基于超弱发光技术的稻谷和小麦种子发芽率检测

王春芳 詹 耀 胡菲菲 于 勇 朱松明

(浙江大学生工系统工程与食品科学学院，杭州 310058)

超微弱发光(Ultraweak luminescence)，简称超弱发光，是一种低水平的生物发光，前苏联科学家G.Gurwitsh在1923年进行著名的“洋葱试验”中首次发现了超弱发光现象。然而，由于仪器条件的限制，直到1954年意大利人Colli等利用装有光电倍增管的仪器才首次科学地证明了超弱发光现象［1］。此后的50多年里，各国研究人员对于超弱发光的机理及应用开展了大量研究工作。至今，虽然其发光机理尚未揭示清楚，但研究已证明，超弱发光反映了生物体细胞内和细胞间的新陈代谢、功能调解和信息交换，是生物体生长代谢的动态指标［1－2］。

在所获得的成果中，植物的超微弱发光值与其生活力有密切正相关关系的发现是最基础研究成果之一，也是超弱发光检测技术用于现代农事管理的最重要应用基础之一［3］。研究表明，经过电磁辐射处理的大豆的生活力比未处理的种子大大增强，而同时其超微弱发光值也显著增加;而当采用代谢抑制剂处理绿豆种子后，种子活性大大降低，其超微弱发光值也同时降低［4］。在对小麦、豌豆、玉米、蔬菜等的研究中也得到了类似的研究结果［5－8］。

然而，目前针对农产品超弱发光的研究还存在一些不足，主要体现在两个方面:一是较少建立有效的通过农产品超弱发光值预测其生活力的模型;二是未对可能引起农产品的超弱发光值变化的其他因素进行剔除，如大分子成分变化，进而获得超弱发光值与其生活力相关的直接证据。这两方面的不足在目前的稻谷和小麦的相关研究中表现得尤为突出。

本研究以稻谷和小麦为研究对象，通过对贮藏0(未贮藏，收获后直接检测)～24个月的稻谷和小麦种子颗粒及去种胚后的胚乳粉的超弱发光分析，建立两种超弱发光值与其发芽率的关系，探索稻谷和小麦超弱发光值与其生活力相关的直接证据，并建立有效的通过超弱发光值预测其生活力的数学模型。为稻谷和小麦生活力指标(发芽率)的快速判定技术及装备的研究提供了基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

稻谷:浙江大学实验农场收获的晚粳稻(浙农稻1号)(2009年11月收获)，收获后采用50℃低温干燥值贮藏安全含水率［(12.5 ±0.1)%，干基］，并在人工气候室［温度(25±1)℃，湿度(50±5)%，机械通风］中贮藏待测。

小麦:采用浙江大学实验农场收获的小麦(浙农麦3号)(2009年7月收获)，收获后采用50℃低温干燥值贮藏安全含水率［(12.5 ±0.1)%，干基］，并在人工气候室［温度(25±1)℃，湿度(50±5)%，机械通风］中贮藏待测。

1.2 主要仪器

BPCL－2微弱发光测量仪:中科院物理所;B6－15人工气候室:北京易盛泰和科技有限公司;YS－04小型高速粉碎机:北京燕山正德机械设备有限公司;DGX－9 003鼓风干燥箱:上海福玛实验设备有限公司;SW－CJ－1F洁净工作台:苏州安泰空气技术有限公司;PRX－600C－CO2人工气候箱:宁波海曙赛福实验仪器厂。

1.3 试验方法

1.3.1 超弱发光检测

采用超微弱发光测量仪检测稻谷和小麦样品的超弱发光(包括种子颗粒样品和胚乳粉样品)，通过预试验选定超微弱发光测量仪的检测条件为:样品检测量，10 g;检测温度，(30±1)℃。此外，预试验表明，稻谷和小麦无论是种子颗粒样品还是胚乳粉样品，放入超微弱发光测量仪开始检测的一段时间内，由于受到外源光照并延迟发光的作用，其超弱发光值从初始值逐渐波动下降，并在5 min后都可达到稳定发光(样品自身的生物发光)，且这一初始值受到检测前外界光照度的影响，而稳定发光阶段的超弱发光值却不受检测前外界光照的影响。因此，试验中设定每样品检测10 min，并取后5 min的数据计算样品的超弱发光值(n/s，每秒检测到的光子数)。每样品检测时，先检测样品与容器的总超弱发光值N1，再将样品取出并检测空容器的超弱发光值N2，样品的实际超弱发光值N由式(1)计算得到。每样品设重复7次。

1.3.2 种子发芽率测定

从储藏0～24个月的稻谷和小麦种子颗粒样品中，随机挑选100粒种子均匀放置在3张滤纸(预先在直径为15 cm的培养皿中用蒸馏水浸泡2 h)上，按照GB/T 3543.4—1995检测稻谷和小麦种子的发芽率。发芽试验采用人工气候箱，于恒温(稻谷30℃，小麦25℃)放置14 d，光照时间均设置为12 h光照，12 h黑暗处理，并于第14天检测其发芽率。每个试验设重复3次。

1.3.3 胚乳粉制备

将储藏0～24个月的稻谷和小麦种子颗粒采用人工去胚，并将去胚后的部分用小型高速粉碎机粉碎至过100目筛，制成胚乳粉样品，与种子颗粒样品采用相同的检测方法检测其超弱发光，每样品设重复7次。每样品自粉碎后开始计时，统一在粉碎后10 min进行超弱发光值的测定，以避免粉碎后放置时间长短对超弱发光值的影响。

