DOI: https://doi.org/10.1007/s11090-025-10612-w
تاريخ النشر: 2026-02-19
المؤلف: Shuning Yuan وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات البلازما والتشخيصات
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير معالجة البلازما الباردة بتفريغ الحاجز العازل (DBD) على إنبات واستجابات القمح الفسيولوجية مع محتوى رطوبة 16%، محاكاة لظروف التخزين الرطب. تم تعريض بذور القمح لعلاجات عند فولتية 60 فولت، 70 فولت، و80 فولت لمدة 90 ثانية. تشير النتائج إلى أن معالجة البلازما تثبط بشكل كبير معايير الإنبات، بما في ذلك معدل الإنبات، والقدرة، ومؤشر الحيوية، بطريقة تعتمد على الفولتية (p < 0.05). على وجه التحديد، أدت أعلى فولتية (80 فولت) إلى تقليل بنسبة 46% في معدل الإنبات مقارنةً بالشاهد. بالإضافة إلى ذلك، تأثرت مقاييس نمو الشتلات مثل طول الساق والجذر، بالإضافة إلى الوزن الطازج والوزن الجاف، سلبًا. كشفت التحليلات الكيميائية الحيوية عن انخفاض في أنشطة الإنزيمات الرئيسية المشاركة في تحريك المغذيات، مما يشير إلى أن معالجة البلازما تعطل العمليات الأيضية وبنية البذور. تخلص الدراسة إلى أن معالجة البلازما الباردة تثبط بشكل فعال الإنبات في بذور القمح، مع تزايد التأثيرات المثبطة مع ارتفاع مستويات الفولتية. يُعزى ذلك إلى قمع نشاط الإنزيمات بواسطة الأنواع التفاعلية الناتجة أثناء المعالجة وتأثيرات حرارية تؤدي إلى تغيير بروتينات. يقلل التفريغ الموضعي لبلازما DBD من الإجهاد التأكسدي والأضرار الهيكلية، مما يجعلها نهجًا مستدامًا بيئيًا لإدارة الحبوب بعد الحصاد. التغيرات الكيميائية الحيوية المستمرة الناتجة عن معالجة البلازما تقدم استراتيجية جديدة للتخزين طويل الأمد للبذور من خلال الحفاظ على النشاط الإنزيمي عند مستويات دون المثلى، مما يقلل من الخسائر الزراعية ويحافظ على جودة الحبوب. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين معايير المعالجة، واستكشاف الاستجابات الصنفية، ودمج تقنيات الحفظ التكميلية لتعزيز فعالية تكنولوجيا البلازما الباردة في الزراعة المستدامة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للحبوب، وخاصة القمح، كمصدر غذائي رئيسي، مما يبرز أهمية جودة البذور لإنتاجية المحاصيل. تتناول التحديات التي تطرحها الظروف الجوية المتقلبة والتغيرات البيئية التي تهدد إنبات البذور والمحاصيل، مما يستلزم تقنيات حفظ فعالة لتعزيز معدلات الإنبات وصحة النباتات. تُقدم البلازما الباردة (CP)، وهي طريقة معالجة منخفضة الحرارة تستخدم الغازات المؤينة والأنواع التفاعلية، كحل واعد لتحسين استقرار تخزين البذور وتأخير الإنبات المبكر في ظل ظروف دون المثلى.
تناقش هذه الفقرة تطبيق بلازما تفريغ الحاجز العازل (DBD)، التي تعدل خصائص سطح البذور دون التسبب في أضرار حرارية، مما يعزز معدلات الإنبات وأنشطة إنزيمات مضادات الأكسدة في القمح. ومع ذلك، تشير إلى تباين في النتائج بسبب استجابات الأصناف المحددة ومعايير المعالجة، حيث أفادت بعض الدراسات بتقليل الإنبات المرتبط بمعالجات البلازما عالية الكثافة التي قد تسبب إجهادًا حراريًا. تهدف الدراسة الحالية إلى محاكاة ظروف التخزين الرطب عند محتوى رطوبة 16% لتقييم تأثير معالجة البلازما على إنبات القمح ونمو الشتلات، باستخدام اختبارات كيميائية حيوية وتقنيات تصوير متقدمة لتحليل الاستجابات الفسيولوجية والتعديلات السطحية الناتجة عن المعالجة.
