基于超弱發光技術的稻谷和小麥種子發芽率檢測

王春芳 詹 耀 胡菲菲 于 勇 朱松明

(浙江大學生工系統工程與食品科學學院，杭州 310058)

超微弱發光(Ultraweak luminescence)，簡稱超弱發光，是一種低水平的生物發光，前蘇聯科學家G.Gurwitsh在1923年進行著名的“洋蔥試驗”中首次發現了超弱發光現象。然而，由于儀器條件的限制，直到1954年意大利人Colli等利用裝有光電倍增管的儀器才首次科學地證明了超弱發光現象［1］。此后的50多年里，各國研究人員對于超弱發光的機理及應用開展了大量研究工作。至今，雖然其發光機理尚未揭示清楚，但研究已證明，超弱發光反映了生物體細胞內和細胞間的新陳代謝、功能調解和信息交換，是生物體生長代謝的動態指標［1－2］。

在所獲得的成果中，植物的超微弱發光值與其生活力有密切正相關關系的發現是最基礎研究成果之一，也是超弱發光檢測技術用于現代農事管理的最重要應用基礎之一［3］。研究表明，經過電磁輻射處理的大豆的生活力比未處理的種子大大增強，而同時其超微弱發光值也顯著增加;而當采用代謝抑制劑處理綠豆種子后，種子活性大大降低，其超微弱發光值也同時降低［4］。在對小麥、豌豆、玉米、蔬菜等的研究中也得到了類似的研究結果［5－8］。

然而，目前針對農產品超弱發光的研究還存在一些不足，主要體現在兩個方面:一是較少建立有效的通過農產品超弱發光值預測其生活力的模型;二是未對可能引起農產品的超弱發光值變化的其他因素進行剔除，如大分子成分變化，進而獲得超弱發光值與其生活力相關的直接證據。這兩方面的不足在目前的稻谷和小麥的相關研究中表現得尤為突出。

本研究以稻谷和小麥為研究對象，通過對貯藏0(未貯藏，收獲后直接檢測)～24個月的稻谷和小麥種子顆粒及去種胚后的胚乳粉的超弱發光分析，建立兩種超弱發光值與其發芽率的關系，探索稻谷和小麥超弱發光值與其生活力相關的直接證據，并建立有效的通過超弱發光值預測其生活力的數學模型。為稻谷和小麥生活力指標(發芽率)的快速判定技術及裝備的研究提供了基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

稻谷:浙江大學實驗農場收獲的晚粳稻(浙農稻1號)(2009年11月收獲)，收獲后采用50℃低溫干燥值貯藏安全含水率［(12.5 ±0.1)%，干基］，并在人工氣候室［溫度(25±1)℃，濕度(50±5)%，機械通風］中貯藏待測。

小麥:采用浙江大學實驗農場收獲的小麥(浙農麥3號)(2009年7月收獲)，收獲后采用50℃低溫干燥值貯藏安全含水率［(12.5 ±0.1)%，干基］，并在人工氣候室［溫度(25±1)℃，濕度(50±5)%，機械通風］中貯藏待測。

1.2 主要儀器

BPCL－2微弱發光測量儀:中科院物理所;B6－15人工氣候室:北京易盛泰和科技有限公司;YS－04小型高速粉碎機:北京燕山正德機械設備有限公司;DGX－9 003鼓風干燥箱:上海?，攲嶒炘O備有限公司;SW－CJ－1F潔凈工作臺:蘇州安泰空氣技術有限公司;PRX－600C－CO2人工氣候箱:寧波海曙賽福實驗儀器廠。

1.3 試驗方法

1.3.1 超弱發光檢測

采用超微弱發光測量儀檢測稻谷和小麥樣品的超弱發光(包括種子顆粒樣品和胚乳粉樣品)，通過預試驗選定超微弱發光測量儀的檢測條件為:樣品檢測量，10 g;檢測溫度，(30±1)℃。此外，預試驗表明，稻谷和小麥無論是種子顆粒樣品還是胚乳粉樣品，放入超微弱發光測量儀開始檢測的一段時間內，由于受到外源光照并延遲發光的作用，其超弱發光值從初始值逐漸波動下降，并在5 min后都可達到穩定發光(樣品自身的生物發光)，且這一初始值受到檢測前外界光照度的影響，而穩定發光階段的超弱發光值卻不受檢測前外界光照的影響。因此，試驗中設定每樣品檢測10 min，并取后5 min的數據計算樣品的超弱發光值(n/s，每秒檢測到的光子數)。每樣品檢測時，先檢測樣品與容器的總超弱發光值N1，再將樣品取出并檢測空容器的超弱發光值N2，樣品的實際超弱發光值N由式(1)計算得到。每樣品設重復7次。

1.3.2 種子發芽率測定

從儲藏0～24個月的稻谷和小麥種子顆粒樣品中，隨機挑選100粒種子均勻放置在3張濾紙(預先在直徑為15 cm的培養皿中用蒸餾水浸泡2 h)上，按照GB/T 3543.4—1995檢測稻谷和小麥種子的發芽率。發芽試驗采用人工氣候箱，于恒溫(稻谷30℃，小麥25℃)放置14 d，光照時間均設置為12 h光照，12 h黑暗處理，并于第14天檢測其發芽率。每個試驗設重復3次。

1.3.3 胚乳粉制備

將儲藏0～24個月的稻谷和小麥種子顆粒采用人工去胚，并將去胚后的部分用小型高速粉碎機粉碎至過100目篩，制成胚乳粉樣品，與種子顆粒樣品采用相同的檢測方法檢測其超弱發光，每樣品設重復7次。每樣品自粉碎后開始計時，統一在粉碎后10 min進行超弱發光值的測定，以避免粉碎后放置時間長短對超弱發光值的影響。

