（植物学专业论文）超声处理对地灵组培苗生长影响的研究.pdf

超声处理对地灵组培苗生长影响的研究 曾弦 摘要：植物与环境是相互作用不可分割的统一体，两者相互依赖，相互影响。 环境因子对植物生长的影响是植物生理学中的一个热点。相对于电磁波、光、热、 声波等环境因子，超声波对植物的生长、发育的研究起步较晚。研究发现超声波 对植物生长发育中的许多生理生化过程都有明显的影响。 本文以地灵s t a c h y ss i e b o l d i im i q 组培苗为实验材料，通过不同时间及频率的 超声处理，探讨地灵组培苗在超声处理后的生长变化情况。论文采用由表及里， 由宏观到微观的观察方法，分别从植物个体水平、组织水平、细胞水平以及分子 水平来上研究及探讨超声处理前后地灵组培苗在外部形态、显微结构、超微结构 及基因水平上的变化，试图从不同水平揭示超声处理对植物诱变的机理。旨在从 植物生理生化角度对超声在促进植物生长机理方面做一些有益的探索。目前取得 的实验结果如下： 1 超声处理可以对地灵组培苗的外观形态造成一定的影晌。超声处理还能够对 植株细胞造成损伤。对超声处理后的地灵叶片进行愈伤组织的诱导，结果发现出 现愈伤组织的时间比对照组提前，但在愈伤组织生长后期，愈伤组织的增殖没有 明显变化。此外一定时间的超声处理，还可以促进植株腋芽的生长。超声具有复 杂的生物学效应，从我们的实验结果看，一定时间范围和功率的超声处理可以促 进某些植物的生长，使形成愈伤组织的时间提前。因此可以通过超声来处理某些 采用愈伤组织获得次生代谢物的植物，以缩短实验周期。 2 超声处理地灵组培苗，能够引起地灵细胞亚显微结构的改变。短时间的处理 可以使细胞发生质壁分离，并且对叶绿体、细胞核等细胞器形成轻微损伤；处理 时间超过一定限度，则引起细胞膜破裂，细胞核严重变形，线粒体、叶绿体结构 不完整，细胞受到较大程度的伤害。此外，超声处理可以影响地灵叶片表面气孔 的开张程度。短时间的超声处理可以促进气孔的开张。 3 超声处理促进了细胞内相关酶的合成。地灵组培苗经超声处理后，由p o d 、 c a t 和s o d 构成的保护酶系统的活性随处理时间的增加而增强，但达到一定的阈 值后又出现不同程度的下降。保护酶系统可以消除植物组织中产生的自由基，避 免其对植物细胞内的核酸和染色体产生危害，因此其活性的升高对植物的生长有 重要意义。 4 超声处理使细胞的部分基因表达发生了变化，尤其是使基因表达量发生了改 变。地灵组培苗经超声处理后，对其提取的过氧化物酶进行了聚丙烯酰胺凝胶电 泳分析，发现超声处理后各组的过氧化物酶同工酶谱的染色比对照组深，但并没 有出现新的酶带。 5 超声处理造成基因表达方式发生了变化。这是细胞内部调节系统活动的结 果，是植物对外界环境适应的表现。我们分别测定了超声处理前后d n a 和可溶性 蛋白质的含量的变化。结果发现大部分经过超声处理过的地灵组培苗的核酸含量 有着显著的增加。其原因可能是适宜的超声处理能够加速和诱导细胞分裂，刺激 细胞增生，细胞的分裂增加将导致细胞数量的增加，所以单位体积内d n a 的含量 有所上升。同时，超声处理后地灵组培苗可溶性蛋白质含量有很大的提高，这说 明超声处理可能使有关应力响应基因开启，转录相应的m r n a 并翻译出蛋白质。 关键词：超声处理：地灵；亚显微结构；保护酶：同工酶 l j s t u d yo nt h ee f 弛c to f u l t r a s o n i ct r e a t m e n to i lt h eg r o w t ho fc u l t u r e d s t a c h y s s i e b o l d i is e e d l i n g s z e n g x i a n a b s t r a c t ：p l a n ta n de n v i r o n m e n ta r ed e p e n d e n to ne a c ho t h e r n o wt h ee f f e c to f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nt h eg r o w t ho fp l a n ti so n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c h e si np l a n t p h y s i o l o g y t h er e s e a r c ho n t h ee f f e c to fu l t r a s o u n do nt h eg r o w t ho f p l a n t ，c o m p a r e d w i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e ，l i g h ta n dh e a t ，w a ss t u d i e dl a t e l y i th a sb e e nf o u n dt h a t u l t r a s o u n dc a l lg r e a t l yi n f l u e n c et h eg r o w t ha n dd e v e l o p m e