Q2—革新種子篩選技術(shù)：精準(zhǔn)鑒別活力，提升作物產(chǎn)量

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，種子質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到農(nóng)作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益。因此，對(duì)種子進(jìn)行精確篩選和活力鑒別顯得尤為重要。傳統(tǒng)的種子篩選方法往往基于外觀特征或發(fā)芽率試驗(yàn)，但這些方法存在諸多不足。外觀特征可能無(wú)法準(zhǔn)確反映種子的內(nèi)在活力，而發(fā)芽率試驗(yàn)則需要較長(zhǎng)時(shí)間才能得出結(jié)果，且試驗(yàn)過(guò)程中可能因環(huán)境因素導(dǎo)致結(jié)果偏差。因此，尋找一種快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的種子活力鑒別方法成為了農(nóng)業(yè)科研的迫切需求。
 

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)種子科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)在種子活力鑒別領(lǐng)域取得了重大突破，通過(guò)采用氧氣消耗技術(shù)和頂空氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)種子活力的精準(zhǔn)鑒別。該科研團(tuán)隊(duì)的氧氣消耗技術(shù)通過(guò)測(cè)量種子在特定時(shí)間內(nèi)的氧氣消耗量，可以反映種子的呼吸特性，從而鑒別其活力。試驗(yàn)結(jié)果顯示，活力種子與非活力種子在氧氣消耗量上存在顯著差異。該技術(shù)不僅適用于甜玉米種子，還成功應(yīng)用于辣椒和小麥種子的活力鑒別。此外，團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)新性地提出了Q_t這一新變量，用于縮短氧氣消耗量的測(cè)量過(guò)程，并證實(shí)其與單個(gè)種子活力密切相關(guān)。

本研究選取了甜玉米、辣椒和小麥等多種作物種子作為實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了氧氣消耗技術(shù)在種子活力鑒別方面的可行性和有效性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方法具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單粒種子活力的快速、無(wú)損鑒別。

以175粒甜玉米、149粒辣椒和206粒小麥種子為材料采用耗氧技術(shù)測(cè)量單粒種子呼吸作用。每種作物的種子都來(lái)自同一品種，并且是隨機(jī)選擇的。將樣品種植在 48孔(每孔一粒種子)的微滴板中，2.0ml管中加入1000μl濃度為0.5%的瓊脂。在25℃恒溫條件下，設(shè)置測(cè)量時(shí)間為120h，間隔0.33h(20min)獲取一次數(shù)據(jù)。將樣品的信息和編碼輸入操作軟件。將樣品用熒光螺帽密封，用Q2（荷蘭ASTEC-Global）記錄氧含量數(shù)據(jù)（相對(duì)值，初始值的百分比）。然后以Excel文件的形式輸出數(shù)據(jù)集，根據(jù)測(cè)量結(jié)束時(shí)種子是否發(fā)芽，評(píng)估種子活力并將其分類為生命或死亡。ASTEC值由軟件自動(dòng)生成，氧氣隨時(shí)間的消耗計(jì)算如下：

Q_t=Y_0.33–Y_t

式中，Y_t為t時(shí)記錄的氧濃度，Y_0.33在程序中獲得的第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；Q_t為測(cè)量時(shí)間達(dá)到t時(shí)的氧氣濃度，因此Q_t的值大多為正數(shù)；t的值應(yīng)該越低越好，以免樣品發(fā)生不可逆萌發(fā)。生存力評(píng)估后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，連同相應(yīng)的呼吸數(shù)據(jù)，隨機(jī)分為校準(zhǔn)集(75%)和測(cè)試集(25%)。校準(zhǔn)集用于在變量展開方面進(jìn)行進(jìn)一步分析，測(cè)試集用于驗(yàn)證結(jié)果。對(duì)單個(gè)種子活力預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性進(jìn)行了計(jì)算，并在這里以百分比的形式呈現(xiàn)，以指示新變量的最終值。

