專利名稱：利用離子－電子雪崩提高種子生長特性的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種種子處理方法和裝置，由此可重復(fù)性地提高糧食作物和其它植物的種子發(fā)芽、早期生長、根系生長、成熟和產(chǎn)出的速率和均勻性。利用均勻、自組織的離子-電子雪崩脈沖照射種子或生長中的植物可以得到以上結(jié)果。一個(gè)重要因素是在種植前提供長達(dá)幾星期的保存期，由此使種子內(nèi)部產(chǎn)生分子水平的內(nèi)部生化變化。本發(fā)明還涉及利用離子和電子雪崩為每一種種子選擇最優(yōu)處理參數(shù)的品質(zhì)-控制方法和裝置。
幾乎是自從發(fā)現(xiàn)電的商業(yè)應(yīng)用以來，實(shí)驗(yàn)人員就嘗試?yán)秒娪绊懼参锷L。各種現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)驗(yàn)人員已經(jīng)宣稱在現(xiàn)場利用電刺激處理生長中的植物可以獲得有效的結(jié)果。在作物種植區(qū)上覆蓋電線網(wǎng)絡(luò)對(duì)于商業(yè)應(yīng)用是不經(jīng)濟(jì)或不實(shí)用的，這種技術(shù)沒有為農(nóng)場主所采用。
一些現(xiàn)有的技術(shù)的實(shí)驗(yàn)人員已經(jīng)嘗試在種植前通過對(duì)種子進(jìn)行電磁處理來避免在種植區(qū)布線所需的高昂費(fèi)用。盡管存在生長增快和在某些情況下產(chǎn)量增加的報(bào)道，但是已經(jīng)證實(shí)這些結(jié)果的重復(fù)性很差，無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。Parry(美國專利2,308,204(1943))描述了利用振蕩DC電壓處理種子，以提高種子的發(fā)芽率。但并沒有使植物改進(jìn)的跡象。Jonas(美國專利2,712,713(1955))和其他人使種子暴露在從30MHz到微波范圍的高頻振蕩場下，并宣稱獲得了更快、更均勻的發(fā)芽率。Jonas聲稱沿用類似路線的其它工作不可能得到重復(fù)和證實(shí)。該專利描述的只是種子發(fā)芽率的提高。Amburn(美國專利3,675,367(1972)和3,765,125(1975))將種子暴露在磁場中，并宣稱其結(jié)果是提高了發(fā)芽率。由于不可靠性和不可重復(fù)性，這些方法中沒有一種得到廣泛的商業(yè)承認(rèn)。
Levengood(美國專利3,822,505(1974))描述了一種利用復(fù)合電場和磁場從遺傳上改變植物細(xì)胞的裝置。電場是靜電場。種子的生長雖然發(fā)生了變化，但是該方法的有效性對(duì)于不同批次的種子不具有重復(fù)性。授予Levengood的另一項(xiàng)專利(美國專利3,852,914(1974))描述了通過測量預(yù)發(fā)芽組織的導(dǎo)電性測試種子發(fā)芽能力的方法。
Schiller等(美國專利4,633,611(1987))描述了利用電子槍射出的低能電子為種子消毒。輻射劑量相當(dāng)高，加速電壓在25至75kV之間。高能離子輻射能夠損傷染色體，導(dǎo)致屬性改變，這使得這種技術(shù)能夠應(yīng)用在開闊區(qū)域。但是沒有跡象表明植物的生長在可重復(fù)的基礎(chǔ)上得到增強(qiáng)。Yoshida(美國專利4,758,318(1988))描述了利用脈動(dòng)直流電流防止霉變。電壓是300至20,000V的脈動(dòng)直流DC電壓。該方法不適于大范圍的應(yīng)用，其結(jié)果也不一致。Liboff等(美國專利5,077,934(1992))描述了利用磁場處理土壤中的植物。該方法也不實(shí)用。
Levengood(美國專利5,288,626(1994))描述了利用恒定的DC電壓在植物之間傳遞DNA。這種方法還描述于“生物電化學(xué)和生物能量學(xué)”(1991)。這些均是產(chǎn)生遺傳變化植物的技術(shù)。
具有通常意義的其它專利是有關(guān)磁處理的Saruwatari(美國專利4,188,751(1980))；有關(guān)超聲處理的Weinberger(美國專利3,703,051(1980))；有關(guān)微波處理的美國專利3,940,885(1976))。
一種利用DC電流中的AC紋波產(chǎn)生脈沖的系統(tǒng)是Tellefson(美國專利5,117,579(1992))。由線刷發(fā)射器產(chǎn)生的離子脈沖沖擊田地中生長的植物。該方法沒有用于種子。
對(duì)于處理種子以便可重復(fù)地且可靠地增強(qiáng)其生長特性的方法存在著顯著的需求。現(xiàn)有技術(shù)方法均不能滿足這一需求，因?yàn)闆]有一種方法得到商業(yè)應(yīng)用。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種增強(qiáng)種子生長特性的改進(jìn)的、可重復(fù)的方法和裝置。本發(fā)明的目的還包括提供一種執(zhí)行起來簡單、可靠而且經(jīng)濟(jì)的方法。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種檢測利用增強(qiáng)生長特性的方法和裝置是否已經(jīng)有效地提高了處理后的種子的生長特性的方法和裝置。此外，本發(fā)明的目的是提供一種方法和裝置，它們可以在處理過程中監(jiān)視執(zhí)行處理工藝的裝置的有效性。參照下面的說明和附圖，將更加清楚這些和其它目的。


圖1A是產(chǎn)生可控、自發(fā)、靜電脈沖的本發(fā)明裝置的簡圖，該脈沖在支撐種子13的正電極11和負(fù)電極12之間形成生物電子雪崩。
圖1B是
圖1A中的裝置利用不同的DC電壓(相對(duì)濕度26％；p=1009.3mb)產(chǎn)生的生物電子雪崩的曲線圖。