n to fp l a n t i nt h i st h e s i s ， s t a c h y ss i e b o l d i im i q s e e d l i n g sw e r e c u l t u r e da n dt h ee f f e c to fu l t r a s o n i ct r e a t m e n to i l t h e i rs e e d l i n g sw a se x p l o r e d i nt h i st h e s i s ，t h ee x t e r i o rc h a n g e so fu l t r a s o n i ct r e a t m e n to nt h ec u l t u r e ds s i e b o l d i i s e e d l i n g s w e r e p r i m a r i l y o b s e r v e d t os t a r tw i t l lt h ev a r i a t i o no ft h e m a c r o s t r u c t u r e ，w ep r i m a r i l yd i s c u s s e dt h e m e c h a n i s ma tt h eo r g a n i c ，c e l l u l a ra n d s u b c e l l u l a rl e v e l ，a n dt h e nw e n td e e pi n t ot h em o l e c u l a rl e v e lt oe x p l o r eh o wu l t r a s o u n d c o u l di n f l u e n c et h em a c r o s t r u c t u r e ，m i c r o s t r u c t u r e ，u l t r a s t r u c t u r ea n dg e n ee x p r e s s i o n w e a n a l y z et h ep h y s i o l o g i c a la n db i o c h e m i c a lp r o c e s so fp l a n t t h em a i nc o n t e n t sa n d r e s u l t so f r e s e a r c hi nt h i st h e s i sa r ea sf o t l o w s 1 t h ee f f e c to fu l t r a s o n i ct r e a t m e n tc o u l dd a m a g ec u l t u r e d & s i e b o l d i is e e d l i n g si n m a n ya s p e c t sa n di n d u c em u t a t i o n t h ed a m a g eo fm e s o p h y l lc e l li so n eo ft h e m w e o b s e r v e da n df o u n dt h a tt h el e a v e sc a l l u sf o r m a t i o nt i m eo fu l t r a s o u n dt r e a t m e n tg r o u p s w a ss h o r t e n e dc o m p a r i n gw i 1t h ec o n t r o lo n e s h o w e v e r , t h e r ew a sn oa p p a r e n t d i f f e r e n c ed u r i n gt h el a t e rg r o w i n gp e r i o d ，w h i c hi n d i c a t e dt h a tu l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，t o s o m ed e g r e e ，c o u l ds t i m u l a t et h e a b i l i t y o fd e d i f f e r e n t i a t i o n m o r e o v e r , u l t r a s o u n d c o u l da c c e l e r a t et h e g r o w t ho fa x i l l a r y b u d s u l t r a s o u n dh a sp r o f o u n db i o l o g i c a l f u n c t i o n s f r o mt h er e s u l t so ft 1 1 i st h e s i s ，w ef o u n d 惭t l lc e r t a i ni n t e n s i t ya n df r e q u e n c y ， u l t r a s o u n dc o u l da c c e l e r a t et h