電導(dǎo)率法早期檢測玉米和小麥種子活力

向瑩瑩 李浩卓 張婷婷 王建華 孫 群

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/種子科學(xué)與技術(shù)研究中心，北京 100193；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 農(nóng)作物種子全程技術(shù)研究北京創(chuàng)新中心，北京 100193)

種子活力作為種子質(zhì)量的重要指標(biāo)，其高低直接關(guān)系到田間出苗情況，并影響植株的后期生長及最終的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。種子活力測定的根本目的是準(zhǔn)確地鑒定具有商業(yè)價(jià)值的種子批生理潛力的重要差異，有效預(yù)測種子的田間出苗或耐貯藏情況。國際上常用的種子活力測定方法有幼苗生長特性測定、逆境抗性測定和生化測定3大類，均列入國際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)(ISTA)和美國官方種子分析家協(xié)會(huì)(AOSA)的活力測定手冊中[2]。電導(dǎo)率測定屬于生化測定，是1種常用的種子活力測定方法。Fick等[2-5]發(fā)現(xiàn)梯牧草(timothy)種子的發(fā)芽率與種子吸脹過程中內(nèi)含物的釋放量存在密切關(guān)系，并率先提出了種子電導(dǎo)率測定的原理，即種子吸脹初期，細(xì)胞膜重建和損傷修復(fù)能力影響電解質(zhì)(如氨基酸、有機(jī)酸和糖)滲出程度，膜完整性修復(fù)速度越快，滲出物越少。高活力種子能夠更加快速地重建膜，且最大限度對損傷進(jìn)行修復(fù)，而低活力種子重建及修復(fù)能力相對較差。種子吸水過程中滲透量的增加與細(xì)胞膜系統(tǒng)的破壞和滲透性失去控制直接相關(guān)[5]。因此，一般低活力種子浸出液的電導(dǎo)率高，高活力種子浸出液的電導(dǎo)率低[6-7]。

基于該原理利用電導(dǎo)率法測定種子活力的研究報(bào)道較多，主要集中在大豆、蔬菜和林木等種子，如： Dias等[8]研究發(fā)現(xiàn)8和12 h的浸泡可以用于檢測大部分大豆種子活力的差異，16、20和24 h的浸泡則可以用于檢測種子活力差異小的種子批。Maria等[9]研究發(fā)現(xiàn)7個(gè)本地物種(黑矢車菊、藍(lán)花矢車菊、田野孀草、虞美人、夏枯草、白玉草和纈草)中有4個(gè)物種(藍(lán)花矢車菊、夏枯草、纈草和黑矢車菊)的電導(dǎo)率值能作為最終發(fā)芽的指標(biāo)，可預(yù)測其種子的萌發(fā)。Mavi等[10]研究發(fā)現(xiàn)9個(gè)不同品種蘿卜種子的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率與電導(dǎo)率值顯著正相關(guān)，R2=0.865。Mirdad等[11]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)人工老化的甘藍(lán)和菜花種子的電導(dǎo)率能有效預(yù)測其總發(fā)芽數(shù)和正常發(fā)芽率。

玉米(ZeamaysL.)和小麥(TriticumaestivumL.)都是世界上重要的糧食作物[12-14]。Vitoria等[15]以未處理及加速老化的玉米種子為材料，研究發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率與種子發(fā)芽率有關(guān)，苗長較高、干重較高和胚根較重的種子批電導(dǎo)率較低。Viloria等[16]研究發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室、溫室或田間條件下，14～20 h是建立pH和電導(dǎo)率與活力數(shù)據(jù)之間相關(guān)性評估的理想時(shí)間。Ocvirk等[17]研究發(fā)現(xiàn)玉米雜交種電導(dǎo)率與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)中大多數(shù)玉米種子的幼苗活力參數(shù)如發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長和胚芽長度呈極顯著負(fù)相關(guān)。Tajbakhsh等[18]研究發(fā)現(xiàn)，小麥種子經(jīng)加速老化后，其溶質(zhì)滲漏量隨著加速老化不斷增加，且在活力下降的范圍內(nèi)呈線性增加。李靈芝等[19]研究證明浸泡2 h后，小麥種子的浸出液電導(dǎo)率與發(fā)芽率和簡易活力指數(shù)(SVI)呈正相關(guān)，但品種間的電導(dǎo)率差異大，利用2 h的電導(dǎo)率反映小麥種子活力高低的靈敏度較差。朱銀等[20]以人工加速老化的3個(gè)小麥品種種子為材料，發(fā)現(xiàn)發(fā)芽率有較大差異的小麥種子浸泡24 h后的電導(dǎo)率與發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均呈顯著負(fù)相關(guān)。利用電導(dǎo)率法評價(jià)玉米、小麥種子活力的相關(guān)研究多采用人工加速老化的種子進(jìn)行，品種間的相關(guān)研究尚未見報(bào)道。