圖2A、2B和2C是顯示了其種子在
圖1A裝置中施加5分鐘的DC電壓得到的西紅柿、辣椒和胡蘿卜存儲(chǔ)了35或36天的生長差異圖。發(fā)芽日期出現(xiàn)在12天生長階段，表示hypocotyl延伸(幼苗在4天發(fā)育期時(shí)放在生長燈下)。數(shù)據(jù)與每個(gè)測試序列中的兩個(gè)對(duì)照組比較。圖2A示出了照射之后第35天測試的西紅柿種子。圖2B示出了照射之后第35天測試的辣椒種子。圖2C示出了照射之后第36天測試的胡蘿卜種子?？梢钥闯?，在5分鐘照射數(shù)據(jù)中具有相似的曲線形狀。在每一種條件下，最大峰值出現(xiàn)在5-kV，次峰值出現(xiàn)在20-kV。
圖3A和3B是在60分鐘的測試間隔內(nèi)培育小麥和玉米幼苗得到的氧化還原比值圖(活性負(fù)離子和正離子的比值)，種子分別是未經(jīng)處理的對(duì)照種子和暴露在自發(fā)組織離子-電子雪崩下的種子，在10kV(圖3A)和20kV(圖3B)的電壓下雪崩照射的時(shí)間為30秒鐘。種子儲(chǔ)存了8天。在生長燈下生長了12天之后測試電極11和12之間的葉子組織。
圖4是利用未處理的對(duì)照種子和在5kV電壓下利用離子-電子雪崩照射5分鐘、并在種植前保存81天的種子得到的成熟的、田地生長的胡蘿卜落葉中的氧化還原比值圖。氧化還原比值在植物發(fā)育到成熟自養(yǎng)階段而成熟時(shí)，圖4示出，經(jīng)MIR處理的胡蘿卜的氧化還原比值低于未經(jīng)處理的對(duì)照組的比值。氧化還原潛能決定于種子的滲出液。
圖5是具有探測線圈101的裝置100的簡圖，該探測線圈檢測由
圖1A裝置產(chǎn)生的離子-電子雪崩脈沖所感應(yīng)出的能量波形。線圈101由40#銅線繞制，匝數(shù)為80,000，直徑約為8cm，長約為10cm。
圖6上部是圖6下部示出的電子雪崩在圖5線圈101中產(chǎn)生的感應(yīng)磁場曲線。這在施加電壓為5kV時(shí)、在
圖1A的電極11和12之間給出了電流的直接讀數(shù)。
圖7是電極11和12之間的電子脈沖流和線圈101中感應(yīng)出的磁場勢能之間的指數(shù)關(guān)系圖。
圖8A是雪崩-照射大豆與兩個(gè)對(duì)照序列的1995田地意外率曲線。種子是Var.PS-202(每一測試序列中的種子總數(shù)是48個(gè))。序列A:5kV,5min。序列B:10kV,5min。種子在處理之后、種植之前的存儲(chǔ)期是86天。
圖8B和8C是經(jīng)兩種雪崩照射的甜谷種子與其對(duì)照序列的1995田地意外率曲線。種子在處理之后、種植之前的存儲(chǔ)期是56天。
圖9A和9B是兩種1995田地生長甜谷與其對(duì)照序列的果實(shí)或穩(wěn)的發(fā)育圖。種子在處理之后保存56天。
圖10是在1995年胡蘿卜落葉的產(chǎn)量隨雪崩-感應(yīng)電壓的變化曲線。田地點(diǎn)數(shù)據(jù)是按照果實(shí)相對(duì)于其對(duì)照序列的變化百分比作出的。每一個(gè)點(diǎn)是一系列在標(biāo)明的kV值下照射10sec.、30sec.、5min.和30min.的種子的平均值。種子在種植之前保存81天。
圖11是裝置10的盒子20中的電路圖，該電路圖產(chǎn)生自發(fā)有組織的電子-離子雪崩脈沖。
圖12是電源部件節(jié)點(diǎn)201的電路圖，如
圖11中的、具有在本發(fā)明方法中使用的有組織的電子雪崩的電路200所示。
圖13是
圖11和12的電源部件節(jié)點(diǎn)201的連接器。
圖14是雪崩脈沖幅度隨著負(fù)極上的、紫外光照射產(chǎn)生的光電子而變化的曲線。如我們由理論研究獲知的，照射正極沒有任何效果。
圖15、16和17是在照射時(shí)間為25秒的條件下，甜谷(G18-86)、胡蘿卜、辣椒和燕麥的種子老化的結(jié)果曲線。
圖18是處理散穗花序種子的結(jié)果曲線。
本發(fā)明涉及處理種子以提高其生長特性的方法，包括在一對(duì)延展分開的、分別作為正極和負(fù)極的電極之間放置種子，正負(fù)極之間有一間隙，種子放置在正極上或在其附近；利用具有輸出電壓的電源向正極和負(fù)極提供直流(DC)電流，并在電源的輸出電壓上疊加交流AC紋波，以產(chǎn)生在一定的時(shí)間內(nèi)由負(fù)極移向并進(jìn)入正負(fù)極之間的或正極上的種子的電子自組織或脈沖雪崩，這可以提高種子的生長特性；在種植前將種子保存足夠長的時(shí)間，以使種子具有增強(qiáng)的生長特性。
本發(fā)明還涉及通過在具有間隙的正極和負(fù)極之間提供種子、并利用電子脈沖雪崩照射種子、然后在種植之前保存種子而產(chǎn)生的種子，其中，利用輸出電壓中具有疊加AC紋波的電源向間隔開的電極提供疊加了AC紋波的DC電壓，產(chǎn)生移向并進(jìn)入種子的離子-電子自組織脈沖雪崩。
本發(fā)明還涉及由電子脈沖雪崩照射的種子發(fā)育成的植物，電子脈沖雪崩的產(chǎn)生如下提供間隔開的、作為正極和負(fù)極的電極，種子位于正負(fù)極之間或在正極之上，向間隔開的電極施加疊加了AC紋波的DC電壓，以產(chǎn)生移向正極并進(jìn)入種植前的種子的自有組織的電子雪崩。
本發(fā)明還涉及在處理種子的裝置中檢測是否存在電子脈沖雪崩的裝置，包括具有多匝線圈的螺線管，放置在一對(duì)間隔開的、包括支撐種子的正極的電極附近；檢測線圈中感應(yīng)電流的檢測裝置。
本發(fā)明涉及處理種子以提高其生長特性的裝置，包括一對(duì)間隔開的、分別作為正極和負(fù)極的電極，正負(fù)極之間有一間隙，其中種子放置在正極上或在其附近；電壓產(chǎn)生裝置，利用具有疊加的交流AC紋波的輸出電壓的電源同步地向正極和負(fù)極施加直流(DC)電壓，以在一定的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生由負(fù)極移向并進(jìn)入正極上的種子的電子組織脈沖雪崩，這可以提高種子的生長特性；具有多匝的線圈裝置，安裝在間隔開的、檢測電子脈沖雪崩的電極附近；記錄裝置，記錄線圈裝置檢測到的電子脈沖雪崩。
