电导率法早期检测玉米和小麦种子活力

2020-06-04向莹莹李浩卓张婷婷王建华

中国农业大学学报 2020年6期

向莹莹李浩卓张婷婷王建华孙群

(1.中国农业大学农学院/种子科学与技术研究中心，北京 100193；2.农业农村部农作物种子全程技术研究北京创新中心，北京 100193)

种子活力作为种子质量的重要指标，其高低直接关系到田间出苗情况，并影响植株的后期生长及最终的产量和品质[1]。种子活力测定的根本目的是准确地鉴定具有商业价值的种子批生理潜力的重要差异，有效预测种子的田间出苗或耐贮藏情况。国际上常用的种子活力测定方法有幼苗生长特性测定、逆境抗性测定和生化测定3大类，均列入国际种子检验协会(ISTA)和美国官方种子分析家协会(AOSA)的活力测定手册中[2]。电导率测定属于生化测定，是1种常用的种子活力测定方法。Fick等[2-5]发现梯牧草(timothy)种子的发芽率与种子吸胀过程中内含物的释放量存在密切关系，并率先提出了种子电导率测定的原理，即种子吸胀初期，细胞膜重建和损伤修复能力影响电解质(如氨基酸、有机酸和糖)渗出程度，膜完整性修复速度越快，渗出物越少。高活力种子能够更加快速地重建膜，且最大限度对损伤进行修复，而低活力种子重建及修复能力相对较差。种子吸水过程中渗透量的增加与细胞膜系统的破坏和渗透性失去控制直接相关[5]。因此，一般低活力种子浸出液的电导率高，高活力种子浸出液的电导率低[6-7]。

基于该原理利用电导率法测定种子活力的研究报道较多，主要集中在大豆、蔬菜和林木等种子，如： Dias等[8]研究发现8和12 h的浸泡可以用于检测大部分大豆种子活力的差异，16、20和24 h的浸泡则可以用于检测种子活力差异小的种子批。Maria等[9]研究发现7个本地物种(黑矢车菊、蓝花矢车菊、田野孀草、虞美人、夏枯草、白玉草和缬草)中有4个物种(蓝花矢车菊、夏枯草、缬草和黑矢车菊)的电导率值能作为最终发芽的指标，可预测其种子的萌发。Mavi等[10]研究发现9个不同品种萝卜种子的标准发芽率与电导率值显著正相关，R2=0.865。Mirdad等[11]研究发现经人工老化的甘蓝和菜花种子的电导率能有效预测其总发芽数和正常发芽率。

玉米(ZeamaysL.)和小麦(TriticumaestivumL.)都是世界上重要的粮食作物[12-14]。Vitoria等[15]以未处理及加速老化的玉米种子为材料，研究发现电导率与种子发芽率有关，苗长较高、干重较高和胚根较重的种子批电导率较低。Viloria等[16]研究发现在实验室、温室或田间条件下，14～20 h是建立pH和电导率与活力数据之间相关性评估的理想时间。Ocvirk等[17]研究发现玉米杂交种电导率与标准发芽试验、低温试验中大多数玉米种子的幼苗活力参数如发芽势、发芽率、根长和胚芽长度呈极显著负相关。Tajbakhsh等[18]研究发现，小麦种子经加速老化后，其溶质渗漏量随着加速老化不断增加，且在活力下降的范围内呈线性增加。李灵芝等[19]研究证明浸泡2 h后，小麦种子的浸出液电导率与发芽率和简易活力指数(SVI)呈正相关，但品种间的电导率差异大，利用2 h的电导率反映小麦种子活力高低的灵敏度较差。朱银等[20]以人工加速老化的3个小麦品种种子为材料，发现发芽率有较大差异的小麦种子浸泡24 h后的电导率与发芽率、发芽指数均呈显著负相关。利用电导率法评价玉米、小麦种子活力的相关研究多采用人工加速老化的种子进行，品种间的相关研究尚未见报道。

本研究首先以4个玉米品种和2个小麦品种人工老化的种子为材料，筛选与种子活力相关性显著的电导率早期测定时间并分析相关性，然后用45个玉米品种和50个小麦品种种子进行验证，旨在为种子活力快速评价筛选稳定有效的电导率早期测定时间，以期为玉米和小麦等作物种子活力评价及研究提供理论依据和应用参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

人工加速老化试验所用材料：玉米品种为2017年收自甘肃省张掖市的‘郑单958’、‘农大86’、‘农大87’、‘农大364’。小麦品种为2018年收自山东省的‘济麦22’、河南省的‘周麦18’。

验证试验所用材料：玉米为2016和2017年收自甘肃省张掖市的45个品种。小麦为低温储存10年的50个品种。

1.2 试验方法

1.2.1人工加速老化试验

将种子装入尼龙网袋中，每袋500粒，共16袋贴好标签，置于45 ℃(玉米)/ 41 ℃(小麦)鼓风干燥箱中(相对湿度RH= 98%)。分别老化0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15 d，老化结束后取出种子，室温下回干至原始重量。

