农作物种子种植风险因素与提高种子质量的对策探究

刘晋，王学林，李皓，李筠，莫洁华，管敏，蒋晓旋

（深圳市农业科技促进中心，深圳 518055）

农作物种子被称作农业“芯片”，是农业生产最基本、最主要的生产资料，是我国战略性、基础性核心产业，其定义很广泛，不仅包括播种谷物，还包括插条、块茎和农民所需的其他农业种植材料。近年来，我国种子质量水平有了显著提高，种子企业也加大了品种创新力度，特别是隆平高科、登海种业等“育繁推一体化”种子企业，积极性高、投入力度大，选育了一大批优良品种。据统计，2011—2018 年国家和省两级共审定通过水稻、小麦、玉米、棉花、大豆5 种作物，14 024 个品种，并涌现出一批如济麦22、京科968、隆平206、登海605等突破性品种，满足了农业生产用种需求[1-3]，降低了农作物种子种植风险，提高了种子质量，对保障粮食安全具有重要意义。

多年来，一直作为研究热点被广泛研究，有学者研究表明，作物的进化适合度、籽粒产量与种子大小有着紧密的联系，种子大小是由母体组织和合子组织的综合信号决定的，其控制着胚胎、胚乳和种皮的协调生长，研究确定了几种通过母体组织控制种子大小的信号通路，包括或涉及泛素-蛋白酶体途径、G 蛋白信号、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号、植物激素感知和内稳态以及一些转录调控因子，此外合子组织的生长部分受到IKU 通路和植物激素的调控。该研究有助于将模式生物的发现应用到作物种子大小的改良中，从而在水稻和其他作物中细化种子大小，以达到提高种子质量的目的。农作物种子在种植过程中出现的风险和种子质量、自然环境、生产技术、种植技术和田间管理等多个方面有联系，种子在种植时，存在的风险因素比较多[4]。文章综述了农作物种子种植风险的一些因素，以及目前提高种子质量的一些对策。

1 农作物种子种植风险因素

1.1 气候变化的影响

自前工业时代以来，全球气温上升了0.8～1.5 ℃，如果保持这一变化率，将在短期内导致极端高温和降水减少，导致长期干旱。越来越多证据表明，气候变化的影响在高山地区比在低海拔地区发生得更快、更强烈，这些影响在未来几年会变得更加严重。而种子的发芽是植物生命周期的关键阶段，是一个复杂而敏感的过程，受外部条件的强烈影响，温度和土壤湿度是最关键的调节因素。大多数种子只有在特定的温度和水供应条件下才会发芽。面对气候变化，了解发芽的发生方式对于预测生态系统分布的变化及其在温暖条件下的功能至关重要。未来几十年对气候风险的敏感性可能会增加，降水更加不稳定、干旱期延长、生长季节缩短和种子发芽失败。具体来说，发芽率随着海拔升高而降低，部分归因于亲本植物在种子发育过程中所暴露的环境特征。森林面临着接近其环境耐受极限的生态条件，可能会对树木造成压力以减少生长与繁殖，导致种子活力低下和发芽率低。来自低海拔和中等海拔的种子可以在广泛的温度和可用水条件下很好地发芽，表明这些种群对水和热应激的敏感性较低。相比之下，较高海拔的种子（海拔3 850 m 和4 000 m）在非常特殊的条件下（15 ℃、-0.2 MPa）表现出最佳发芽率。母体效应也可以表现为高海拔种子发芽延迟，这与不利的母体环境有关。种子敏感性的差异可能表明来自不同海拔高度的种群对预计在未来盛行的较低降水和较高温度条件的敏感性。气候变化与土地利用变化之间的相互作用将导致物种丰富度和物种更替格局发生重大变化，加大物种灭绝风险。为了更好地进行生物多样性保护规划，需要对区域尺度和不同分类类群的未来生物多样性动态有更深入的了解。培养农民应对气候变化的能力对确保种子安全至关重要。

1.2 种子休眠

种子休眠是一种适应性性状，存在于许多被子植物和裸子植物中。在温带地区，夏季一年生植物和许多多年生植物的种子普遍存在生理休眠，经过一段时间的冷湿分层后，种子生理休眠被打破。冷湿层结期间的温度是缓解休眠的重要环境因子。一般来说，在冷层结过程中，种子休眠释放的有效温度为0～10 ℃取决于种子的种类，例如5 ℃分层28 d 后处于休眠状态的远苔草种子萌发率较高，而11 ℃、13 ℃、15 ℃分层时，种子萌发受到明显抑制甚至诱导二次休眠。除温度和冷层结持续时间外，土壤含水量是影响种子休眠释放的另一个关键环境因子。有研究报道，冷层结过程中种子休眠释放随土壤含水量的变化而变化。地黄和白桦种子的发芽率随种子含水量的增加而降低。相反，反枝苋、藜属藜和杂交花种子萌发随土壤含水量的增加先增加后降低。