本發(fā)明涉及一種方法，該方法利用電子雪崩以可靠的、再現(xiàn)的方式經(jīng)濟(jì)地處理種子來顯著提高植物、特別是商用作物的發(fā)芽和早期生長的速率和均勻性，以及產(chǎn)量，本發(fā)明十分適于商業(yè)應(yīng)用。本方法還提供了一種利用來自平板電極的電子組織雪崩照射種子的裝置。
種子13直接放置在水平鋁(或其它金屬)平板或電極11上，該電極是與作為負(fù)極的電極12間隔開的陽極，電極11是兩個(gè)平行電極11和12中的底電極。此外，種子可以放置在位于正極11上方的非導(dǎo)電篩網(wǎng)22上(圖5)。對(duì)于在此列出的所有結(jié)果，所使用的電極11和12均是圓形的，直徑為30cm。還可以使用其它形狀和尺寸的電極，盡管這會(huì)改變有效電壓值。電極11和12由絕緣材料制成的支桿14和14A支撐。底電極11可以具有不同的形式，例如金屬傳送帶(未示出)。
提供正電流的高壓DC電源20連接到底電極(正極)11，頂電極(負(fù)極)12接地。如果直流電源在DC中包含組織60或220赫茲的紋波，可以得到改進(jìn)的結(jié)果。除了微量的AC及其引起的紋波之外，沒有其它的DC電流振蕩。這是本裝置與通常利用兆赫或更高頻率范圍的電壓振蕩器的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的區(qū)別。
由于電極11和12之間的空氣具有導(dǎo)電性，電子組織雪崩由負(fù)極12(負(fù)極)移動(dòng)到正極11(正極)。這些電子雪崩在這里描述的監(jiān)視設(shè)備上顯示為脈沖。當(dāng)使用“純”信號(hào)DC電源時(shí)，離子-電子雪崩的頻率和幅度均很低且不規(guī)則。當(dāng)使用含有AC紋波的電源時(shí)，雪崩形成規(guī)則的、自組織的分立脈沖。這些雪崩脈沖在電極11和12之間的發(fā)生頻率通常在0.1至30Hz的范圍內(nèi)，雪崩脈沖是電極11和12之間的電壓梯度和空氣電導(dǎo)率的產(chǎn)物，而不是模擬振蕩器的。術(shù)語“自組織”的含義是在電極11和12之間存在決定于電極11和12之間的電壓和環(huán)境條件的放電。
當(dāng)電極11和12由絕緣支桿14支撐在塑料面桌面16上，并利用導(dǎo)電金屬反饋環(huán)15將底電極11連接到桌面上時(shí)，可以得到最佳結(jié)果。添加反饋環(huán)15之后，相同電極系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖頻率非常類似于無環(huán)路系統(tǒng)，但是脈沖幅度顯著提高。其原因是桌面16起到了反饋環(huán)型電容器的作用。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)某些植物種子的雪崩感應(yīng)電壓對(duì)于其它種類的植物無效甚至有害。同樣，電子雪崩照射種子的時(shí)間也十分重要，并且是不同的。選擇最佳時(shí)間和最佳電壓的診斷過程也十分重要。最后，種植前的等待期，以及對(duì)空氣濕度和種子溫度的研究也很重要。本方法對(duì)于為商業(yè)保存而在高于40℃的溫度下干燥到正常值的種子十分有效。后面描述的監(jiān)視裝置用于調(diào)節(jié)相對(duì)濕度變化引起的空氣電導(dǎo)率的變化。
本發(fā)明方法稱為分子刺激響應(yīng)法，或MIR。當(dāng)以下述方式應(yīng)用本方法時(shí)，來自電子的刺激的特定形式在種子中產(chǎn)生分子響應(yīng)，這種響應(yīng)最終導(dǎo)致種子性能的顯著提高，所述應(yīng)用方式包括但不僅限于此A)電極和電源利用電極11和12之間的間隙(優(yōu)選的是8cm，盡管可以使用優(yōu)選地位于1和20cm之間的其它間隙，但其它間隙將改變有效電壓)和在電極之間感應(yīng)出大約2kV或更高的電壓梯度(也可以使用其它電壓，但必須低于空氣電暈放電的電擊穿電壓)將產(chǎn)生有組織的電子雪崩，該雪崩在電極11和12之間的空氣中呈現(xiàn)為具有相對(duì)均勻幅度的、銳利的規(guī)則導(dǎo)電脈沖(如
圖1A所示的圖形記錄系統(tǒng)21所繪出的)。一些科學(xué)雜志描述了這種自發(fā)有組織的電子雪崩，最著名的是Nasser作為常壓空氣中的低密度、低能量等離子體實(shí)例所作的描述。(來源E.Nasser,“Fundamentals of Gaseous Ionization and PlasmaElectronics”,Wiley-Interscience,New York,pages 209 to 217(1971))。
雪崩脈沖的頻率隨著電壓的增加而自動(dòng)上升(見
圖1B)。這與現(xiàn)有技術(shù)采用的振蕩電場不同，現(xiàn)有技術(shù)中的頻率是人為固定的，并且將保持不變，除非人為干預(yù)調(diào)節(jié)它。這一差異是本發(fā)明的核心，因?yàn)楫a(chǎn)生預(yù)期結(jié)果的不是電場的振蕩，而是電極11和12之間的空氣中產(chǎn)生的、誘發(fā)分子刺激響應(yīng)的、這些離子-電子的自發(fā)組織雪崩。
利用沒有AC紋波的純DC電源產(chǎn)生的電子雪崩中的脈沖及其規(guī)律性顯著地減少。這種脈沖照射種子產(chǎn)生的種子特性的改善低于具有AC紋波的DC電源產(chǎn)生的脈沖的照射效果。此外，在沒有AC紋波時(shí)，結(jié)果難以穩(wěn)定地得到重復(fù)。因此，不僅僅利用在此聲稱產(chǎn)生有益結(jié)果的電場進(jìn)行照射，也不利用任何類型的電子雪崩照射。為了實(shí)現(xiàn)最佳結(jié)果，種子必須用