eg r o w t ho fs o m ep l a n t sa n ds h o r t e nt h ec a l l u sf o r m a t i o n t i m e s ow ec o u l du s eu l t r a s o u n dt ot r e a ts o m ep l a n t sf r o mw h i c hw ec o u l dg e t s e c o n d a r yp l a n ts u b s t a n c e i no r d e rt os h o r t e nt h ee x p e r i m e n t a l p e r i o d 2 t h ee f f e c to fu l t r a s o n i ct r e a t m e n to nt h ec d t u m d s i e b o l d i is e e d l i n g sc o u l d c h a n g et h e i rs u b m i c r o s c o p i cs t r u c t u r e i ft h e y a r et r e a t e dw i t h r e l a t i v e l ys h o r tp e r i o do f t i m e ，p l a s m o l y s i sh a p p e n s ，s i m u l t a n e o u s l ys o m eo r g a n d i e ss u c ha sc h l o r o p l a s ta n d n u c l e u sc a nb ed e s t r o y e d h o w e v e ri ft h e ya r et r e a t e dw i t hr e l a t i v e l y l o n gp e r i o do f t i m e ，c e l lm e m b r a n ec a nb ed e s t r o y e da n dn u c l e u sc a nb es e r i o u s l yd i s t o r t e d m o r e o v e r , i i i u l t r a s o n i ct r e a t m e n tc o u l di n f l u e n c et h es u r f a c es t o m a t a lo p e n i n g so ft h ec u l t u r e ds s i e b o l d i il e a v e s u l t r a s o u n dc o u l dp r o m o t es t o m a t a lo p e n i n g sw h e nt r e a t e dw i t hs h o r t t i m e 3 w h e nc u l t u r e dss i e b o l d i is e e d l i n g sw e r et r e a t e du n d e ru l t r a s o u n dw i t hac e r t a i n p o w e ra n df r e q u e n c y , t h er e s u l t ss h o w e dt h ea c t i v i t i e so fs u p e r o x i d ed i s m u t a s e ( s o d ) ， p e r o x i d a s e ( p o d ) a n dc a t a l a s e ( c a t ) i n c r e a s e da tv a r y i n gd e g r e e s t h e s et h r e e e n z y m e sa r ec a l l e dp r o t e c t i v ee n z y m e s ，w h i c ha r et h ec l a s s i c a lp a r a m e t e r sr e f l e c t i n g a d v e r s i t yr e s i s t a n c ei np l a n t s t h r o u g h t h e s er e a c t i o n s ，f r e er a d i c a l sc a l lb em a i n t a i n e d a tl o wl e v e l si n p l a n tc e l l s n ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si m p l i e dt h a t t h ea c t i v i t i e so f p r o t e c t i v ee n z y m e sr o s ew i t ht h ei n c r e a s i n g l yt r e a t e dt i m et o s o m ee x t e n t ，a n dt h e i r a c t i v i t i e sd e