电引发介导的种子萌发调控:对形态、水分吸收和氧化状态的影响

时间:2025年12月10日
来源:Bioelectrochemistry

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本研究采用低强度直流电场预处理番茄种子,发现其能显著加速发芽速度,促进膜完整性改变及抗氧化酶活性提升,并验证了电化学刺激对种子萌发的调控机制,为可持续农业提供新方法。

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Gema Cárdenas-Flores|Erika Bustos-Bustos|Efigenia Montalvo-González|Marcelo Victorio-De los Santos|Victor M. Zamora-Gasga|Martina A. Chacón-López|Ulises M. López-García
墨西哥国家技术学院/特皮克技术学院,食品综合研究实验室,技术大道2595号,Lagos del Country社区,邮编63175,特皮克,纳亚里特州,墨西哥。

摘要

电激发(Electropriming)是指在种子发芽前将其暴露在直流电场(DCEF)中,这种技术作为一种可持续的物理处理方法,能够增强种子的活力和作物的生长表现。在本研究中,我们发现电激发显著加速了番茄(Solanum lycopersicum)种子的发芽过程,并诱导了早期的生理变化。经过处理的种子发芽更快,吸水效率更高,且与未处理的对照组相比表现出明显的形态差异。电激发还影响了膜的完整性(表现为电解质泄漏增加),并改变了氧化还原代谢(表现为活性物质的产生增加以及抗氧化酶的激活)。这些结果表明,直流电激发能够促进一种可控的氧化反应,从而帮助种子更快、更健康地发芽。我们的研究结果表明,电激发是一种无需化学物质的方法,有望提高种子活力,为可持续农业发展提供新的途径。

引言

种子对农业和生态系统的可持续性至关重要。在农学中,高质量的种子对于确保储存效果和成功建立田间植株至关重要,这通常体现在种子能够快速、均匀且高比例地发芽[1,2]。然而,许多作物存在种子质量问题,如深度休眠、发芽率低以及出苗不均匀[3,4],这些问题会阻碍田间种植并增加作物对环境压力的敏感性[5]。因此,人们开始研究成本效益高、可扩展且非基因改造的方法,以增强种子活力并在不利条件下促进均匀出苗[6,7]。
种子激发已被证明是一种有效的播种前处理技术,能够改善种子的发芽率和幼苗的早期生长状况[8],[9],[10]。该技术通过控制水分渗透来激活种子代谢,而不会导致根系伸出;处理后的种子经过干燥后进行播种,从而保留了诸如膜修复、抗氧化酶激活等生理优势[11,12]。在各种激发方法(生物、化学和物理方法)中,水激发(Hydropriming)是最简单且应用最广泛的一种。相比之下,盐激发(Halopriming)使用盐溶液或离子溶液,通常能在胁迫条件下提高种子表现[13],[14],[15]。这些传统方法为评估其他激发方法提供了参考。
除了这些传统方法外,电激发作为一种新的物理处理技术也逐渐受到关注,它通过在发芽前将种子暴露在电场中来实现种子活力的提升[16]。具体的操作方法多种多样,例如,高强度脉冲电场(PEF;1–200 kV cm−1)常以恒定或脉冲模式使用相距几厘米的两个电极施加,通常不需要将种子浸入液体介质中[17,18]。研究表明,PEF处理能够加速小麦、卷心菜、大麦和拟南芥等作物的水分吸收、发芽和早期生长[19],[20],[21],[22],[23]。
低强度直流电(DC)电场也能提高大豆和苜蓿等作物的种子活力、发芽率和幼苗生长[24,25]。类似地在湿润土壤中进行的低电压处理也改善了黄瓜、玉米、拟南芥和黑麦草的发芽和早期生长[26,29]。最近,水电激发(Hydroelectropriming)结合了水分渗透和电场作用,但通常不使用导电介质[30,31]。
只有少数研究在导电或盐溶液中探讨了电激发的效果,因为在这些条件下,电化学相互作用(如离子流动、氧化还原活性和膜扰动)可能直接影响种子生理[32]。在本研究中,电激发特指将番茄(Solanum lycopersicum)种子置于导电介质中的直流电场中。我们评估了这些处理对种子发芽动态、膜完整性、水分吸收以及与氧化还原相关的生理反应的影响,以深入了解电化学因素对种子早期行为的调控作用。

生物材料

番茄(Solanum lycopersicum)种子来自从当地市场购买的健康、完全成熟的中等大小果实(100–255克)。种子的提取方法遵循Degwale等人的协议[33]。首先将番茄果实切开以便去除果肉,然后将其浸泡在2%(v/v)的HCl溶液中并搅拌60分钟。提取出的种子随后用自来水冲洗几次,并在室温(25°C)下风干三天。干燥后的种子被称重并储存起来。

电激发提高了发芽性能

电激发显著改善了番茄(Solanum lycopersicum)种子的发芽参数。如图1所示,所有经过DCEF处理的组在吸水后36小时开始发芽,而HP和MSP组则在48小时开始发芽,SP组则在60小时开始发芽。所有电激发组的最大发芽率均在72小时达到,而对照组(SP、HP和MSP)则在96小时达到。
电激发增强了种子的发芽能力(表1),其中0.2和0.6 V cm−1的处理效果尤为显著

电激发改善了番茄种子的发芽动态并诱导了处理后的形态变化

在本研究中,我们采用导电介质中的低强度直流电场(DCEF)作为新的电激发策略。与大多数使用高电压脉冲电场的研究不同,我们的方法在处理后加入了干燥阶段,这是电刺激研究中经常被忽略的重要步骤。尽管也有使用电泳室和盐溶液的类似实验设计,但我们的方法更加完整。

结论

在导电介质中应用低强度直流电场被证明是一种有效的电激发策略,能够提升番茄种子的表现。经过电激发的种子发芽更快、更均匀,水分吸收动态得到改善,种子直径也有所增加,尤其是在0.4和0.6 V cm−1的处理条件下。这些变化伴随着膜通透性的提高、超氧化物和一氧化氮水平的上升,以及抗氧化酶的激活。

CRediT作者贡献声明

Gema Cárdenas-Flores:撰写——初稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析、概念构建。Erika Bustos-Bustos:撰写——审稿与编辑、概念构建。Efigenia Montalvo-González:撰写——审稿与编辑、资源准备、概念构建。Marcelo Victorio-De los Santos:撰写——审稿与编辑、概念构建。Victor M. Zamora-Gasga:撰写——审稿与编辑、数据分析、概念构建。Martina A. Chacón-López:撰写——

资金来源

本研究得到了墨西哥科学技术创新部(SECIHTI)通过项目CBF-2025-I-1476的支持。

未引用参考文献

[27], [28]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢墨西哥科学技术创新部(SECIHTI)通过项目CBF-2025-I-1476提供的支持。同时,作者也感谢墨西哥国家技术学院/特皮克技术学院为本研究提供的设施。G. Cárdenas-Flores感谢SECIHTI提供的博士研究奖学金。

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