圖1B所示的銳利、規(guī)則、均勻或有組織的電子雪崩照射。
B)診斷過程不同的電壓(通常在2-20kV之間)和不同的照射時(shí)間(從幾秒鐘到幾分鐘)對(duì)于不同的種子產(chǎn)生最佳結(jié)果。在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，將種子暴露在一定范圍內(nèi)的電壓下，并比較發(fā)芽和/或生長和/或產(chǎn)量的測試結(jié)果，以及氧化還原測量值，為每一類種子選擇最優(yōu)參數(shù)。
氧化還原診斷過程可以在廣泛的種子/植物類型中實(shí)現(xiàn)顯著的改進(jìn)。該診斷過程是必須的，因?yàn)樵诟邏?20kV)或低壓(5kV)下受到正面影響的各類種子可能在中壓(15kV)時(shí)受到負(fù)面影響。相反，在低壓效果很好的種子在高壓的效果會(huì)很差，反之亦然。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，種子應(yīng)保存在40°F到80°F之間。如果溫度過低，將沒有效果。
應(yīng)當(dāng)理解的是，種子可以安置在位于電極11和12之間的、如圖5所示的非導(dǎo)電篩網(wǎng)20上，例如玻璃纖維篩網(wǎng)。優(yōu)選的電極11和12是具有圓滑邊緣的圓形。電極之間優(yōu)選地具有8到9cm的間隙，其直徑大約為30.5cm。種子放置在電極上，以便不會(huì)顯著地接觸。
實(shí)例1本例示出精確地診斷使產(chǎn)量增加的處理程度的實(shí)驗(yàn)室發(fā)芽測試，以及與表1所示的未處理對(duì)照種子相比，對(duì)一種作物有效的電壓是如何使另一種作物產(chǎn)生較低產(chǎn)量或減產(chǎn)的實(shí)例
表1
(1)表示測量的是果實(shí)和谷物的重量。
通常，實(shí)驗(yàn)室發(fā)芽電壓的增幅為5，即5、10、15千伏，而田地測試采用的電壓增幅為4千伏，由此產(chǎn)生了不精確的匹配。為了簡化，對(duì)一定處理時(shí)間范圍內(nèi)的結(jié)果進(jìn)行平均。
本發(fā)明的關(guān)鍵因素是等待時(shí)期，即處理后的種子在照射之后沒有發(fā)芽的最少星期數(shù)。處理后的種子在等待時(shí)期結(jié)束之前發(fā)芽將不會(huì)改進(jìn)種子，甚至對(duì)種子有負(fù)面影響。對(duì)于照射之后立即種植的種子沒有發(fā)現(xiàn)恒定的、可再現(xiàn)的改進(jìn)。只要在處理完成的18個(gè)月之后，就能在處理后的種子中發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的效果。等待時(shí)期還沒有任何已知的上限。盡管最小等待時(shí)期隨著種子類型的不同而變化，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)最少為30天的等待時(shí)期是有效的。圖2A至2C的種子分別保存了35、35和36天。
氧化還原比值是呼吸作用隨時(shí)間變化的度量，它是通過測量由處理后的種子發(fā)育成的幼苗中的氧化/還原行為的變化而測得的。在MIR處理后的種子發(fā)育成幼苗的第10至第12天內(nèi)連續(xù)測量氧化還原周期的增加的相位幅度，它表示呼吸作用和自由基活動(dòng)的增加的比值(圖3A和3B)。一些研究表明氧化還原比值的變化與生物組織的生長響應(yīng)相聯(lián)系。(Levengood,“Bioelectrochemistry And Bioenergetics,19461-476(1988)；以及Allen和Balin,“Free Radical Biology andMedicine”Vol.6,pp.631-661(1989)；A.Sakamoto et al.,FEBSLetters,Vol.358 pp.62(1995))。事實(shí)上不論這是不是本發(fā)明的機(jī)理，都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氧化還原比值的變化與MIR處理后的種子的改進(jìn)生長特性有聯(lián)系，包括最終產(chǎn)量的提高。在綠色幼苗自養(yǎng)階段，由MIR處理后的種子發(fā)育成的幼苗的氧化還原值低于圖4所示的未經(jīng)處理的幼苗，這與存在高濃度抗氧化劑的假設(shè)相符，抗氧化劑去除了自由基的活性，由此降低了氧化還原值。
根據(jù)Levengood,Bioelectrochemistry And Bioenergetics,19461-476(1988)提出的步驟進(jìn)行測量。對(duì)上述自由基變化的檢測可以用作MIR操作的質(zhì)量控制方法。這種監(jiān)視或質(zhì)量控制可以用作快速檢查，以便在不進(jìn)行耗時(shí)的種子培育的條件下檢查處理后的種子是否達(dá)到預(yù)期的效果。這種氧化還原比值分析使商業(yè)范圍的操作更加可信、可靠。
在處理之后的幾小時(shí)到幾天之內(nèi)，MIR幼苗呈現(xiàn)上升的氧化還原比值，表示在細(xì)胞內(nèi)爆發(fā)了由離子-電子雪崩沖擊形成的自由基。種子經(jīng)歷細(xì)胞抗氧化劑的防御活動(dòng)，最后產(chǎn)生降低的氧化還原比值。在干燥的種子中，這一過程進(jìn)行得十分緩慢，如同靜止種子中的所有新陳代謝過程一樣。隨著細(xì)胞抗氧化防御劑，例如過氧歧化酶(SOD)等，去除自由基的活性，在有效電壓下處理了有效時(shí)間的種子將在保存過程中經(jīng)歷氧化還原值的變化。例如，已知燕麥中的細(xì)胞產(chǎn)生過多的SOD以消除存在的自由基。Gail L.Matters和John G.Scandalios,“Effect of thefree radical-generating herbicide paraquat on the expression ofthe superoxide dismutase(Sod)genes in maize”,Biochemica etBiophysica Acta 882 p.33(1986)觀測到SOD值增加54％，而響應(yīng)于過氧基的爆發(fā)，SOD活性只增加40％。由此，抗氧化劑的最終剩余物降低了種子以及成熟的、生長中的植物組織中自由基的正常水平，如圖4所示，經(jīng)MIR處理后的植物具有比未處理的對(duì)照植物更低的氧化還原比值。
