能和种子储备的脂质[8]

电离辐射作为一种高能物理损伤因素， 可通过电离激发产生大量自由基， 引起直接受照的生物组织和细胞的损伤。在分子水平上， 细胞受辐射后的命运在很大程度上决定于一些基因表达的改变， 这些受电离辐射调控表达的基因称为电离辐射诱导基因。近年来， 电离辐射及其他基因毒性因子引起生物效应的分子机制研究取得了很大的进展， 越来越多的电离辐射基因被发现。

五、结束语

虽然我们进行了多年的研究，但仍然处在研究的中期阶段，还有很多问题需要探讨和研究，如：种子活力、酶活性、DNA、蛋白质的变异与电压（场强）、频率、离子的能量、浓度、作用时间的关系怎样？它们遵循什么样的规律？如何在分子和细胞水平上，剖析强电场电离辐射诱导植物种子变异的机理等。因为电离辐射后， 细胞将启动一个庞大的网络决定其命运， 众多电离辐射诱导基因参与了这一过程， 彼此之间既相互促进发挥协同作用， 又在此消彼长地竞争抑制。对这一复杂过程中究竟哪些因子起关键作用， 以及它们是如何起作用的等的了解尚不够全面。只要我们朝着这个方向深入开展研究，就一定可以筛选所需性状变异稳定的植株，获得性状变异谱，寻找出大压下强电场电离辐射诱导水稻种子变异的有效方法[9-11]。

参考文献：

[1]余增亮，离子束生物技术引论[M].合肥：安徽科学技术出版社，1998：3-4；

[2]徐小洁，叶棋浓.电离辐射诱导基因的研究进展[J].生物技术通讯，2008，19（5）：765-768；

[3]白敏菂，邱秀梅，刘栋等.高气压非平衡等离子体源的小型化研究[J].科学通报，2008，53（10）：1238-1240

基金项目：

国家自然科学基金项目资助（项目号：50977041）