c r e a s e dw h e n t h e ya r r i v e da ts o m el i m i t s t h er e s u l t si m p l i e d t h a tt h er i s i n g a c t i v i t i e so f p r o t e c t i v ee n z y m e s w e r ec a u s e d b y t h ea c c e l e r a t i o no f e n z y m es y n t h e s i si n p l a n tc e l l su n d e r u l t r a s o n i ct r e a t m e n t 4 w ea n a l y z e dt h ep e r o x i d a s ei s o e n z y m e sw i t hp o l y a c r y l a m i d e d e le l e c t r o p h o r e s i s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ec h a n g e so fg e n ee x p r e s s i o nu n d e ru l t r a s o n i ct r e a t m e n t 1 1 1 e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ea c t i v i t i e so fp o di s o e n z y m e si n c r e a s e du n d e rt h e u l t r a s o u n d c o m p a r e dw i t h t h ec o n t r o lg r o u p s ，t h e r ew a sn on e w e n z y m eb a n di np o d e l e c t r o p h o r e t o g r a mf o re x p e r i m e n t a lg r o u p s i ti m p l i e st h a tg e n ee x p r e s s i o ni np l a n t c e i l sm i g h th a v ec h a n g e du n d e ru l t r a s o n i ct r e a t m e n t 5w ec o u l di n f e rf r o mt h er e s u l t st h a tg e n ee x p r e s s i o nc h a n g e du n d e ru l t r a s o n i c t r e a t m e n t i tw a s j u s ta d a p t a b i l i t yt ot h ee n v i r o n m e n t c o m p a r e d 谢血t h e c o n t r o lg r o u p ， t h ec o n t e n to fd n ao fm o s te x p e r i m e n t a lg r o u p si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y u l t r a s o n i c t r e a t m e n tc a np r o m o t ea n di n d u c ec e l ld i v i s i o n ，i n c r e a s et h en u m b e ro fc e l l s ot h e c e n t e n t so fd n a i n c r e a s e d s i m u l t a n e o u s l ys o l u b l ep r o t e i n si n c r e a s e do b v i o u s l y t h e r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a te x p r e s s i o no fg e n er e l a t e dt os t r e s sr e s p o n s es t a r t e da n dt h e t r a n s c r i p t i o nl e v e li n c r e a s e du n d e r u l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，a n dc o n s e q u e n t l yt h es y n t h e s i s o f p r o t e i n si n c r e a s e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ct r e a t m e n t ，s t a c h y ss i e b o l d i i ，s u b m i c r o s c o p i c ，p r o t e c t i v e e n z y m e ，i s o e n z y m e 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表 或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明并表示谢意。 