如圖5所示，利用安置在電極11和12附近的實(shí)驗(yàn)探測線圈101可以測量電極11和12外部的MIR脈沖的空間移動(dòng)。線性曲線記錄器21用于檢測線圈101中的感應(yīng)電流。電子雪崩在電極11和12之間橫向移動(dòng)，通過靜電-磁耦合在線圈101中感應(yīng)出磁場，該磁場依次地產(chǎn)生毫伏量級(jí)的電壓。利用直接橫跨在雙通道曲線記錄器(例如
圖1A中的記錄器21)的一個(gè)通道上的線圈101，和橫跨第二通道的MIR系統(tǒng)，可以檢測實(shí)際脈沖的有效性和形狀。例如，圖6中的一組曲線示出來自耦合系統(tǒng)的磁感應(yīng)和MIR脈沖。線圈101通常具有10,000至100,000匝，優(yōu)選的是80,000匝。
如H.Raether指出的(“Electron Avalanches and Breakdown inGasses”,Butterworth&Co.Ltd.,U.K.1964)，確定觀測到的電流脈沖是否就是雪崩過程的一個(gè)可靠判據(jù)是比較雪崩脈沖和感應(yīng)磁場分量的形狀。根據(jù)電子雪崩形成的基本理論，可以發(fā)現(xiàn)感應(yīng)磁場分量H(在此表示為線圈101的電壓)直接與ln(i)相關(guān)，其中i是MIR系統(tǒng)中雪崩電流脈沖的幅度。圖7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)(r=0.89；P＜0.05)存在電子雪崩。
實(shí)例2當(dāng)按照前述方式將上述步驟一起用作處理種子的相關(guān)工藝的一部分時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室和田地測試中，對(duì)各類作物得到下述結(jié)果1)提高田地意外率。Glycine max.Var.PS-202的實(shí)例示于圖8A，兩類Zea mays甜谷的實(shí)例示于圖8B和8C。
2)提高了植物的生長率和植物尺寸的均勻性。
實(shí)例3和4甜谷中MIR效果的實(shí)例公布在下表2和3中。數(shù)據(jù)是在田地測試點(diǎn)、在培育期的第52天采集的。種子保存了56天。
種類-“Kandy Krisp”表2植物高度(cm)
種類-“Bi-Color”
表3植物高度(cm
實(shí)例5實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的橫向根系生長。
在1992年9月30日處理海軍豆(Navy bean)種子，在65天之后發(fā)芽(每批20粒種子)，如表4所示。
表4
實(shí)例6已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了加速成熟。一些在開闊田地條件下由處理后的種子發(fā)育成的植物與對(duì)照植物相比在顯著減少的天數(shù)內(nèi)達(dá)到成熟期。利用兩種甜谷，在種植之后的第52天出現(xiàn)帶有突出穗絲的穗，如圖9A和9B所示。
實(shí)例7、8、9、10、11和12在正常田地條件下，沒有采用額外的噴灑、灌溉或肥料，在各類商用作物中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量增加。對(duì)于各類植物分別記錄了這些效果。
大豆種類為05-202的大豆種子(Glycine max)的產(chǎn)量干重增加28.6％，在1994年3月2日在5、10、20和30kV的電壓下照射5分鐘。這些序列中的每一由48粒種子構(gòu)成的列在1994年3月27日(25天之后)種植在獨(dú)立的田地測試區(qū)中。意外事件如圖8A所示記錄下來，與對(duì)照種子相比具有顯著的改進(jìn)。最佳意外事件在5kV和10kV照射下獲得。這兩種照射是相同的，它們均提高了收獲的產(chǎn)量。結(jié)果示于表5。
表5
大豆在1995田地測試中，在1995年3月15日處理種類為“Young”的大豆種子，并在1995年5月12日種植。每一個(gè)田地區(qū)域項(xiàng)表示來自處理后的種子的兩鎊區(qū)的四次同樣實(shí)驗(yàn)的平均。結(jié)果的單位轉(zhuǎn)換為蒲式耳每英畝。收獲的每1,000粒種子的重量顯示出顯著的差異。產(chǎn)量增加是產(chǎn)生更多大豆的結(jié)果。結(jié)果示于表6。
表6
飼料玉米在1995年5月31日，在Blissfield,Michigan種植了每批24粒種子。圖是每批帶殼谷物的鎊數(shù)。結(jié)果示于表7。
表7近親交配的，種類305-10Gr(F6)
對(duì)照組均值2.03雜交種，種類HYPOP.2830MF。結(jié)果示于表8。
表8
對(duì)照組均值4.79胡蘿卜1995年3月31日將種類為Daucus carott Danvers 126的胡蘿卜種子種植在Blissfield,Michigan，并在1995年9月7日收獲。每個(gè)胡蘿卜的重量按照電壓總結(jié)在
圖10中。以下是對(duì)于4kV和8kV(最佳產(chǎn)量電壓)電壓和對(duì)照組每次處理時(shí)間的結(jié)果。在這些結(jié)果中，時(shí)間和電壓值的相互作用和雙重重要性十分明顯。這里，相對(duì)于對(duì)照組的增加不遵循線性變化，強(qiáng)調(diào)了前面討論的診斷過程的重要性，以便針對(duì)具體的種子類別選擇最有效的電壓和處理時(shí)間。結(jié)果示于表9。