1.2.2电导率测定

每个处理取50粒大小均匀一致且无破损的种子，重复3次，准确称重(W)。蒸馏水冲洗3次，用定性滤纸将表面水分吸干，分别装入锥形瓶中，贴上标签，加入250 mL蒸馏水，测定初始电导率(d1)。20 ℃条件下，种子浸泡24 h后测定浸出液电导率(d2)，浸泡过程中每4 h测1次电导率值。根据式(1)计算单位重量种子浸出液电导率：

种子浸出液电导率=(d2-d1)/W

(1)

1.2.3标准发芽试验

参照GB/T 3543.4—1995《农作物种子检验规程发芽试验》[21]进行标准发芽试验。在发芽第4天记录玉米和小麦发芽势，第7天记录玉米发芽率，第8天记录小麦发芽率并称量幼苗鲜重(保留4位小数)，计算简易活力指数(SVI)。发芽率公式(2)、(3)如下：

玉米发芽率=(第7天正常发芽种子数/ 供试种子数)×100%

(2)

小麦发芽率=(第8天正常发芽种子数/ 供试种子数)×100%

(3)

简易活力指数(SVI)公式(4)如下：

简易活力指数(SVI)=发芽率×单株鲜重

(4)

1.2.4电导率快速检测时间的验证

对45个玉米品种及50个小麦品种种子进行标准发芽试验，并测定每个品种种子浸种4、8和24 h的电导率值。将电导率的测定结果与标准发芽试验的结果进行相关性分析，以验证电导率检测指标在品种间的适用性。

1.2.5玉米/小麦种子浸泡不同时间回干后的活力检测

取未老化的4个玉米品种和2个小麦品种各 1 200 粒(大小均匀一致且无破损)，每个重复100粒，准确称重。蒸馏水冲洗3次，用定性滤纸将表面水分吸干，分别装入250 mL锥形瓶中，贴上标签，加入250 mL蒸馏水。分别浸泡0、4、8及24 h(每个处理3个重复)后取出，回干至原始重量进行标准发芽试验。

1.3 数据分析

利用WPS 2019及IBM SPSS Statastics 20进行方差分析和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 人工老化处理玉米/小麦种子的活力

由图1可见，随着老化时间的延长，玉米及小麦种子活力呈现逐渐下降的趋势，老化15 d后发芽率均接近0。

图1 人工老化处理后的玉米(a)和小麦(b)种子活力变化
Fig.1 Maize seeds (a) and wheat seeds (b) vigor change after artificial aging treatment

2.2 老化处理不同时间玉米/小麦种子的电导率变化

由图2可见，随着老化时间的延长，玉米及小麦种子24 h的电导率呈现逐渐上升的趋势。说明随着种子活力的逐渐下降，电导率逐渐上升，即低活力种子电导率高，高活力种子的电导率低。

2.3 不同浸泡时间电导率值与玉米/小麦种子活力的相关性

由表1可知，4个玉米品种与2个小麦品种的发芽势、发芽率和SVI与每间隔4 h的单位重量种子浸出液电导率均成显著负相关。因此，这4个玉米品种和2个小麦品种电导率的检测时间可以提前至4 h。

图2 人工老化处理不同时间的玉米(a)和小麦(b)种子浸出液电导率变化
Fig.2 Changes of conductivity of mazie seeds (a) and wheat seeds (b) extract after artificial aging treatment with different time

表1 经人工老化处理的玉米及小麦种子浸出液电导率值与种子活力指标的相关性分析
Table 1 Correlation analysis of conductivity of seed extract and vigor index of maize and wheat seeds after artificial aging treatment

作物Crop 品种Variety活力指标Vigorindex浸泡时间/h Soak time4812162024发芽势-0.881**-0.888**-0.883**-0.897**-0.920**-0.929**郑单958发芽率-0.870**-0.877**-0.873**-0.887**-0.911**-0.920**SVI-0.860**-0.861**-0.863**-0.883**-0.907**-0.915**发芽势-0.682**-0.726**-0.737**-0.756**-0.773**-0.793**农大86发芽率-0.696**-0.739**-0.750**-0.769**-0.786**-0.806**玉米SVI-0.671**-0.718**-0.725**-0.743**-0.760**-0.781**发芽势-0.521*-0.662**-0.729**-0.743**-0.795**-0.819**农大87发芽率-0.523*-0.663**-0.733**-0.752**-0.802**-0.825**SVI-0.495-0.662**-0.750**-0.794**-0.842**-0.862**发芽势-0.861**-0.898**-0.930**-0.946**-0.946**-0.938**农大364发芽率-0.870**-0.905**-0.938**-0.954**-0.954**-0.942**SVI-0.883**-0.933**-0.935**-0.899**-0.888**-0.928**发芽势-0.806**-0.838**-0.867**-0.875**-0.865**-0.864**济麦22发芽率-0.845**-0.901**-0.941**-0.948**-0.939**-0.938**小麦SVI-0.841**-0.892**-0.928**-0.938**-0.925**-0.925**发芽势-0.824**-0.936**-0.962**-0.964**-0.954**-0.973**周麦18发芽率-0.833**-0.940**-0.960**-0.970**-0.961**-0.977**SVI-0.685**-0.741**-0.769**-0.770**-0.734**-0.756**

注： *表示在0.05水平(双侧)上显著相关；**在0.01水平(双侧)上显著相关。下同。

Note： * Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed); ** Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed). The same below.