2 結果與討論

2.1 貯藏時間對稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值與發芽率的影響

0～24個月的貯藏對稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值與發芽率的影響如圖1和圖2所示。從圖1和圖2中不難看出，隨著貯藏時間的延長，稻谷和小麥種子的發芽率均逐漸下降。稻谷種子在兩年的貯藏時間內，其平均發芽率從96%下降到52%。小麥種子在兩年的貯藏時間內，其平均發芽率從93%下降到55%。這是種子貯藏過程中的呼吸作用使稻谷和小麥種子陳化導致的。呼吸作用是種子內活組織在酶和氧的參與下將本身的貯藏物質進行一系列的氧化還原反應，最后放出二氧化碳和水，同時釋放能量的過程，是活組織特有的生命活動［9－11］，有研究將這一生命活動機理性解釋為胚組織的酸敗變質［12］。

同時，隨著貯藏時間的延長，稻谷和小麥種子顆粒的超弱發光值也逐漸下降。由于超弱發光反映了生物體細胞內和細胞間的新陳代謝、功能調解和信息交換，是生物體生長代謝的動態指標，因此，稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值的這一變化很可能是其生活力(發芽率)下降導致的。從圖1和圖2中，也能明顯看出稻谷和小麥種子顆粒的超弱發光值與發芽率在貯藏期間同時下降，且下降幅度(下降的斜率)也類似，均為50%左右。這與前人的研究結果類似［4－8］。

2.2 貯藏時間對稻谷和小麥胚乳粉超弱發光值的影響

現有研究表明，伴隨稻谷和小麥種子的貯藏，由呼吸作用導致的胚組織的酸敗變質也會伴隨著一定程度的胚乳組織(主要是淀粉)的變性［13－14］，而一些大分子物質(尤其是多糖，如淀粉)的結構改變，也會伴隨著其超弱發光的變化，如淀粉自由基的弛豫發光［15］。因此要判定貯藏期內稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值與發芽率(生活力)確實存在相關性，必須首先排除胚乳組織在貯藏期內的變化對稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值的影響。

為此，本研究對0～24個月儲藏期內稻谷和小麥種子去胚后的胚乳粉進行了超弱發光值檢測，檢測結果如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可以看出，隨著貯藏時間的延長，稻谷和小麥種子的胚乳粉的超弱發光值從平均值角度來講，略有下降的趨勢，但統計學上并不存在顯著的差異。由此可以判定，貯藏期內稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值與發芽率(生活力)確實存在密切的相關性，且不受種胚以外的組織成分變化的影響。

2.3 稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值與發芽率的關系

取圖1和圖2中的試驗結果，建立稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值與發芽率的關系圖形，并進行建模，結果如圖5和圖6所示，稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值與發芽率的關系存在明顯的差異。小麥種子顆粒的超弱發光值與發芽率呈良好的線性相關性［式(4)，R=0.998］，而稻谷種子顆粒的超弱發光值與發芽率經線性擬合［式(3)，R=0.976］和非線性擬合［式(2)，R=0.993］發現，更符合非線性關系。式(2)和式(4)的R值都很高，這兩個模型可很好地通過稻谷和小麥的超弱發光值來預測其貯藏期間的發芽率，且超弱發光檢測可在10 min內完成，這為稻谷和小麥生活力指標(發芽率)的快速判定技術及裝備的研究提供了基礎數據。

通過對圖5和圖6的進一步分析可以發現，若都采用線性擬合，由式(3)和式(4)可知，稻谷的擬合直線斜率大于小麥。并且，若聯立式(2)和式(3)，可以解得兩個模型的交點在發芽率為62%(接近貯藏18個月的發芽率)和93%(接近收獲時的發芽率)左右處。這說明，稻谷在62%～93%的發芽率范圍內，在給定的發芽率下，由式(2)得到的超弱發光值較由式(3)得到的超弱發光值更低，而稻谷種子顆粒的超弱發光值與發芽率更符合式(2)這種非線性關系，這說明稻谷在收獲后18個月的貯藏過程中，其發芽率降低所伴隨的胚組織的酸敗變質程度(與超弱發光值負相關)很可能要強于小麥，即稻谷在試驗條件下的陳化速度快于小麥。

根據周惠明［14］的報道，當稻谷和小麥含水率相同時，在較高的溫度(20～40℃)貯藏時，稻谷陳化速度快于小麥;在較低的溫度(低于20℃)貯藏時，稻谷陳化速度慢于小麥。而本研究采用人工氣候室貯藏稻谷和小麥所設定的溫度為25℃，本試驗結果與之相互印證。

3 結論

3.1 通過對貯藏0～24個月的稻谷和小麥種子顆粒及去種胚后的胚乳淀粉的超弱發光分析，證明了貯藏期內稻谷和小麥種子顆粒超弱發光值與發芽率(生活力)確實存在密切的相關性，且不受種胚以外的組織成分變化的影響。

3.2 小麥種子顆粒的超弱發光值與發芽率呈良好的線性相關性，而稻谷種子顆粒的超弱發光值與發芽率更符合非線性關系，所建立的模型可以很好地通過稻谷和小麥的超弱發光值來預測其貯藏期間的發芽率。

3.3 在本試驗的條件下，在18個月左右的貯藏期間內，稻谷的陳化速度要快于小麥。

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