作者签名唁；复日期：塑堕：! ! 厂 学位论文使用授权声明 本人完全了解陕西师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。 保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者虢唁蕴日期：力c 世j 。，考 1 前言 植物与环境的关系是非常密切和统一的。植物生长需要自然界提供必需的水 分、阳光和营养物质；同时环境的质量又与植物的生长紧密相关。植物既是天然 氧气“制造厂”，又是二氧化碳的“广阔市场”，植物是空气净化器和天然消音器， 并且可以充当大气污染报警器。在自然界，植物生长在开放的系统中，经常遇到 恶劣环境的影响，主要有强光、高温、干旱、水涝和高盐等逆境的胁迫。在某 地区特定生态因素的长期影响下，植物形成了适应于该环境的形态特征、内部结 构和生理生化特性，由此体现出植物的高度适应性。鉴于植物与环境的密切关系 对自然界的重要影响，植物生长与环境的关系一直是物理学家和生物学家所关心 的课题。 1 1 环境与植物生长关系研究的国内外研究现状 1 1 1 环境因子对植物生长韵影响 人们最早研究的环境因子是触摸及风的作用，触摸效应取决于局部剪切或施 加的机械应力所引起的不同形变，由此产生的拉伸和压缩也能造成局部剪切和不 同形变。这说明植物细胞对轻微的机械应力还是比较敏感的。人们还观察到，机 械刺激可以对植物的生长产生明显影响，其中影响最为明显的是攀缘植物。另外 还有人观察到如下一些现象：某些植物受到敲击后茎会变粗变短：某些植物茎受 到磨擦后合成乙烯，随后茎变粗变短：某些植物的根受到敲击后它的生长会在几 小时内受到阻碍：另外人们发现由于风的作用而引起的周期性震动也对植物的形 态发生有明显的影响【l j 。 在自然界中，由于植物生长在开放性的环境以及自身的不动性，其不可避免 的要受到风吹、雨打、触摸、声波、电场、高温、电磁辐射等环境因子的影响。 越来越多的研究表明，在环境因子的作用下，植物生长过程中的许多生理生化指 标都会发生一定的变化。已有的研究表明，用磁场或电场等物理因子模拟环境因 子的作用，控制一定条件来处理种子，可以提高种子活力，提高幼苗的抗逆能力。 夏丽华1 2 1 通过研究发现，番茄种子在经过磁场处理后，其种子活力明显提高，并且 根据种子活力及苗期长势初步确定出该种子的最佳处理磁场的磁感应强度为 3 0 0 m t ，最佳处理时间为1 0 m i n 。该研究还发现育苗土在经过磁场处理后对苗期长 势也具有明显的促进作用。同样，杨体强1 3 】等人用不同电场强度处理油葵种子，在 田间以及实验室分别测定了经电场处理后油葵种子对苗期干旱胁迫的反应时发 现，种子经电场处理后，其抗旱能力有了明显的提高。在0 5 k v c m 一6 0 k v c m 场 强范围内不同电场强度对其生长的影响程度不同，与对照组相比，田间出苗率提 高4 1 1 孙一2 8 o ，根冠比提高6 6 0 孙一3 8 7 ，植株萎蔫程度降低5 0 一9 5 ， 产量提高3 4 0 一1 7 9 ，含油率提商1 0 3 6 2 3 个百分点。 环境因子对植物细胞超微形态结构也有重要的影响。叶绿体是对水分胁迫最 为敏感的细胞器之一。陈京 4 1 等人研究发现在水分胁迫下，叶绿体的形态和结构随 着胁迫强度的不同而发生不同的变化，1 5 p e g 下叶绿体的外部形态明显膨胀， 叶肉细胞内部的基质空间增大，基粒清晰程度较对照模糊，经2 5 p e g 处理，基 粒十分模糊，基粒片层难于分辨，且部分叶绿体被膜的局部产生变形、破裂，从 空间位置上看，叶绿体已远离细胞壁发生了位移( 即发生了质壁分离) ，导致光合 能力下降。质膜流动性是细胞膜维持正常结构的基本特性，其变化会影响细胞膜 的稳定性和通透性，引起细胞内外物质交换及梯度差等发生紊乱。质膜膜脂的流 动性对逆境胁迫极为敏感，在研究低温胁追对植物影响时v i g h t 5 】等发现质膜膜脂 流动性发生较大变化，并且证实质膜膜脂流动性影响着d e s a 基因的表达，研究认 为质膜流动性的改变是植物感受环境温度变化的原始信号。在渗透胁迫方面， z e l a z n y 【6j 等认为质膜膜脂流动性作为原初过程通过影响位于质膜中的渗透感应机 制而调控着杜氏盐藻的渗透调节。 同工酶是指来源于生物体中那些蛋白质结构不同而催化同一反应的酶，它们 是不同基因编码的表达产物，是基因表达后分子水平的表型。研究同工酶谱有可 能找到相关基因、并能研究该基因表达和代谢、细胞和整体表型的关系。它们是 生物体的天然标志，可以反映出生物体内的各种变化。越来越多的研究表明，在 环境因子的作用下，植物生长过程中一些同工酶的活性及表达会产生一定的变化。 习岗f 等人研究了磁场作用对植物生长的影响，结果发现由s o d 、p o d 、c a t 构 成的保护酶系统的活性增强，p o d 同工酶谱出现新的酶带，同时p o d 酶促反应体 系的动力学参数也发生了变化。 