2.4 玉米和小麦种子浸泡不同时间回干后的活力变化

表2和表3所示，4个玉米品种和2个小麦品种浸泡4 h后，种子的发芽势、发芽率、SVI与未浸泡种子相比均无显著差异。4个玉米品种浸泡24 h回干后，种子活力指标相较未浸泡的种子都有显著的下降，发芽势及发芽率均从90%以上下降到70%以下，简易活力指数也下降了一半以上。因此，常规方法中，种子浸泡24 h测定电导率后已受到不可逆的破坏，无法用于后续的生产或贮藏。而浸泡4 h后的玉米和小麦种子，回干后活力基本不受影响，可继续利用和贮藏。

表2 浸泡回干后玉米种子发芽势、发芽率和简易活力指数变化Table 2 Changes of germination potential, germination percentage and simple vitality index of maize seeds after soaking and drying

注：同一列不同小写字母表示不同处理在0.05水平上差异显著。下同。

Note： The different small letters show significant difference at 0.05 level in the same coloum. The same below.

2.5 电导率早期种子检测时间的确定

人工加速老化的4个玉米品种与2个小麦品种电导率的检测时间可以提前至4 h，见表1。对此结果用45个玉米品种及50个小麦品种进行验证。由表4可知，45个玉米品种的发芽势、发芽率、SVI与4和8 h的浸出液电导率均成极显著负相关,相关系数与24 h浸出液电导率基本持平；50个小麦品种的发芽势、发芽率、SVI与24 h的浸出液电导率均成极显著负相关，但只有SVI与8 h浸出液电导率呈显著负相关。因此，玉米种子电导率检测时间可稳定提前至4 h，小麦种子电导率早期检测时间仍需进一步研究。

表3 浸泡回干后小麦种子发芽势、发芽率和简易活力指数变化Table 3 Changes of germination potential, germination percentage and simple vitality index of wheat seeds after soaking and drying

表4 45个玉米品种和50个小麦品种种子浸出液电导率值与种子活力指标的相关性分析Table 4 Correlation analysis of conductivity of seed extract and vigor index of 45 different maize varieties and 50 different wheat varieties

3 讨论

电导率测定作为种子活力检测的一种方法，具有简便、可操作性强和时间短等优点。本研究中，随着老化时间的延长，玉米及小麦种子的活力都呈现下降趋势，电导率呈现上升趋势。

本研究中，4个经过人工老化的玉米品种与45个玉米品种的测定结果较为稳定，4、8、12、16、20及24 h的种子浸出液电导率值均与其活力指标呈显著负相关关系。而在小麦中，2个经过人工老化的小麦品种试验结果与玉米相同，但在50个小麦品种的验证过程中发现4 h的种子浸出液电导率值与活力指标不存在显著相关关系，8 h的种子浸出液电导率值仅与SVI呈显著相关。同样为禾本科作物，玉米在单个品种及群体之间的稳定性要高于小麦，分析可能是受到种子半透层的影响，玉米和小麦的半透层都位于种皮部位，半透层可能对种子电解质渗出有一定限制作用，不同物种的半透性存在差异，从而可能导致玉米与小麦电导率检测结果产生差异[22]。Maria等[9]研究发现电导率值与发芽率相关的4个本地物种(蓝花矢车菊、夏枯草、缬草和黑矢车菊)都没有胚乳且胚部相对较大，其中蓝花矢车菊具有最大面积的胚部,且其电导率值与发芽率的相关性非常强，R2=-0.906。由此得出，可能具有相对较大胚部的种子，才适宜通过种子物质渗漏检测到其受损的程度及是否死亡。小麦的种胚相对玉米来说非常小，可能也是造成稳定性差的原因之一。

作物种质资源是农业科技原始创新、现代种业持续发展的物质基础，是保障国家粮食安全、生态安全和能源安全的战略性资源[23]。针对数量有限的重要种质资源，需要寻找快速无损的检测方法以监测种质资源的损失程度。本研究中，经过浸泡24 h的玉米种子，回干后活力显著下降，发芽势、发芽率和简易活力指数均下降一半以上，不能再用于后续的生产或贮藏。而经过浸泡4 h的玉米种子，回干后活力基本不受影响，因此可以在一定程度上保证检测的无损性，使得检测后的种子能够继续利用和贮藏。