在農業(yè)領域，種子質量的優(yōu)劣直接關系到農作物的產量、品質和經濟效益。因此，對種子進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，但這些方法存在諸多不足。外觀特征可能無法準確反映種子的內在活力，而發(fā)芽率試驗則需要較長時間才能得出結果，且試驗過程中可能因環(huán)境因素導致結果偏差。因此，尋找一種快速、準確、無損的種子活力鑒別方法成為了農業(yè)科研的迫切需求。
中國農業(yè)大學種子科學與生物技術學院的科研團隊在種子活力鑒別領域取得了重大突破，通過采用氧氣消耗技術和頂空氣相色譜-離子遷移譜技術，成功實現(xiàn)了對單個種子活力的精準鑒別。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(chuàng)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。
本研究選取了甜玉米、辣椒和小麥等多種作物種子作為實驗材料，通過大量實驗驗證了氧氣消耗技術在種子活力鑒別方面的可行性和有效性。實驗數(shù)據(jù)表明，該方法具有較高的準確性和穩(wěn)定性，能夠實現(xiàn)對單粒種子活力的快速、無損鑒別。
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測量單粒種子呼吸作用。每種作物的種子都來自同一品種，并且是隨機選擇的。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，設置測量時間為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)測量結束時種子是否發(fā)芽，評估種子活力并將其分類為生命或死亡。ASTEC值由軟件自動生成，氧氣隨時間的消耗計算如下：
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(shù)據(jù)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(shù)；t的值應該越低越好，以免樣品發(fā)生不可逆萌發(fā)。生存力評估后產生的數(shù)據(jù)，連同相應的呼吸數(shù)據(jù)，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(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)啟動時間（IMT）、臨界氧氣壓強（COP）、理論萌發(fā)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)、甜玉米(B)和小麥(C)單個種子的耗氧量曲線。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(fā)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(shù)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(fā)芽時間。
圖4 辣椒、甜玉米和小麥種子h時刻耗氧量Q與活力spearman相關系數(shù)散點圖。所有相關系數(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小時耗氧量(Q12)、甜玉米(Q6)和小麥(F)的12小時耗氧量(Q9)的測試集中，有活力和死亡辣椒(A)、甜玉米(B)和小麥(C)種子的耗氧量(Qt)值的散點圖，以及預測結果矩陣。
本研究的基于氧氣消耗技術的種子活力鑒別方法，成功實現(xiàn)了對單粒種子活力的快速、無損鑒別，具有操作簡便、快速準確、無損檢測等優(yōu)點，可廣泛應用于農業(yè)生產中的種子篩選和質量監(jiān)控。未來，隨著相關技術的不斷發(fā)展和完善，該方法有望在提高作物產量和品質方面發(fā)揮更大作用。
此外，本研究還可為其他領域提供有益的借鑒。例如，在環(huán)境保護和生態(tài)修復領域，可利用類似方法對植物種子的活力進行快速鑒別，為生態(tài)修復工程提供優(yōu)質的種子資源。在植物育種領域，該方法可用于篩選具有優(yōu)良性狀的種子，加速育種進程。
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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