表9
對(duì)照組均值0.098西紅柿1995年3月10日照射種類為malinta的Lycopersiconesculentum的種子，并于1995年5月31日種植在B1issfield,Michigan,1995年9月5日收獲。對(duì)于每一種電壓的四種照射時(shí)間(10sec.,30sec.,5min.，和30min.)將每一株植物的果實(shí)的產(chǎn)量(鎊)進(jìn)行平均。結(jié)果示于表10。
表10
大米種類為Lemont的Cypress大米Oxyza sativa)從密西西比州立大學(xué)獲得，在1995年3月12日進(jìn)行處理，1995年5月11日(59天)種植在密西西比。測試地由于極度干旱在5月15日進(jìn)行灌溉。意外事件發(fā)生在5月25日(由于干旱而延遲)，測試地在6月9日被洪水淹沒。每一幅圖均是在四塊同樣測試地生長的種子的250gms的結(jié)果，并平均、外差為蒲式耳每英畝。峰值產(chǎn)量的增加如表11所示記錄下來。
表11
圖11、12和13示出本發(fā)明裝置的電路200。裝置可以從紐約，Brewster的Hipotronics,Inc.獲得。具有一個(gè)AC電路220和一個(gè)DC電路240。負(fù)端子260連接到負(fù)極12，正端子280連接到正極11。
圖11中的裝置中的各種元件示于表12。
表12電路220
電路200
電路201
圖15、16和17示出將種子老化一定時(shí)間的結(jié)果。如圖所示，老化是十分重要的。
圖18示出在散穗花序中處理燕麥種子的結(jié)果，該花序會(huì)保護(hù)種子不受電子的影響。如圖所示，處理是有效的，但比
圖17所示的差。
應(yīng)當(dāng)相信，MIR工藝對(duì)種子的影響是基于常壓和常溫下電子-離子雪崩在空氣中的形成。在施加電壓的作用下，這些雪崩以規(guī)則的周期或等離子體波的形式作為電子-離子刺激受到引導(dǎo)。這些脈沖的頻率、幅度和約束由施加的電壓和MIR裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)控制。
在MIR工藝中，電子-離子雪崩脈沖的形成和它們形成有組織的等離子體的方式存在一定的聯(lián)系。當(dāng)電壓足以使離開負(fù)極的電子(e-)獲得足夠的能量通過彈性碰撞和非彈性碰撞使空氣分子電離時(shí)，其中非彈性碰撞的比例較少，在平行板電極11和12之間就形成雪崩。在該MIR結(jié)構(gòu)中，形成雪崩的最小電壓大約為0.5kV/cm。在電子-分子碰撞過程中，會(huì)形成新的電子e-，它們和原有的電子e-一起重復(fù)這一碰撞過程，進(jìn)而形成級(jí)聯(lián)雪崩。
漂移電子e-流的平均電子數(shù)n(x)=exp(αx)(1)其中x是電子e-的漂移距離，α是每cm每個(gè)電子e-的電離碰撞平均次數(shù)。Nasser(E.Nasser,Fundamentals of Gaseous Ionization andPlasma Electronics,Wiley-Interscience,New York(1971))指出經(jīng)過時(shí)間t’之后，電場在雪崩中消失，這樣電子e-云停止移動(dòng)，并附著在分子上，即，等離子體脈沖部分中和或放電。如果雪崩的漂移距離L滿足(2)式，那么上述現(xiàn)象將發(fā)生在電極間隙內(nèi)部，L=vt’ (2)其中，v是電子e-的漂移速度，小于電極間距d(在空氣中，v大約為107cm/sec.)。若d=8cm,t’必須小于8×10-7sec.。正離子(
圖1A未示出)具有大約為105cm/sec.的較低速度v+，因此正離子飄離其產(chǎn)生地的距離非常小。
雪崩產(chǎn)生的電流I為i=(εn0/t’)exp(αv’t)(3)如果將(εn0/t’)記為速率常數(shù)k’，則雪崩公式變形為i=k’exp(α v’T)(4)
其中T是一個(gè)雪崩脈沖的過渡時(shí)間，因此，ln(i)=k(αv’T)(5)其中k是新的速率常數(shù)。因此，ln(i)在雪崩脈沖的過渡時(shí)間T內(nèi)比例于電離碰撞的平均數(shù)(α)。
一種判斷觀測到的電流脈沖是否為雪崩過程的可信判據(jù)(H.Raether,Electron Avalanches and Breakdown in Gasses Butterworth&Co.,Ltd.,Great Britain(1964))是測量電子e-的增長，并與理論關(guān)系式(6)比較。
n=exp(αvt)(6)在MIR系統(tǒng)中，沒有電子e-約束，因此雪崩脈沖將橫向飄出平行板電極的邊緣。這種等離子體的外部漂移為實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等式6給出的理論關(guān)系式所預(yù)測的電子增長提供了一種方法。為此，將80,000匝#40銅線制成的實(shí)驗(yàn)探測線圈101放置在MIR系統(tǒng)附近(圖5)。當(dāng)直接跨接在線性曲線記錄器的一個(gè)通道上時(shí)，很容易檢測到作為探測線圈101中的電壓脈沖的任何感應(yīng)磁場。變化電流幅度的雪崩脈沖在MIR系統(tǒng)中形成，并記錄在圖6所示的獨(dú)立記錄器通道上。認(rèn)為探測線圈中的任何感應(yīng)場均比例于電離碰撞產(chǎn)生的等離子體密度。根據(jù)等式5，在這些假設(shè)條件下，離子-電子濃度(α)漂移過測試線圈101而感應(yīng)出的、建立雪崩電流i和磁場H之間的預(yù)期關(guān)系由下式給出H=c1ln(i)+c2(7)其中c1和c2是比例常數(shù)。
根據(jù)從在一定電極電壓范圍內(nèi)執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)獲得的曲線記錄器記錄線，等離子體感應(yīng)磁場的幅度(mv)可與雪崩電流的幅度相比。根據(jù)等式(7)繪出的這些數(shù)據(jù)說明等離子體雪崩和MIR系統(tǒng)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的相關(guān)性(r=0.89；P＜0.05)。