随着各种新的植物研究方法的应用以及测试手段的提高，研究者开始将力学 的研究方法用于植物细胞和亚细胞层次的研究。研究机械刺激对植物细胞分裂方 向的影响就是一个典型的例子，该研究发现无菌培养的植物组织当施加的应力强 度在5 0 0 - 8 0 0 m g m m 2 时，其细胞的分裂活动呈现明显的有序化【8 】。在此基础上又 进一步深入研究发现，把单个的原生质体或完整的植物细胞包埋于琼脂块中进行 加载实验，用光弹性显微镜进行观察，发现细胞的分裂取向或者平行于主应力线 或者垂直于主应力线，并且细胞的分裂方向与距离加载位点的远近有关【9 1 。尽管这 一工作已清楚的表明细胞对机械刺激的感受和做出响应是单个细胞固有的特性， 但是单个细胞究竟是如何把机械的力信号传递给分裂取向的，即单个细胞的分裂 2 取向与其感受外界信号的机理是什么，目前尚不清楚。 许多研究表明，植物在遭受环境因子的作用后，其细胞结构会发生变化【f o a l 。 空间飞行后，许多植物叶片细胞壁变薄且凸凹不平，其薄化程度因植物种类不同 而异，一般表皮细胞的外壁减薄率晟高。对于环境因子的刺激，植物通常会出现 异常的细胞分裂和染色体变异。常见的细胞异常分裂为有丝分裂指数的改变，有 丝分裂不同阶段出现的细胞歧化和反常的分裂数，染色体在分裂中期不沿赤道板 排列，后期不分离或不能均衡分向两极，甚至多极有丝分裂等。染色体变异中常 见的是染色体桥、断片和微核，其次是超倍体、亚倍体等数目的改变。磁场、辐 射等物理刺激均能引起细胞分裂的异常，导致染色体的各种畸变【l “1 4 1 ，而这种染 色体畸变对植物的生长发育乃至遗传特性可能产生重大的影响。 1 1 2 环境应力的提出和发展及对植物生长双向作用研究 早期的环境生物研究者单纯从光照、温度、水分、矿物质养分、有机养分等 来研究植物的应力效应而随着研究的不断深入，人们发现除这几种因素外，外 界的许多自然和人为的因素都会对植物造成影响，都是植物的应力源。于是，人 们把所有这些应力源作了一个划分，提出了环境应力的概念。环境应力是指一切 自然的或人为施加于植物体的应力，它包括自然和人为两大应力源。 l i c h t e n t h a l e r t ”】把应力区分为积极应力和消极应力，他在研究中发现，“适度 的( 一般是轻微的) 应力可以促进细胞的同化作用，促进植物的生理活动，并且 即使在长时间的作用下也不会产生任何破坏性的影响，这种适度的刺激应力对植 物是有利的。”重庆大学的研究者通过研究发现，植物对应力的响应，可根据应力 强度的大小及作用时间，表现为四个阶段【1 6 1 ： 报警阶段：在应力作用以前，植物处于一种标准的生理状态。当植物受到应 力作用后，植物的正常生理标准功能就会下降，如光合作用、代谢产物的传输等 功能下降。如果施加的应力强度适宜，那么植物的应力处理机制将被激活。比如 修复过程的起动，形态学上的缓慢适应，这样在报警阶段植物会建立起新的生理 标准并逐渐得到强化。如果施加的应力强度过大，超过植物的承受能力，也就是 超过植物的应力阈值，将导致植物的严重破坏甚至死亡。 抵抗阶段：继续施加应力使其超过植物承受能力，植物处于应力抵抗阶段， 在这一阶段，植物一般表现出一种较稳定的生理状态。 疲劳阶段：持久施加应力，植物呈疲劳状态，表现为生理功能和生命力的进 一步丧失，如果进一步施加应力，可能导致植物细胞的严重破坏或细胞死亡。 再生阶段：当应力源在植物呈现疲劳状态时，被及时消除，植物得到修复， 有可能达到一种更好更高的生理标准，具体表现为植物抗逆能力的进一步强化。 因此，从植物应力响应的四个阶段我们可以看出，应力对植物的作用有两方 面的影响，如果我们可以控制好外界应力对植物的作用时间和强度，就可以利用 环境应力促进植物的生长发育。 我们运用人工创建的植物生态环境，改变作用于植物的环境应力，强化植物 的生理机能，优化植物的种性。它有以下几个优点： 1 ) 提高植物的抗逆性，使植物的适应能力更强； 2 ) 提高植物的产量，使植物的经济价值更高； 3 ) 提高种苗的繁殖系数，加快种苗的生长速度； 4 ) 可以克服一些通过传统的植物组织培养技术无法培养成功的植物品种。 1 2 功率超声的研究现状 1 2 1 功率超声的产生和作用原理 声学是一门渗透性很强的学科，现代声学技术与较多的学科或技术相互交叉， 相互促进，形成了许许多多的分支，功率超声就是其中之一。研究超声波的超声 学已有很长的历史，早在1 8 3 0 年s a v a r t 用齿轮第一次产生2 4 x 1 0 4 h z 的超声波【1 7 j 。 1 9 2 7 年w o o d 和l o o d m i s 首次发表对超声能量作用的实验报告，为今天称为功 率超声学奠定了基础。到2 0 世纪5 0 年代为止已出现大量有关功率超声的文献报 道趴。我国对超声的研究始于1 9 5 6 年，迄今，有关于超声的理论研究和应用研究 都取得了较大的进展。 超声技术是通过超声波产生传播及接受的物理过程完成的。按超声振动辐射 大小不同大致可以这样划分：用超声波使物体或物性发生变化的功率超声和用超 声波得到若干信息，获得通讯应用的检测超声。