在農業(ye)領(ling)域(yu)，種子質(zhi)量的(de)(de)(de)優劣(lie)直(zhi)接關系(xi)到農作物的(de)(de)(de)產(chan)量、品質(zhi)和經濟效益(yi)。因此(ci)，對種子進(jin)行精確篩選(xuan)和活(huo)力(li)鑒別(bie)顯(xian)得尤為(wei)(wei)重要(yao)。傳統的(de)(de)(de)種子篩選(xuan)方法(fa)往往基于外觀特(te)征(zheng)(zheng)或發芽率試(shi)驗(yan)，但(dan)這些方法(fa)存在諸(zhu)多不足(zu)。外觀特(te)征(zheng)(zheng)可能無法(fa)準確反映(ying)種子的(de)(de)(de)內在活(huo)力(li)，而發芽率試(shi)驗(yan)則(ze)需(xu)(xu)要(yao)較長時(shi)間(jian)才能得出結(jie)(jie)果(guo)，且試(shi)驗(yan)過(guo)程中可能因環境(jing)因素導致結(jie)(jie)果(guo)偏差。因此(ci)，尋找(zhao)一(yi)種快速、準確、無損的(de)(de)(de)種子活(huo)力(li)鑒別(bie)方法(fa)成為(wei)(wei)了農業(ye)科研的(de)(de)(de)迫切需(xu)(xu)求(qiu)。
中(zhong)國農業大學(xue)種(zhong)子(zi)(zi)科(ke)學(xue)與生物技術學(xue)院的科(ke)研(yan)團隊(dui)在種(zhong)子(zi)(zi)活力(li)鑒別(bie)領域取得了重大突破，通過采用氧氣消耗技術和頂空(kong)氣相色(se)譜(pu)-離子(zi)(zi)遷移譜(pu)技術，成功實現了對(dui)單個種(zhong)子(zi)(zi)活力(li)的精準(zhun)鑒別(bie)。該科研團隊的氧氣消耗技術通過測量種子在特定時間內的氧氣消耗量，可以反映種子的呼吸特性，從而鑒別其活力。試驗結果顯示，活力種子與非活力種子在氧氣消耗量上存在顯著差異。該技術不僅適用于甜玉米種子，還成功應用于辣椒和小麥種子的活力鑒別。此外，團隊還創新性地提出了Qt這一新變量，用于縮短氧氣消耗量的測量過程，并證實其與單個種子活力密切相關。
本研究選(xuan)取了(le)甜玉米、辣椒和小麥等多種作(zuo)物(wu)種子(zi)作(zuo)為(wei)實(shi)(shi)驗(yan)材料，通過(guo)大(da)量實(shi)(shi)驗(yan)驗(yan)證(zheng)了(le)氧(yang)氣消(xiao)耗技術在(zai)種子(zi)活力(li)鑒別方(fang)面(mian)的(de)可行性(xing)(xing)(xing)和有效性(xing)(xing)(xing)。實(shi)(shi)驗(yan)數據表明，該方(fang)法(fa)具(ju)有較高的(de)準確性(xing)(xing)(xing)和穩定性(xing)(xing)(xing)，能夠實(shi)(shi)現對單(dan)粒種子(zi)活力(li)的(de)快速、無損鑒別。
以175粒(li)甜玉米(mi)、149粒(li)辣椒(jiao)和206粒(li)小麥(mai)種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)為材(cai)料采用(yong)耗氧技(ji)術測量(liang)單粒(li)種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)呼吸作用(yong)。每(mei)種(zhong)(zhong)(zhong)作物的(de)種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)都(dou)來自(zi)同一(yi)(yi)品(pin)種(zhong)(zhong)(zhong)，并且是(shi)隨機(ji)選擇的(de)。將(jiang)樣品(pin)種(zhong)(zhong)(zhong)植在 48孔(kong)(每(mei)孔(kong)一(yi)(yi)粒(li)種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi))的(de)微滴板中，2.0ml管中加入1000μl濃度(du)為0.5%的(de)瓊(qiong)脂。在25℃恒溫條件下，設(she)置測量(liang)時(shi)間(jian)為120h，間(jian)隔0.33h(20min)獲取(qu)一(yi)(yi)次數(shu)據。將(jiang)樣品(pin)的(de)信(xin)息和編碼(ma)輸入操作軟(ruan)件。將(jiang)樣品(pin)用(yong)熒光螺(luo)帽(mao)密封，用(yong)Q2（荷蘭ASTEC-Global）記(ji)錄氧含量(liang)數(shu)據（相對值(zhi)(zhi)，初始值(zhi)(zhi)的(de)百分(fen)比）。然后(hou)以Excel文件的(de)形式(shi)輸出(chu)數(shu)據集，根據測量(liang)結束時(shi)種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)是(shi)否發(fa)芽，評估種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)活力并將(jiang)其(qi)分(fen)類為生命或死亡。ASTEC值(zhi)(zhi)由(you)軟(ruan)件自(zi)動(dong)生成，氧氣(qi)隨時(shi)間(jian)的(de)消耗計(ji)算(suan)如下：