全球变暖可能会影响种子休眠释放的动态，从而延迟或增强植物的种子再生。此外，不同物种对休眠释放所需的温度、时间和土壤含水量也不同，可能是不同物种对特定生境的适应策略。在广阔的地理范围内出现的物种可能会在其对休眠释放的特定要求中表现出当地适应性。因此，对寒冷分层的环境要求预计会在分布于一系列当地环境的物种种群中有所不同。研究发现，温度、土壤含水量和低温层积时间在调节种子休眠释放中起着关键作用，不同种群对种子休眠释放的温度和土壤含水量要求也不同。低海拔种群的种子休眠释放对分层温度升高和土壤含水量降低可能比高海拔种群更敏感。上述结果表明，温度和土壤水分变化会导致种子休眠延长，影响幼苗的出苗和成苗。

1.3 种子病虫害

病虫害是影响种子种植的重要因素，在干旱、洪涝等影响下，很容易发生病虫害问题[5]。尤其在种子储存过程中，幼虫通过啃食籽粒的外壳并渗透到内部取食胚乳。目前，防治病虫害主要采用粮堆强制降温和杀虫剂消毒种子等技术。这两种技术由于专用设备的购置和维护耗费巨大的材料和能源成本，在粮食生产中应用并不广泛。

此外，杀虫剂消毒技术使用了污染环境的物质，对环境有害。许多科学家正在研究防治病虫害的生态、安全方法。为了确保体内新陈代谢过程，害虫需要从环境中消耗比谷物种子更多氧气。另一种保护种子免受病虫害侵袭的方法是通过限制环境中的氧气消耗，限制害虫新陈代谢。

2 提高种子质量的相关对策

2.1 密封储藏技术保持种子质量

减少玉米采后贮藏损失是墨西哥数百万小农户面临的挑战。墨西哥小农耕作制度中，密封储藏技术保证了玉米种子质量，并尽量减少了粮食质量损失。有学者在相同的地点证明，使用非密封技术储存谷物在低地条件下造成了高比例的数量损失，而在高地情况下损失不太明显。农民传统的非密封贮藏技术，包括带或不带调节剂的聚丙烯袋，导致种子在贮藏6 个月后，尤其是低于500 masl时，降低了多达95%的种子发芽率，而且由于浮选指数和脂肪酸度等参数，导致粮食质量下降。种子在存贮过程中出现种子发热、变霉，以及含水量超过相关标准的问题，都会使种子发芽率受到影响，导致其发芽率有所下降[6]。相比之下，密封技术包括塑料瓶等回收容器，无论储存条件如何，都能保持种子质量，最大限度地减少粮食质量损失。这项研究进一步证明了密封储存技术在最大限度减少墨西哥小农农业系统的数量和质量损失方面的有效性。

更多的研究可能集中在如何在农村地区推广这些技术，同时确定收获后干预成功的关键方面。有学者记载了用类似的非密封技术储存谷物和防止种子质量损失，其中玉米粒被真菌和昆虫侵染。在贮藏过程中，尽管未受侵害的籽粒大部分常量营养元素含量保持稳定，但水分含量和氧有效度可能会导致籽粒和籽粒品质下降的生化反应。由于较高的温度和相对湿度，无论环境、地理条件如何，密封储存限制了这种反应，并通过切断气体交换和保持原始谷物水分含量，最大限度地减少储存期间谷物和种子质量的损失，可增加粮食数量，保证小农户的粮食安全，并避免因质量损失和真菌毒素接触增加而造成营养损失。

2.2 物理因素改良种子品质

2.2.1 激光对农作物种子的改良

种子刺激的有益效果主要与植物生命的第一阶段有关，即发芽、幼苗的出现和生长。在许多情况下，这些特征的增强也是植物产量增加的结果，增产率甚至高达几十个百分点。研究结果鼓励将这些提高种子质量的物理方法应用到农业和园艺实践中。迄今为止的研究表明，播种前激光处理对种子萌发、植物生长以及农作物产量的数量和质量有良好的刺激作用。激光辐射的影响取决于许多不同的参数，如波长、曝光时间、功率、剂量和照射方法。种子本身的特征也很重要，辐照时长取决于遗传特征和生理特性。