طرق
في هذه الدراسة، كانت صنف القمح ‘Maple Zhong’، الذي تم حصاده في عام 2023 من مدينة شانغتشيو، مقاطعة خنان، هو المادة التجريبية الرئيسية. استخدمت الأبحاث مواد كيميائية من الدرجة التحليلية لضمان دقة وموثوقية النتائج التجريبية. يبرز هذا الاختيار للمواد التزام الدراسة بالحفاظ على معايير عالية في نهجها المنهجي.
نقاش
في هذا القسم، يركز النقاش على تأثيرات معالجة البلازما الباردة على بذور القمح، خاصة فيما يتعلق بالإنبات، ونمو الشتلات، وخصائص السطح، والخصائص الفيزيائية الكيميائية. استخدمت الدراسة أدوات متنوعة لتحليل تأثير فولتية البلازما المختلفة (60 فولت، 70 فولت، و80 فولت) على معايير إنبات البذور. أشارت النتائج إلى أن الفولتية العالية للبلازما تثبط بشكل كبير القدرة على الإنبات ومعدلات الإنبات النهائية، حيث أظهرت معالجة 80 فولت أكثر التأثيرات السلبية وضوحًا. على وجه التحديد، انخفضت القدرة على الإنبات من 62.67% عند 60 فولت إلى 40.67% عند 80 فولت، بينما انخفضت معدلات الإنبات النهائية من 74.67% إلى 53.33%. تتماشى هذه النتائج مع الأبحاث السابقة التي تشير إلى أن معالجة البلازما المكثفة تسبب إجهادًا تأكسديًا، مما يؤدي إلى ضعف صلاحية البذور.
بالإضافة إلى ذلك، كشفت المجهرية الإلكترونية الماسحة (SEM) أن معالجة البلازما غيرت من شكل سطح بذور القمح، مع زيادة في النقوش والشقوق تتناسب مع الفولتية الأعلى. أكدت طيفية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) أنه بينما ظلت التركيبة الكيميائية الأساسية للبذور مستقرة، كانت هناك تغييرات ملحوظة في شدة وخصائص مجموعات وظيفية معينة، مما يشير إلى تعديلات ناتجة عن البلازما على المستوى الجزيئي. أظهر التحليل التقريبي انخفاضًا كبيرًا في محتوى النشا، خاصة عند 70 فولت، بينما زاد محتوى البروتين مع ارتفاع الفولتية، مما يشير إلى تفاعل معقد بين معالجة البلازما واستقلاب البذور. أظهرت اختبارات نشاط الإنزيمات أن معالجة البلازما قللت بشكل كبير من أنشطة الإنزيمات الرئيسية مثل α-amylase، lipase، وproteases، التي تعتبر ضرورية لإنبات البذور والنمو المبكر. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على التأثيرات المعتمدة على الفولتية لمعالجة البلازما الباردة على خصائص بذور القمح، مما يبرز الحاجة إلى تحسين دقيق لتحقيق توازن بين الفوائد المحتملة والتأثيرات السلبية على صلاحية البذور ونموها.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11090-025-10612-w
Publication Date: 2026-02-19
Author(s): Shuning Yuan et al.
