在農業(yè)領(lǐng)域，種子質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到農作物的產(chǎn)量、品質(zhì)和經(jīng)濟效益。因此，對種子進(jìn)行精確篩選和活力鑒別顯得尤為重要。傳統的種子篩選方法往往基于外觀(guān)特征或發(fā)芽率試驗，但這些方法存在諸多不足。外觀(guān)特征可能無(wú)法準確反映種子的內在活力，而發(fā)芽率試驗則需要較長(cháng)時(shí)間才能得出結果，且試驗過(guò)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(wú)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(xué)種子科學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院的科研團隊在種子活力鑒別領(lǐng)域取得了重大突破，通過(guò)采用氧氣消耗技術(shù)和頂空氣相色譜-離子遷移譜技術(shù)，成功實(shí)現了對單個(gè)種子活力的精準鑒別。該科研團隊的氧氣消耗技術(shù)通過(guò)測量種子在特定時(shí)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(zhù)差異。該技術(shù)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Q_t這一新變量，用于縮短氧氣消耗量的測量過(guò)程，并證實(shí)其與單個(gè)種子活力密切相關(guān)。

本研究選取了甜玉米、辣椒和小麥等多種作物種子作為實(shí)驗材料，通過(guò)大量實(shí)驗驗證了氧氣消耗技術(shù)在種子活力鑒別方面的可行性和有效性。實(shí)驗數據表明，該方法具有較高的準確性和穩定性，能夠實(shí)現對單粒種子活力的快速、無(wú)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(shù)測量單粒種子呼吸作用。每種作物的種子都來(lái)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(shí)間為120h，間隔0.33h(20min)獲取一次數據。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）記錄氧含量數據（相對值，初始值的百分比）。然后以Excel文件的形式輸出數據集，根據測量結束時(shí)種子是否發(fā)芽，評估種子活力并將其分類(lèi)為生命或死亡。ASTEC值由軟件自動(dòng)生成，氧氣隨時(shí)間的消耗計算如下：

Q_t=Y_0.33–Y_t

式中，Y_t為t時(shí)記錄的氧濃度，Y_0.33在程序中獲得的第一個(gè)數據點(diǎn)；Q_t為測量時(shí)間達到t時(shí)的氧氣濃度，因此Q_t的值大多為正數；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(chǎn)生的數據，連同相應的呼吸數據，隨機分為校準集(75%)和測試集(25%)。校準集用于在變量展開(kāi)方面進(jìn)行進(jìn)一步分析，測試集用于驗證結果。對單個(gè)種子活力預測的準確性進(jìn)行了計算，并在這里以百分比的形式呈現，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(xiàn)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(dòng)時(shí)間（IMT）、臨界氧氣壓強（COP）、理論萌發(fā)時(shí)間（RGT）值越低。反之，死種子耗氧曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的變化。且隨著(zhù)測定時(shí)間的延長(cháng)，兩者之間的差異逐漸增大。本研究還引入了Q_t這一新變量，用于縮短Q2（氧氣傳感器）測定過(guò)程中的測量時(shí)間，且Q_t與單粒種子的活力密切相關(guān)。這一結果為氧氣消耗技術(shù)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(gè)種子的耗氧量曲線(xiàn)。典型的曲線(xiàn)是快速發(fā)芽的種子（左曲線(xiàn)）和緩慢發(fā)芽的種子（右曲線(xiàn)）。種子通常表現為兩階段或S型模式，但有些種子有線(xiàn)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(gè)ASTEC值(1-4列)和最終耗氧量(Q120)(5列)值的Violin圖。IMT：代謝時(shí)間增加；OMR：氧代謝率；COP：臨界氧壓；RGT：相對發(fā)芽時(shí)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(wú)法在圖表中顯示。

圖3 Q2(氧傳感器)參數與種子活力(A、B和C)的Pearson相關(guān)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(diǎn)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(shí)間增加；OMR：氧代謝率；COP：臨界氧壓；RGT：相對發(fā)芽時(shí)間。

圖4 辣椒、甜玉米和小麥種子h時(shí)刻耗氧量Q與活力spearman相關(guān)系數散點(diǎn)圖。所有相關(guān)系數在0.01水平上均顯著(zhù)。

圖5 在使用辣椒(D)、甜玉米(E)和小麥(F)的12小時(shí)耗氧量(Q12)、甜玉米(Q6)和小麥(F)的12小時(shí)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(diǎn)圖，以及預測結果矩陣。

本研究的基于氧氣消耗技術(shù)的種子活力鑒別方法，成功實(shí)現了對單粒種子活力的快速、無(wú)損鑒別，具有操作簡(jiǎn)便、快速準確、無(wú)損檢測等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應用于農業(yè)生產(chǎn)中的種子篩選和質(zhì)量監控。未來(lái)，隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，該方法有望在提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)方面發(fā)揮更大作用。

此外，本研究還可為其他領(lǐng)域提供有益的借鑒。例如，在環(huán)境保護和生態(tài)修復領(lǐng)域，可利用類(lèi)似方法對植物種子的活力進(jìn)行快速鑒別，為生態(tài)修復工程提供優(yōu)質(zhì)的種子資源。在植物育種領(lǐng)域，該方法可用于篩選具有優(yōu)良性狀的種子，加速育種進(jìn)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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