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 如何又快又准挑出高活力种子

“主要农作物高活力种子生产关键技术研究与示范”项目专家组

农民日报 》( 2018年03月27日   06 版)
 
    农谚说:好种出好苗,坏种长青草。种子活力是衡量种子质量的重要指标,决定了种子田间出苗状况、植株后期生长及最终的产量与质量。从2013年起,原农业部(现农业农村部)开始实施“主要农作物高活力种子生产关键技术研究与示范”项目,项目专家组连续对种子活力进行检测。新技术、新设备的使用,使得检测更快捷、操作更简便、结果更准确,为将种子活力尽快列入我国种子质量检测指标提供了有益参考。             ——编者
 
    种子活力是指在广泛的田间条件下,决定其迅速整齐出苗和长成正常幼苗潜在能力的总称。目前我国商品种子国家检验标准中只规定了发芽率、含水量、净度、纯度四大指标,对种子活力指标未做任何形式的说明与要求。目前应用较多的种子活力测定方法仍然是基于发芽试验的发芽速度测定。由于耗时长,越来越不能满足快速准确掌握种子质量信息的需求。
 
    随着信息技术与生物技术的快速发展,快速准确的种子活力测定正在各个国家的种子检验领域积极开展。国家公益性行业(农业)科研专项“主要农作物高活力种子生产关键技术研究与示范”项目系统开展了氧传感技术、计算机图像识别技术、生物力(顶土力)传感技术在种子活力测定中的应用研究,取得了一定成果并得到了较好应用。这些方法与传统种子活力测定方法相比具有客观、快速、准确等特点,使活力测定更方便,结果更可靠。
 
    氧传感技术检测时间节省一半
 
    氧传感技术是集生物技术和信息技术于一体的现代高科技检测方法,通过测定密闭条件下种子萌发过程中的耗氧量来反映种子的质量状况,一般在种子萌发之前,即胚根从种皮伸出前即可结束,具有直接、快速、真实、可靠等特点,在种子质量检测的基础研究和商业应用中具有划时代意义。种子萌发必须伴随旺盛的呼吸代谢,种子贮藏物质(主要是淀粉、蛋白质、脂肪)必须在有氧条件下才能氧化分解,转化为合成代谢的中间物质和提供生理活动所需的能量。由此可见,呼吸作用是种子进行生命活动的主要标志和集中表现,呼吸作用的强弱直接关系到种子活力的高低。
 
    氧传感仪是荷兰基于荧光猝灭原理开发的,通过测定种子萌发过程中的氧气消耗来鉴定种子的活力水平。目前,氧传感仪有两种。一种是自动氧传感检测仪,可对种子萌发过程中的氧气浓度进行实时测定,适合中小粒种子或耗氧量少的种子的活力检测。另一种是手动氧传感检测仪,需手动测量氧气浓度,适合大粒种子或耗氧量多的种子的活力检测。
 
    我们通过自动氧传感检测仪对100余份不同类型水稻种子样品进行了耗氧量测定,分析了氧传感测定指标与其活力指标的相关性,确定水稻种子活力测定的最佳指标。研究结果表明,水稻类型不同,其检测时间存在差异。杂交籼稻、常规籼稻、杂交粳稻、常规粳稻种子分别仅需60h、90h、140h、160h即可完成活力测定,大大缩短了检测时间。与传统的基于发芽试验的活力测定方法相比,检测时间缩短一半以上。
 
    我们除了建立不同类型水稻种子氧传感测定标准和检测模型外,还将该技术应用于小麦玉米、蔬菜以及林木种子的活力检测,均取得了较好的应用效果。
 
    计算机图像识别技术

    减少人为误差
 
    计算机图像识别技术也称机器视觉技术,以计算机和图像获取部分为工具,以图像处理技术、图像分析技术、模式识别技术、人工智能技术为依托,处理所获取的图像信号,并从图像中获取某些特定信息。机器视觉不仅是人眼的延伸,也具有人脑的部分功能,所以广泛应用于诸多领域,能够收到快速、准确、无损等人工无法比拟的效果。
 
    种子活力检测常用方法是幼苗生长检测,人工测量苗长、根长等数据时费时费力且误差很大。采用计算机图像识别技术可以更为精确快速地检测种子和幼苗的相关数据,从而达到快速检测种子活力的目的,减少人为的实验误差。以往计算机图像识别技术应用于种子活力,主要是关于根的识别与分析。美国俄亥俄州立大学曾研发了生菜、大豆、玉米、棉花等植物的活力自动评价系统。该系统使用计算机软件自动测量发芽种子的下胚轴、胚根和幼苗的长度,通过公式得到活力指数,以对不同种子批次的活力进行评价。
 