Primary Topic: Plasma Applications and Diagnostics
Overview
This study examines the impact of dielectric barrier discharge (DBD) cold plasma treatment on the germination and physiological responses of wheat grains with 16% moisture content, simulating wet storage conditions. Wheat seeds were subjected to treatments at voltages of 60 V, 70 V, and 80 V for 90 seconds. The findings indicate that plasma treatment significantly inhibited germination parameters, including germination rate, potential, and vigor index, in a voltage-dependent manner (p < 0.05). Specifically, the highest voltage (80 V) resulted in a 46% reduction in germination rate compared to the control. Additionally, seedling growth metrics such as shoot and root length, as well as fresh and dry weight, were adversely affected. Biochemical analyses revealed decreased activities of key enzymes involved in nutrient mobilization, suggesting that plasma treatment disrupts metabolic processes and seed structure. The study concludes that cold plasma treatment effectively inhibits germination in wheat seeds, with the inhibitory effects intensifying with higher voltage levels. This is attributed to the suppression of enzyme activity by reactive species generated during treatment and thermal effects leading to protein denaturation. The localized discharge of DBD plasma minimizes oxidative stress and structural damage, making it an environmentally sustainable approach for post-harvest grain management. The persistent biochemical changes induced by plasma treatment offer a novel strategy for long-term seed storage by maintaining enzymatic activity at suboptimal levels, thus reducing agricultural losses and preserving grain quality. Future research should focus on optimizing treatment parameters, exploring varietal responses, and integrating complementary preservation techniques to enhance the efficacy of cold plasma technology in sustainable agriculture.
Introduction
The introduction highlights the critical role of grain, particularly wheat, as a primary food source, emphasizing the importance of seed quality for crop productivity. It addresses the challenges posed by erratic weather and environmental changes that threaten seed germination and yields, necessitating effective preservation techniques to enhance germination rates and plant health. Cold plasma (CP), a low-temperature treatment method utilizing ionized gases and reactive species, is presented as a promising solution for improving seed storage stability and delaying premature germination under suboptimal conditions.
The section discusses the application of dielectric barrier discharge (DBD) plasma, which modifies seed surface properties without causing thermal damage, thereby enhancing germination rates and antioxidant enzyme activities in wheat. However, it notes variability in outcomes due to cultivar-specific responses and treatment parameters, with some studies reporting reduced germination linked to high-intensity plasma treatments that may induce thermal stress. The current study aims to simulate wet storage conditions at 16% moisture content to evaluate the effects of plasma treatment on wheat germination and seedling growth, employing biochemical assays and advanced imaging techniques to analyze physiological responses and surface modifications induced by the treatment.
Methods
In this study, the wheat cultivar ‘Maple Zhong’, harvested in 2023 from Shangqiu City, Henan Province, served as the primary experimental material. The research utilized chemicals that were of analytical grade to ensure the accuracy and reliability of the experimental results. This choice of materials underlines the study’s commitment to maintaining high standards in its methodological approach.
Discussion
In this section, the discussion focuses on the effects of cold plasma treatment on wheat seeds, particularly regarding germination, seedling growth, surface properties, and physicochemical characteristics. The study utilized various instruments to analyze the impact of different plasma voltages (60 V, 70 V, and 80 V) on seed germination parameters. Results indicated that higher plasma voltages significantly inhibited germination potential and final germination rates, with the 80 V treatment showing the most pronounced negative effects. Specifically, germination potential decreased from 62.67% at 60 V to 40.67% at 80 V, while final germination rates dropped from 74.67% to 53.33%. These findings align with previous research suggesting that intense plasma treatment induces oxidative stress, leading to impaired seed viability.
Additionally, scanning electron microscopy (SEM) revealed that plasma treatment altered the surface morphology of wheat seeds, with increased etching and cracks correlating with higher voltages. Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy confirmed that while the fundamental chemical composition of the seeds remained stable, there were notable changes in the intensity and characteristics of specific functional groups, indicating plasma-induced modifications at the molecular level. Proximate analysis showed a significant reduction in starch content, particularly at 70 V, while protein content increased with higher voltages, suggesting a complex interaction between plasma treatment and seed metabolism. Enzyme activity assays demonstrated that plasma treatment significantly reduced the activities of key enzymes such as α-amylase, lipase, and proteases, which are crucial for seed germination and early growth. Overall, the study highlights the voltage-dependent effects of cold plasma treatment on wheat seed properties, emphasizing the need for careful optimization to balance potential benefits and adverse impacts on seed viability and growth.