2 结果与讨论

2.1 贮藏时间对稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值与发芽率的影响

0～24个月的贮藏对稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值与发芽率的影响如图1和图2所示。从图1和图2中不难看出，随着贮藏时间的延长，稻谷和小麦种子的发芽率均逐渐下降。稻谷种子在两年的贮藏时间内，其平均发芽率从96%下降到52%。小麦种子在两年的贮藏时间内，其平均发芽率从93%下降到55%。这是种子贮藏过程中的呼吸作用使稻谷和小麦种子陈化导致的。呼吸作用是种子内活组织在酶和氧的参与下将本身的贮藏物质进行一系列的氧化还原反应，最后放出二氧化碳和水，同时释放能量的过程，是活组织特有的生命活动［9－11］，有研究将这一生命活动机理性解释为胚组织的酸败变质［12］。

同时，随着贮藏时间的延长，稻谷和小麦种子颗粒的超弱发光值也逐渐下降。由于超弱发光反映了生物体细胞内和细胞间的新陈代谢、功能调解和信息交换，是生物体生长代谢的动态指标，因此，稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值的这一变化很可能是其生活力(发芽率)下降导致的。从图1和图2中，也能明显看出稻谷和小麦种子颗粒的超弱发光值与发芽率在贮藏期间同时下降，且下降幅度(下降的斜率)也类似，均为50%左右。这与前人的研究结果类似［4－8］。

2.2 贮藏时间对稻谷和小麦胚乳粉超弱发光值的影响

现有研究表明，伴随稻谷和小麦种子的贮藏，由呼吸作用导致的胚组织的酸败变质也会伴随着一定程度的胚乳组织(主要是淀粉)的变性［13－14］，而一些大分子物质(尤其是多糖，如淀粉)的结构改变，也会伴随着其超弱发光的变化，如淀粉自由基的弛豫发光［15］。因此要判定贮藏期内稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值与发芽率(生活力)确实存在相关性，必须首先排除胚乳组织在贮藏期内的变化对稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值的影响。

为此，本研究对0～24个月储藏期内稻谷和小麦种子去胚后的胚乳粉进行了超弱发光值检测，检测结果如图3和图4所示。从图3和图4中可以看出，随着贮藏时间的延长，稻谷和小麦种子的胚乳粉的超弱发光值从平均值角度来讲，略有下降的趋势，但统计学上并不存在显著的差异。由此可以判定，贮藏期内稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值与发芽率(生活力)确实存在密切的相关性，且不受种胚以外的组织成分变化的影响。

2.3 稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值与发芽率的关系

取图1和图2中的试验结果，建立稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值与发芽率的关系图形，并进行建模，结果如图5和图6所示，稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值与发芽率的关系存在明显的差异。小麦种子颗粒的超弱发光值与发芽率呈良好的线性相关性［式(4)，R=0.998］，而稻谷种子颗粒的超弱发光值与发芽率经线性拟合［式(3)，R=0.976］和非线性拟合［式(2)，R=0.993］发现，更符合非线性关系。式(2)和式(4)的R值都很高，这两个模型可很好地通过稻谷和小麦的超弱发光值来预测其贮藏期间的发芽率，且超弱发光检测可在10 min内完成，这为稻谷和小麦生活力指标(发芽率)的快速判定技术及装备的研究提供了基础数据。

通过对图5和图6的进一步分析可以发现，若都采用线性拟合，由式(3)和式(4)可知，稻谷的拟合直线斜率大于小麦。并且，若联立式(2)和式(3)，可以解得两个模型的交点在发芽率为62%(接近贮藏18个月的发芽率)和93%(接近收获时的发芽率)左右处。这说明，稻谷在62%～93%的发芽率范围内，在给定的发芽率下，由式(2)得到的超弱发光值较由式(3)得到的超弱发光值更低，而稻谷种子颗粒的超弱发光值与发芽率更符合式(2)这种非线性关系，这说明稻谷在收获后18个月的贮藏过程中，其发芽率降低所伴随的胚组织的酸败变质程度(与超弱发光值负相关)很可能要强于小麦，即稻谷在试验条件下的陈化速度快于小麦。

根据周惠明［14］的报道，当稻谷和小麦含水率相同时，在较高的温度(20～40℃)贮藏时，稻谷陈化速度快于小麦;在较低的温度(低于20℃)贮藏时，稻谷陈化速度慢于小麦。而本研究采用人工气候室贮藏稻谷和小麦所设定的温度为25℃，本试验结果与之相互印证。

3 结论

3.1 通过对贮藏0～24个月的稻谷和小麦种子颗粒及去种胚后的胚乳淀粉的超弱发光分析，证明了贮藏期内稻谷和小麦种子颗粒超弱发光值与发芽率(生活力)确实存在密切的相关性，且不受种胚以外的组织成分变化的影响。

3.2 小麦种子颗粒的超弱发光值与发芽率呈良好的线性相关性，而稻谷种子颗粒的超弱发光值与发芽率更符合非线性关系，所建立的模型可以很好地通过稻谷和小麦的超弱发光值来预测其贮藏期间的发芽率。

3.3 在本试验的条件下，在18个月左右的贮藏期间内，稻谷的陈化速度要快于小麦。

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