    针对小麦的研究表明,发芽第3天的小麦幼苗苗长及投影面积与小麦种子活力即存在极显著正相关,相关系数达到0.9左右。玉米上的研究也表明在种子萌发前期,即胚芽伸长生长但胚芽鞘未发生突破阶段,中胚轴、胚芽鞘长度、宽度、投影面积等指标可用于玉米种子活力的快速检测。
 
    生物力(顶土力)传感技术

    避免盖纸法弊端
 
    从种子萌发到产生新的成熟种子的整个生长发育过程,时时伴随着各种生物力的作用。对这些生物力信号进行采集利用,可更好地了解种子萌发生长规律,并为相关机理研究提供依据。当种子发芽出苗时,有一种力量使幼芽向上顶出,这种力量称为发芽力。种子萌发中,促使种苗组织器官膨大、伸长生长的所有生物力统称为种子萌发力。其中种子突破土层的生物力称为顶土力,它是发芽力的一种重要形式。基于前人研究报道及我们前期试验结果表明,种子萌发中活力高的种子顶土力强,且出苗率高;而活力低的种子顶土力弱,易出现种子不能正常出苗甚至腐烂在土壤中等现象。因此可通过比较种子萌发顶土力大小变化情况来评价种子活力的大小。
 
    种子萌发顶土力测定是种子活力测定等相关科研工作的重要研究内容,在种子生物学研究、种子质量管理、实现良种化和种子质量标准化等方面具有极其重要的应用前景。针对该发芽力形式,长期以来尚未有很好的测定方法。传统的测定方法主要有盖纸法,种子发芽时,胚芽将纸顶起,顶起的高度越高,种子活力也就越高。但该法存在误差大,操作不便,只能测种子群体的平均值,无法监测每粒种子萌发顶土力大小变化和开展量化分析等,故很少被应用。
 
    我们最新研发出一种基于生物力传感技术实时监测种子萌发顶土力大小变化的系统有效解决了上述问题。具体测量原理为种子芽鞘顶端(或相关组织器官)接触压力传感器探头开始信号采集,然后对微力信号放大处理,去噪后将模拟信号转数字信号,并得到量化数据,最后对量化数据进行筛选、导出、存储、分析,获得顶土力监测结果。
 
    跟目前手段比较,虽然有将力学测量应用于种子萌发生理研究的报道,但将生物力传感技术应用于种子活力评价工作,国内外尚无先例。
 
    最后,引用冯元桢先生的一句话“应力—生长关系是生物力学的活灵魂”。不同植物种子、不同生物力形式、不同评价体系方法等形成了种子生物力学测量这样一个多样化的、充满魅力的科学领域,我们希望更多对该领域感兴趣的人们加入进来,使之焕发出新的活力。
 
    项目专家组成员:
 
    王建华 中国农业大学教授赵光武 浙江农林大学教授孙群 中国农业大学副教授江绪文 青岛农业大学副教授

新技术有哪些优点
 
  
 
氧传感检测仪
 
    用时更短。杂交籼稻、常规籼稻、杂交粳稻、常规粳稻种子分别仅需60h、90h、140h、160h即可完成活力测定,与传统的基于发芽试验的活力测定方法相比,检测时间缩短一半以上。该技术应用于小麦、玉米、蔬菜以及林木种子的活力检测,均取得了较好的应用效果。
 
    误差更小。种子活力检测常用方法是幼苗生长检测,人工测量苗长、根长等数据费时费力且误差很大。采用计算机图像识别技术可以更为精确快速地检测种子和幼苗的相关数据,从而达到快速检测种子活力的目的,减少人为的实验误差。
 
    操作更简便。种子萌发顶土力测定是种子活力测定等相关科研工作的重要研究内容,传统测定方法有盖纸法。种子发芽时,胚芽将纸顶起,顶起的高度越高,种子活力越高。但该法操作不便,只能测种子群体的平均值,无法监测每粒种子萌发顶土力大小变化和开展量化分析。新研发出的基于生物力传感技术实时监测种子萌发顶土力大小变化的系统则有效解决了上述问题。
 
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