在確定電壓下，雪崩脈沖的幅度和頻率在建立間隔內(nèi)保持相對(duì)恒定。通過在穩(wěn)定雪崩脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)向MIR系統(tǒng)“注入”大量電子可以檢驗(yàn)離子流脈沖的穩(wěn)定性。如果UV輻射直接照射負(fù)極板，電子通過光電效應(yīng)釋放出來。這就產(chǎn)生了所謂的“后繼雪崩”(H.Raether,Electron Avalanches and Breakdown in Gasses,Butterworth&Co.,Ltd.,Great Britain(1964))。通過注入附加的次級(jí)電子，可以提高雪崩脈沖電流的幅度。
在施加電壓20kV，電極間距6cm，并由“透光電極”或OTE(鍍以半導(dǎo)電氧化錫薄膜的玻璃)作為電極12而組成的MIR系統(tǒng)中產(chǎn)生這種光電雪崩增強(qiáng)。如
圖14所示，在開始(箭頭指示)照射負(fù)極30秒鐘之后，發(fā)生電子注入效應(yīng)。由于屏蔽作用(E.Nasser,Fundamentals ofGaseous Ionization and Plasma Electronics,Wiley-Interscience,New York(1971))，即使外部電荷進(jìn)入雪崩系統(tǒng)，等離子體仍保持穩(wěn)定。這種初始延遲，繼之以在第70秒到達(dá)最大電流幅度的上升和隨后緩慢的下降，與其它等離子體系統(tǒng)恒定的結(jié)果十分吻合，這再一次證明在電極之間的空間內(nèi)發(fā)生的是等離子體電子雪崩過程。如預(yù)期的，利用UV照射正極(極性相反)對(duì)電流脈沖幅度無影響(下曲線)。利用寬于負(fù)極的正極可以改變電場的形狀，使更多的離子/電子包含在電極之間，減小向外的漂移。結(jié)果是具有更加均勻更加規(guī)則的離子/電子雪崩脈沖。
本發(fā)明的商用優(yōu)點(diǎn)是1)發(fā)芽和早期生長利用MIR方法，植物可以快速地經(jīng)過脆弱的幼苗階段。在該階段產(chǎn)生的、更高的均勻性限制了由高大植物遮蔽低矮植物而造成不足，提高了所有植物均茁壯生長的機(jī)會(huì)。生長的均勻性還使植物的收獲更加容易。
2)根系生長MIR方法對(duì)一些植物，例如海軍豆，特別有價(jià)值，因?yàn)檫@些植物的根系生長經(jīng)常發(fā)生問題。
3)加速成熟MIR方法促成的加速成熟對(duì)于種植農(nóng)作物例如馬鈴薯和甜谷的農(nóng)場主具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因?yàn)槊總€(gè)季節(jié)首先向市場供應(yīng)產(chǎn)品可以獲得更高的售價(jià)。在種植雙季作物的國家，可以提高兩季作物均成熟并豐收的可能性。在遙遠(yuǎn)的北部地區(qū)，生長季節(jié)的陽光和溫暖日期均十分有限，MIR方法提高了豐收季節(jié)的可能性。
4)提高產(chǎn)量MIR方法具有經(jīng)濟(jì)和人類優(yōu)勢。農(nóng)場主的商業(yè)要求是允許他們種植更多的作物，以便從同一農(nóng)場得到更多的收入。隨著世界人口的增長超過食物的供應(yīng)量，任何顯著的產(chǎn)量提高均是有益的。
MIR系統(tǒng)的關(guān)鍵特征是1)銳利、有組織、均勻的電子雪崩(不是電暈放電，不是靜電場)。并配備了具有AC紋波的DC電源。
2)電壓位于0.2vK/cm和(但不包括)介電火花間隙擊穿放電之間。
3)種子放在正極上。
4)特殊的電子反饋環(huán)15增強(qiáng)了結(jié)果。
5)診斷過程。
6)在處理和種植之間具有長達(dá)幾周的等待期。
7)在MIR方法處理之后，氧化還原比值測量提供了質(zhì)量控制以確定是否已經(jīng)達(dá)到效果，由此提供結(jié)果的中間檢測。
8)線圈101記錄器系統(tǒng)提供額外的質(zhì)量控制，以確保實(shí)際上產(chǎn)生了雪崩，并且具有正確的形狀。如果沒有這種測試，電極11和/或12上的潮濕和灰塵/碎屑將導(dǎo)致產(chǎn)生雪崩的失敗，特別是當(dāng)工作在閾值0.5 kV/cm附近時(shí)，該電壓對(duì)于一些種子是經(jīng)常使用的。
9)MIR方法對(duì)于大規(guī)模商業(yè)操作是可行的、能負(fù)擔(dān)得起的。處理時(shí)間較短(幾秒鐘到幾分鐘)，耗電量較低。MIR方法適用于傳送帶輸送的種子處理系統(tǒng)。MIR方法產(chǎn)生穩(wěn)定的結(jié)果。
應(yīng)當(dāng)指出前述說明只是本發(fā)明的示例性說明，本發(fā)明只受此后的附屬權(quán)利要求的限制。
權(quán)利要求
1．對(duì)種子進(jìn)行處理以增強(qiáng)其生長特性的方法，包括a．在一對(duì)分別作為正極和負(fù)極的延展分立電極之間提供種子，電極之間具有一個(gè)間隙，種子位于正極上或在其附近；b．利用具有在輸出電壓上疊加了頻率達(dá)220Hz的交流AC紋波的輸出電壓的電源向正極和負(fù)極提供直流DC電壓，以便在增強(qiáng)種子生長特性的一段時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生由負(fù)極移向并進(jìn)入正負(fù)極之間的或正極上的種子的自組織或脈沖電子雪崩；和c．在種植之前將種子保存足夠長的一段時(shí)間，以便使種子具有增強(qiáng)的生長特性。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中種子是從玉米、胡蘿卜、西紅柿、大豆、稻米、辣椒、海軍豆、小麥和燕麥組成的種子組中選取。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2中任何一個(gè)的方法，其中測量種子在處理前和處理后的氧化還原行為以確定處理效果。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中步驟(b)施加的處理時(shí)間在大約1秒鐘和30分鐘之間。