在绝大多数情况下，用激光刺激种子的实验是用氦氖激光器进行的，最常见的是使用低功率激光和相对较长的辐照时间，或使用更大功率和较短辐照时间的激光，测量单位是毫秒，有时也包括皮秒（10～12 s）。激光可以分为连续模式和脉冲模式，取决于输出的功率是否在一段时间内基本上是连续的，或者输出是否在一个或另一个时间尺度上以光脉冲的形式存在。除了确定剂量或辐射外，辐射的次数也很重要。一般认为种子应多次辐照，辐照剂量小，以消除突变的可能性。因此，在大多数研究中，采用3～5 次辐照处理，照射时间为几秒。从农业物理的角度来看，激光刺激利用了种子吸收和储存光能的能力，将其转化为储存在化合物中的能量，并随后在种子萌发和植物生长中使用。虽然激光刺激的机制尚未完全成熟，但激光刺激植物的生物能量潜力增加，导致光敏色素、植物激素和发酵系统的更高活化。

2.2.2 磁场对农作物种子的改良

多位学者研究表明，适宜参数的磁场处理对作物种子的萌发、出苗、生长和产量都有积极的影响。生物刺激的影响通常取决于以下因素：磁感应、交变磁场的频率、种子暴露时间和极性。静态磁场和交变磁场都可用来刺激种子，但磁场效应对种子的有效性还取决于品种。有学者用20 mT 低频磁场分别对洋葱种子进行10 min、20 min 和30 min 诱导，使得该种子的萌发率较之对照组增加，暴露时间越长，种子萌发能量越高。还有学者用125 mT 和250 mT 的静电磁场处理番茄种子，处理时间为1 min～24 h，可缩短1%～90%的种子萌发时间，处理的种子发芽率高于未处理的种子。与对照相比，平均发芽时间显著缩短。磁场对种子萌发的刺激作用机理尚不清楚，但已有多种理论提出，一些人将这种影响归因于生化变化或酶活性的改变。有结果表明，小麦种子膨大过程中酯酶的释放阶段受到低频磁场的冲击，大大加快了酶从结合态的释放，也加快了种子从休眠态的释放，之后电场效应明显减弱。有学者提出了磁场与胚胎细胞膜中的离子电流相互作用的假说。磁场会引起离子浓度和渗透压的变化，从而调节水分进入种子。经过磁处理的种子比未经处理的种子会吸收更多的水，吸收速度更快。这一结果可以解释磁场对种子发芽率和发芽势的影响，进而对植物生长和作物产量起促进作用。

2.2.3 磁化水对农作物种子的改良

磁化水灌溉既可以促进植物的生长，改善种子的萌发、幼苗的早期营养生长，还可以改变种子和果实的矿物质含量。磁化水（MW）通常是通过在永磁体或电磁铁的极靴之间传递水来获得。磁化水处理的效果取决于磁感应和水处理的暴露期、水的质量和体积、流速和水温。外加磁场会导致被处理水的原子、分子和电子结构发生变化。磁化水会增加细胞膜对钙离子的渗透性，抑制病原微生物的生长。磁化水处理也会导致电导率的增加和表面张力的降低。在这项研究中，脉冲100 kHz 电磁场作用30 s 刺激酵母培养物的生长，结果使渗透性略有增加，并允许少量外部钙进入，从而激活钙信号级联，促进生长。

在埃及进行的一项研究表明，对种子和用于灌溉的水的磁刺激可用于限制植物生长期间水分亏缺的副作用。在水分亏缺40%和60%的条件下，经过磁场处理和磁化水处理的番茄种子生长的植株比未处理的种子生长的植株表现更好。植物的高度、根长、叶面积和叶数、鲜干质量、光合色素含量等参数表明其条件较好。研究结果表明，磁处理水具有提高幼苗早期生长养分含量的潜力。

3 总结与讨论

通过分析气候变化影响、种子休眠、种子病虫害方面等农作物种子种植风险因素，探讨储藏技术、物理因素处理种子对提高种子质量的影响。除了上述讨论之外，要减少种植风险，提高种子质量。种子在生产时，还需使自身纯度得到保证。在栽培时，运用合理科学的种子栽培方法以及保证农药和化肥的合理使用。科学的农作物种子生产技术是保障种子质量的关键前提。但从目前我国种子生产技术看，所采用的种子生产亲本纯度普遍较低，收获的后代种子也难以有效保障其应有的高纯度，因此降低种植风险，提高种子质量有着巨大的研究空间。