一般所说的功率超声是指频率在 1 0 4 h z 3 1 0 6 h z 之间，声强从0 1 2 w c m 2 到几百w e r a 2 的超声。描述超声场的特 征量有：声压、声强、特性阻抗。声压是指超声场中某点时刻具有的压力p 与无 超声存在时的静压力p o 之差。声强是指在垂直于波行进方向上每秒每平方厘米所 传递的能量。特性阻抗是反映介质的声学性质l l 。 1 1 2 超声设备 功率超声的主要由四个部分【1 9 1 组成：超声波聚能器、大功率超声波换能器， 电功率源及功率超声源与换能器之间的匹配电路。 超声聚能器是功率超声振幅的机械放大器，可以提高超声功率，进一步增大 换能器前端的振幅，聚能器有四大作用：第一，用作放大位移振幅，把能量集中 至较小的面积上：第二，可作为机械抗阻变换器，使换能器更好的与声负载匹配： 第三，固定整个机械系统从而减少机械能的损耗：第四，变幅杆使换能器和工作 4 酶质量之间得到热学和化学上的隔绝。主要有四种类型的聚能器：等截面变幅聚 秆能器、组合变幅杆聚能器、半波长聚能器、四分之波长聚能器。 超声换能器是将其他形式的能( 电、磁) 转化为声能的装置。目前使用较多 的有：液哨式发生器、磁致伸缩换能器、电致伸缩换能器。液哨式是机械发生器， 其原理是将液体高速通过狭缝，撞击到一接受腔，从而将机械能转化为声能：磁 致伸缩换能器是利用磁致伸缩效应产生声能，即：片状磁铁材料叠成棒状或管状， 置于棒轴方向的磁场内，当磁场发生改变时，棒的长短也发生改变，产生震动， 发出声能。电致发生器是目前应用最广的一种，其原理是利用压电效应和反压电 效应达到换能目的。压电效应和反压电效应是指一些物质晶体( 如石英、云母等) 在电场的作用下产生伸缩，当加入一定频率的电流时，晶体就会以相同频的率振 动，从而将电能转化为声能。 除了超声换能器和超声电源等设备，用于超声场中的容器也至关重要，因为 超声在介质中衰减的特别快，合理的介质才能提高超声的利用率。 1 2 3 功率超声对植物生长的研究现状 与其它环境应力一样，超声作为应力的一种作用形式，对植物的生长发育有 重要影响。近年来，在超声处理下，从对植物生长变化的宏观观察到对植物生理 生化的变化研究，从对植物细胞、组织、分裂生长的影响研究到对超声处理对植 物作用机理的探讨，均取得了很多的成果。 1 2 3 1 功率超声对植物的宏观生物学效应 超声处理植物后，植物会在外观上发生一些变化，如植株高度的改变，植株 直径的改变，植株外观颜色的改变等。超声所引起的空化作用还可以对细胞结构 造成直接的损伤，如细胞壁的损伤以及细胞膜的破损等。 1 2 3 2 超声处理对植物呼吸作用的影响 关于植物呼吸作用的研究一直是植物生理学研究的一个热点，特别是对一些 农作物来说，其呼吸强度的大小直接关系到产量的高低。具有十分重要的理论和 实际意义。1 9 7 5 年a l b ue 研究发现用低频率的超声( 2 5 k h z ) 处理蔬菜之后，一 年生植物( 如番茄和黄瓜) 的呼吸强度下降，而两年生植物( 如卷心菜和洋葱) 的呼吸强度上升1 2 0 1 。由此我们可以推测，利用超声处理相关的农作物可以提高作 物的产量。 1 2 3 3 超声处理对种子萌发率的影响 超声处理可以影响种子的萌发率，且这种影响具有种的特异性。研究发现在 温和的超声处理条件下可以得到较高的静子萌发率，面延长超声处理的时间、处 理时间超过其承受的最大值之后，种子胚的死亡率就会升高，种子的萌发力自然 就会下降。因此，在讨论超声处理对种子萌发的影响时，不同的处理条件如超声 处理的强度大小以及处理的时间长短都会不同程度的影响种子的萌发，导致结果 有所差异1 2 1 t 。 超声处理能够提高种子萌发率的机理目前尚在研究之中，d e b s k aw 和 w a l a s i a k a 在实验中发现：细胞在经过超声处理后，会发生结构和功能上的变化。 高度液泡化的细胞膜经历了结构上的重新排序和核蛋白的损伤。不同的起声处理 时间和处理频率会对细胞发生促进或抑制效应，这种效应体现在种子萌发率的大 小和植物的生长上，通常促进的效应比较明显。超声处理后，增大的分散率导致 细胞器对氧气利用率的增加，从而增强了细胞的代谢能力 2 4 1 。a k o p y a nvb 研究 了超声处理和p 氨基苯甲酸对番茄萌发力和生育力的影响，实验结果表明超声处 理可以提高番茄对p 氨基苯甲酸的敏感性，从而导致了生育力的升高【2 5 1 。 1 2 3 4 超声处理对植物生长的影响 超声处理可以影响植物体或者植株的某些器官的生存和生长。对植物器官生 长影响的研究主要集中在根上，研究发现温和的超声处理可以促进生根【2 6 】，而进 一步的定位实验表明，超声对根的影响部位主要位于根内的伸长区1 2 ”。研究发现 超声对根的作用以及影响机理与x 射线、细胞毒素药物( 如长春花碱、紫杉醇) 韵作用梳理不同 2 8 , 2 9 1 。 植物细胞在经过超声处理后，会出现一致的现象，即低剂量、短时间的温和 处理能明显加速和诱导植物细胞的分裂、刺激细胞生长、加速原生质体的蛋白质 合成。但而如果超声处理的时间延长、处理剂量加大则会造成不可恢复的影响 口“，甚至是细胞的死亡。 b o h mh 等用超声处理矮牵牛花的悬浮细胞来研究其 生理变化，经过观察发现矮牵牛花的悬浮细胞经超声处理后，其修复过程与碱性 磷酸盐相关。