5．根據(jù)權(quán)利要求1或2中任何一個(gè)的方法，其中在步驟(b)中測量雪崩。
6．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中在步驟b中，利用電子從其中穿過的螺線管測量電子雪崩。
7．根據(jù)權(quán)利要求1、2或4中任何一個(gè)的方法，其中DC電壓從大約0.5kV/cm到低于空氣的火花擊穿電壓，雪崩頻率在大約0.1和30Hz之間。
8．根據(jù)權(quán)利要求1或2中任何一個(gè)的方法，其中電流在步驟b中測量，DC電壓為從大約4kV到低于空氣中的火花擊穿電壓放電電壓。
9．根據(jù)權(quán)利要求1方法產(chǎn)生的種子。
10．種子，其產(chǎn)生過程如下在具有種子的正極和負(fù)極之間提供一個(gè)間隙，利用在輸出電壓上疊加了頻率達(dá)220Hz的AC紋波以產(chǎn)生移向并進(jìn)入種子的離子-電子的自組織脈沖雪崩的電源，通過向間隔開的分立電極施加在其上疊加了AC紋波的DC電壓而產(chǎn)生的電子脈沖雪崩照射種子，然后在種植之前保存種子。
11．由電子脈沖雪崩照射的種子發(fā)育成的植物，所述電子脈沖雪崩的產(chǎn)生過程如下提供分別作為正極和負(fù)極的間隔開的分立電極，種子位于正負(fù)極之間或正極之上，向間隔開的分立電極施加疊加了頻率達(dá)220Hz的AC紋波的DC電壓，以便產(chǎn)生移向正極并進(jìn)入待種植的種子的電子自組織電子雪崩。
12．一種鑒定種子的改善是利用電子的有組織的脈沖雪崩處理種子并保存種子的結(jié)果的方法，包括a．確定種子的氧化還原活動(dòng)；和b．將活動(dòng)與種子的生長特性聯(lián)系在一起。
13．一種檢測在處理種子的裝置中是否存在電子脈沖雪崩的裝置，包括a．具有多匝線圈的螺線管，安置在包含支撐種子的正極在內(nèi)的一對(duì)間隔開的分立電極附近。b．檢測線圈中的感應(yīng)電流的檢測裝置。
14．根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，其中線圈環(huán)繞芯子的匝數(shù)在大約10,000和100,000之間。
15．一種處理種子以增強(qiáng)其生長特性的裝置，包括a．一對(duì)分別作為正極和負(fù)極的間隔開的分立電極，其間具有一個(gè)間隙，種子支撐在正極上或在其附近。b．電壓發(fā)生裝置，利用具有疊加了交流AC紋波的輸出電壓作為輸出電壓的電源同時(shí)向正極和負(fù)極施加直流DC，以在增強(qiáng)種子生長特性的一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生由負(fù)極移向并進(jìn)入正極上的種子的電子的有組織的脈沖雪崩；和c．具有多匝的線圈裝置，安裝在間隔開的分立電極附近，以檢測電子雪崩；和d．記錄線圈裝置檢測到的電子脈沖雪崩的記錄裝置。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中施加的DC電壓處于4K和火花擊穿電壓之間，施加的AC電壓處于60和220Hz之間，間隙大約在1和20cm之間。
17．根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中檢測裝置是匝數(shù)大約在10,000和100,000匝之間。
18．根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中記錄裝置是圖表記錄器。
19．根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中間隙之間存在空氣。
20．根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其中正極和負(fù)極具有絕緣材料制成的、支撐在非導(dǎo)電桌面上的支桿，反饋導(dǎo)體由桌面連接到正極。
21．一種處理種子以增強(qiáng)其生長特性的方法，包括a．在一對(duì)作為正極和負(fù)極的延展分立電極之間提供種子，電極之間具有一個(gè)間隙，種子位于正極之上或在其附近。b．利用在輸出DC電壓上疊加交流AC紋波的電源向正極和負(fù)極提供時(shí)間在大約1秒鐘和30分鐘之間的直流DC電壓，以便在增強(qiáng)種子生長特性的一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生由負(fù)極移向并進(jìn)入正極和負(fù)極之間的或正極之上的種子的自組織的電子脈沖雪崩，其中電子雪崩利用電子從其中穿過的螺線管測量；和c．在種植之前將種子保存足夠長的一段時(shí)間，以便提供具有增強(qiáng)生長特性的種子。
全文摘要
一種用正極和負(fù)極(11,12)之間的自組織的電子雪崩處理種子的方法和裝置,種子放在正極和負(fù)極之間或放在正極上。盒(200)中的裝置電路(200)在電極之間同時(shí)提供DC和AC,產(chǎn)生投射到種子上的電子雪崩。種子在種植前必須保存一段時(shí)間。這樣處理的種子具有增強(qiáng)的生長特性。
文檔編號(hào)A01G7/04GK1237086SQ97199581
公開日1999年12月1日 申請日期1997年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月18日
發(fā)明者威廉C·利文古德, 約翰A·伯克 申請人:威廉C·利文古德, 約翰A·伯克