Qt=Y0.33–Yt
式中，Yt為t時記錄的氧濃度，Y0.33在程序中獲得的第一個數據點；Qt為測量時間達到t時的氧氣濃度，因此Qt的值大多為正數；t的值應該越低越好，以免樣品發生不可逆萌發。生存力評估后產生的數據，連同相應的呼吸數據，隨機分為校準集(75%)和測試集(25%)。校準集用于在變量展開方面進行進一步分析，測試集用于驗證結果。對單個種子活力預測的準確性進行了計算，并在這里以百分比的形式呈現，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，萌發啟動時間（IMT）、臨界氧氣壓強（COP）、理論萌發時間（RGT）值越低。反之，死種子耗氧曲線沒有明顯的變化。且隨著測定時間的延長，兩者之間的差異逐漸增大。本研究還引入了Qt這一新變量，用于縮短Q2（氧氣傳感器）測定過程中的測量時間，且Qt與單粒種子的活力密切相關。這一結果為氧氣消耗技術在種子活力鑒別中的應用提供了有力支持。
圖1 辣椒(A)、甜玉(yu)米(B)和小麥(C)單(dan)個種(zhong)子(zi)(zi)的(de)耗氧量(liang)曲(qu)線。典型的(de)曲(qu)線是快速發芽的(de)種(zhong)子(zi)(zi)（左曲(qu)線）和緩慢發芽的(de)種(zhong)子(zi)(zi)（右(you)曲(qu)線）。種(zhong)子(zi)(zi)通常表現為兩階段或S型模式，但有些種(zhong)子(zi)(zi)有線性(xing)模式或其他(ta)變化。
圖2 辣椒(A)、甜玉米(B)和小麥(C)種子活力的4個ASTEC值(1-4列)和最終耗氧量(Q120)(5列)值的Violin圖。IMT：代謝時間增加；OMR：氧代謝率；COP：臨界氧壓；RGT：相對發芽時間。不同作物品種間和品種間的ASTEC值在量程和標準差上存在不一致性。請注意，有些絕對標準偏差值太大，無法在圖表中顯示。
圖3 Q2(氧傳感器)參數與種子活力(A、B和C)的Pearson相關矩陣，鮮活和死亡辣椒(D)、甜玉米(E)和小麥(F)種子最終耗氧量(Q120)值的散點圖，以及使用Q120值(G、H和I)在測試集中預測結果的混淆矩陣。每列代表一種作物，即辣椒、甜玉米和小麥。IMT：代謝時間增加；OMR：氧代謝率；COP：臨界氧壓；RGT：相對發芽時間。
圖(tu)4 辣(la)椒(jiao)、甜玉(yu)米和小(xiao)麥種子h時刻耗氧量Q與活力(li)spearman相(xiang)關系(xi)數散(san)點(dian)圖(tu)。所有相(xiang)關系(xi)數在0.01水平上均顯著。
圖(tu)5 在使用(yong)辣椒(D)、甜(tian)玉米(mi)(E)和(he)(he)小(xiao)麥(F)的12小(xiao)時耗氧(yang)量(liang)(Q12)、甜(tian)玉米(mi)(Q6)和(he)(he)小(xiao)麥(F)的12小(xiao)時耗氧(yang)量(liang)(Q9)的測試集中，有活力(li)和(he)(he)死亡辣椒(A)、甜(tian)玉米(mi)(B)和(he)(he)小(xiao)麥(C)種子的耗氧(yang)量(liang)(Qt)值的散點圖(tu)，以及(ji)預測結果矩陣。
本研究的(de)基于(yu)氧氣消耗(hao)技(ji)術的(de)種(zhong)(zhong)子活力鑒(jian)別(bie)方法(fa)，成功實(shi)現了(le)對單粒種(zhong)(zhong)子活力的(de)快(kuai)速、無損鑒(jian)別(bie)，具有操(cao)作簡(jian)便、快(kuai)速準確、無損檢測等優點，可廣泛應用于(yu)農業生(sheng)產中(zhong)的(de)種(zhong)(zhong)子篩(shai)選(xuan)和質量監控。未來，隨(sui)著(zhu)相關(guan)技(ji)術的(de)不斷發展和完善，該方法(fa)有望在提高作物產量和品(pin)質方面發揮更大(da)作用。
此外，本研究還可(ke)為其他領(ling)域(yu)提(ti)供有益的(de)(de)借(jie)鑒。例如，在(zai)環(huan)境保護和(he)生態(tai)修(xiu)復領(ling)域(yu)，可(ke)利用類(lei)似方(fang)(fang)法對植(zhi)物種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)的(de)(de)活力進(jin)行快(kuai)速鑒別，為生態(tai)修(xiu)復工程(cheng)提(ti)供優(you)質的(de)(de)種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)資源(yuan)。在(zai)植(zhi)物育種(zhong)(zhong)(zhong)領(ling)域(yu)，該方(fang)(fang)法可(ke)用于篩選具有優(you)良(liang)性狀的(de)(de)種(zhong)(zhong)(zhong)子(zi)(zi)，加(jia)速育種(zhong)(zhong)(zhong)進(jin)程(cheng)。
TU Ke-ling, YIN Yu-lin, YANG Li-ming, et al. . Journal of Integrative Agriculture, 2023, 22(3): 727–737.
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