而这种碱性磷酸盐浓度的升高是由超声机械性损伤引起的：矮牵牛 花的悬浮细胞经超声处理后。其过氧化氢酶活性也有拜高，这表明自由基积其它 有害的化学物质有所增多，而乳酸盐脱氢酶的稳定活性则表明超声处理没有对呼 吸链及细胞的完整性造成伤害1 3 3 。 1 2 3 5 超声处理对植物种子的影响 从二十世纪五十年代起，各国学者就开始着手进行超声处理水稻、麦子、玉 米、药物、水果、蔬菜等农作物种子的研究，并且取得一定的成果。用2 0 k h z 、 2 5 0 w 的超声处理“先锋l 号”早稻种子7 9 s 和“6 9 1 ”种子1 5 s 可以使“先锋1 号”早稻增产1 0 ，“6 9 i ”早稻萌发率增高并增产9 。用2 0 对 2 、2 5 0 w 的超声 作用冬小麦种子2 0 s 可以使其种子萌发率、出苗率提高，并且增产9 3 2 8 7 。 用2 0 k h z 、4 2 2 w c m 2 的超声作用玉米种子6 s 可阻使种子萌发率提高4 0 f 3 4 】。通 6 常条件下，超声处理植物种子的实验是在水浴中进行。最近俄罗斯学者研究了在 播种前几个月用频率为2 0 k h z 、振幅为1 4 0 u m 的超声连续处理干燥种子，在以 后的种子包装运输过程中，干燥种子比在水浴中处理得到的湿种子更简便，该法 能使向日葵种子在土壤中萌发率提高3 倍，使番茄成熟期缩短1 0 天f 3 4 】。 1 2 3 6 超声处理对植物体代谢的影响 超声处理可以影响植物体代谢。研究表明：至少淀粉、柠檬酸、酯类物质、 挥发性物质的代谢受到了促进和影响p ”o 】 1 2 3 7 超声处理对植物病毒的影响 植物病毒作为一种病原物质在自然界中存在相当广泛。自从第一个植物病毒 即烟草花叶病毒发现以来，迄今为止所报告的植物病毒种类已经超过了上千种。 植物病毒可以浸染多种植物，同时一种植物又可被多种植物病毒侵染。植物病毒 对农作物的危害可使农业生产遭受巨大的损失。通常病毒侵染首先是引起寄主在 生理生化和新陈代谢上的变化，接着引起细胞结构的变化，最后导致宏观病症的 出现。超声的广泛应用让研究人员在攻克植物病毒这个“植物癌症”方面看到了 曙光。 1 9 8 5 年h a b i bhm 研究发现：超声处理影响了烟草花叶病毒的侵染能力，病 毒提取物在超声处理0 5 2 5 m i n 后，其感染力仍然严重，而超声处理9 m i n 后， 其8 3 4 的感染力被抑制，超声处理1l m i n 后，其感染力完全被抑制。在电镜下 观察烟草花叶病毒微粒的长度分布表明，超声处理导致了短的烟草花叶病毒碎片 比例的上升1 4 “。m i t r a d k 和m a j u m d a r m 研究了超声处理对烟草花叶病毒侵染的 抑制效应。他们将5 m l 的病毒提取物放入耐热的玻璃试管中，置于冰上并接受不 同时间的超声处理，当超声处理7 m i n 后获得了大约9 4 9 6 的抑制效应【4 2 】。 1 2 3 8 超声处理对培养细胞生长和生理现象的影响 s h a d er 。e 。等人研究了低剂量的超声处理对鱼腥藻和月芽藻的生长率的影响。 研究发现超声的频率、超声的能量以及剂量水平都会影响细胞培养的生长率。鱼 腥藻的生长率被单一、多重的超声处理所促进上升，但同时超声处理月芽藻后其 生长率却有所下降，这个实验说明生长率的变化与细胞团聚的程度相关。低剂量、 短时间的超声处理诱导了培养的藻类细胞的生长率的变化1 4 3 1 。同样，以鱼腥藻和 月芽藻为实验材料，f r a n e k o 和t a y l o rs r 研究了低剂量的超声处理对其生理变化 的影响，发现在缺乏营养培养的介质中培养的月芽藻，经过超声处理后，生长缓 慢，比未经处理的月芽藻含有较高的碱性磷酸酶活性。实验还发现藻类细胞接受 超声处理之后的主要的生理学和代谢变化其幅度和方向都是具有种特异性的1 4 4 1 。 1 2 3 9 超声处理在生物工程中的应用 1 9 9 4 年，许宁1 4 副等人利用超声所产生的空化作用，将外源基因导入植物组织 和原生质体中，获得了极高的稳定转化率，从而发明了超声波介导的基因转化法， 现已应用于小麦幼胚【4 5 】和动物细胞，并且取得了良好的效果。董云洲用超声 波诱导g u s 基因转化烟草花粉获得了3 7 5 g u s 基因短暂表达，进一步说明超声 波能够使细胞膜通透性增强，具有高效诱导外源基因进入细胞的能力。 近年来，不同形态的超声波以不同的形式不断的用于基因转导，包括脉冲、 连续波、冲击波和旋转管等【4 ”。 超声波可以改变细胞膜通透性的原理使得其在发酵工程中也有重要的作用。 超声处理可以使细胞产生的代谢中间产物和终产物释放到细胞外。j u c h u 4 9 1 等人用 2 5 k h z ( 8 0 w ) 的超声波发生仪处理生产庆大霉素的m i c r o m o n o s p o r as p p 细胞1 5 0 s ， 发现细胞释放的庆大霉素由原来的3 8 3 上升到7 5 8 。y o s h i oi s h i m o i y 5 0 1 ，使用 1 5 w 的超声波作用于黑曲霉，能够使葡萄糖氧化酶不断的从活细胞中释放出来。 1 2 4 超声的生物效应及其作用机理 超声的生物效应十分广泛，其主要的生物效应是空