有活力的種子吸脹速度快，耗氧量大，耗氧曲線急劇下降。即種子活力越高，氧氣消耗速度就越大，氧氣消耗速率（OMR）越高，萌發(fā)啟動(dòng)時(shí)間（IMT）、臨界氧氣壓強(qiáng)（COP）、理論萌發(fā)時(shí)間（RGT）值越低。反之，失活種子耗氧曲線沒(méi)有明顯的變化。且隨著測(cè)定時(shí)間的延長(zhǎng)，兩者之間的差異逐漸增大。本研究還引入了Q_t這一新變量，用于縮短Q2（氧氣傳感器）測(cè)定過(guò)程中的測(cè)量時(shí)間，且Q_t與單粒種子的活力密切相關(guān)。這一結(jié)果為氧氣消耗技術(shù)在種子活力鑒別中的應(yīng)用提供了有力支持。

圖1 辣椒(A)、甜玉米(B)和小麥(C)單個(gè)種子的耗氧量曲線。典型的曲線是快速發(fā)芽的種子（左曲線）和緩慢發(fā)芽的種子（右曲線）。種子通常表現(xiàn)為兩階段或S型模式，但有些種子有線性模式或其他變化。

圖2 辣椒(A)、甜玉米(B)和小麥(C)種子活力的4個(gè)ASTEC值(1-4列)和最終耗氧量(Q120)(5列)值的Violin圖。IMT：代謝時(shí)間增加；OMR：氧代謝率；COP：臨界氧壓；RGT：相對(duì)發(fā)芽時(shí)間。不同作物品種間和品種間的ASTEC值在量程和標(biāo)準(zhǔn)差上存在不一致性。請(qǐng)注意，有些絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差值太大，無(wú)法在圖表中顯示。
 

圖3 Q2(氧傳感器)參數(shù)與種子活力(A、B和C)的Pearson相關(guān)矩陣，鮮活和失活辣椒(D)、甜玉米(E)和小麥(F)種子最終耗氧量(Q120)值的散點(diǎn)圖，以及使用Q120值(G、H和I)在測(cè)試集中預(yù)測(cè)結(jié)果的混淆矩陣。每列代表一種作物，即辣椒、甜玉米和小麥。IMT：代謝時(shí)間增加；OMR：氧代謝率；COP：臨界氧壓；RGT：相對(duì)發(fā)芽時(shí)間。

圖4 辣椒、甜玉米和小麥種子h時(shí)刻耗氧量Q與活力spearman相關(guān)系數(shù)散點(diǎn)圖。所有相關(guān)系數(shù)在0.01水平上均顯著。
 

圖5 在使用辣椒(D)、甜玉米(E)和小麥(F)的12小時(shí)耗氧量(Q12)、甜玉米(Q6)和小麥(F)的12小時(shí)耗氧量(Q9)的測(cè)試集中，有活力和失活辣椒(A)、甜玉米(B)和小麥(C)種子的耗氧量(Qt)值的散點(diǎn)圖，以及預(yù)測(cè)結(jié)果矩陣。

本研究的基于氧氣消耗技術(shù)的種子活力鑒別方法，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)單粒種子活力的快速、無(wú)損鑒別，具有操作簡(jiǎn)便、快速準(zhǔn)確、無(wú)損檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的種子篩選和質(zhì)量監(jiān)控。未來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，該方法有望在提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面發(fā)揮更大作用。

此外，本研究還可為其他領(lǐng)域提供有益的借鑒。例如，在環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，可利用類似方法對(duì)植物種子的活力進(jìn)行快速鑒別，為生態(tài)修復(fù)工程提供優(yōu)質(zhì)的種子資源。在植物育種領(lǐng)域，該方法可用于篩選具有優(yōu)良性狀的種子，加速育種進(jìn)程。
 

TU Ke-ling, YIN Yu-lin, YANG Li-ming, et al. Discrimination of individual seed viability by using the oxygen consumption technique and headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2023, 22(3): 727–737.
 

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