本研究首先以4個(gè)玉米品種和2個(gè)小麥品種人工老化的種子為材料，篩選與種子活力相關(guān)性顯著的電導(dǎo)率早期測定時(shí)間并分析相關(guān)性，然后用45個(gè)玉米品種和50個(gè)小麥品種種子進(jìn)行驗(yàn)證，旨在為種子活力快速評價(jià)篩選穩(wěn)定有效的電導(dǎo)率早期測定時(shí)間，以期為玉米和小麥等作物種子活力評價(jià)及研究提供理論依據(jù)和應(yīng)用參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

人工加速老化試驗(yàn)所用材料：玉米品種為2017年收自甘肅省張掖市的‘鄭單958’、‘農(nóng)大86’、‘農(nóng)大87’、‘農(nóng)大364’。小麥品種為2018年收自山東省的‘濟(jì)麥22’、河南省的‘周麥18’。

驗(yàn)證試驗(yàn)所用材料：玉米為2016和2017年收自甘肅省張掖市的45個(gè)品種。小麥為低溫儲存10年的50個(gè)品種。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1人工加速老化試驗(yàn)

將種子裝入尼龍網(wǎng)袋中，每袋500粒，共16袋貼好標(biāo)簽，置于45 ℃(玉米)/ 41 ℃(小麥)鼓風(fēng)干燥箱中(相對濕度RH= 98%)。分別老化0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15 d，老化結(jié)束后取出種子，室溫下回干至原始重量。

1.2.2電導(dǎo)率測定

每個(gè)處理取50粒大小均勻一致且無破損的種子，重復(fù)3次，準(zhǔn)確稱重(W)。蒸餾水沖洗3次，用定性濾紙將表面水分吸干，分別裝入錐形瓶中，貼上標(biāo)簽，加入250 mL蒸餾水，測定初始電導(dǎo)率(d1)。20 ℃條件下，種子浸泡24 h后測定浸出液電導(dǎo)率(d2)，浸泡過程中每4 h測1次電導(dǎo)率值。根據(jù)式(1)計(jì)算單位重量種子浸出液電導(dǎo)率：

種子浸出液電導(dǎo)率=(d2-d1)/W

(1)

1.2.3標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)

參照GB/T 3543.4—1995《農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程發(fā)芽試驗(yàn)》[21]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)。在發(fā)芽第4天記錄玉米和小麥發(fā)芽勢，第7天記錄玉米發(fā)芽率，第8天記錄小麥發(fā)芽率并稱量幼苗鮮重(保留4位小數(shù))，計(jì)算簡易活力指數(shù)(SVI)。發(fā)芽率公式(2)、(3)如下：

玉米發(fā)芽率=(第7天正常發(fā)芽種子數(shù)/ 供試種子數(shù))×100%

(2)

小麥發(fā)芽率=(第8天正常發(fā)芽種子數(shù)/ 供試種子數(shù))×100%

(3)

簡易活力指數(shù)(SVI)公式(4)如下：

簡易活力指數(shù)(SVI)=發(fā)芽率×單株鮮重

(4)

1.2.4電導(dǎo)率快速檢測時(shí)間的驗(yàn)證

對45個(gè)玉米品種及50個(gè)小麥品種種子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)，并測定每個(gè)品種種子浸種4、8和24 h的電導(dǎo)率值。將電導(dǎo)率的測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，以驗(yàn)證電導(dǎo)率檢測指標(biāo)在品種間的適用性。

1.2.5玉米/小麥種子浸泡不同時(shí)間回干后的活力檢測

取未老化的4個(gè)玉米品種和2個(gè)小麥品種各 1 200 粒(大小均勻一致且無破損)，每個(gè)重復(fù)100粒，準(zhǔn)確稱重。蒸餾水沖洗3次，用定性濾紙將表面水分吸干，分別裝入250 mL錐形瓶中，貼上標(biāo)簽，加入250 mL蒸餾水。分別浸泡0、4、8及24 h(每個(gè)處理3個(gè)重復(fù))后取出，回干至原始重量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用WPS 2019及IBM SPSS Statastics 20進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工老化處理玉米/小麥種子的活力

由圖1可見，隨著老化時(shí)間的延長，玉米及小麥種子活力呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，老化15 d后發(fā)芽率均接近0。

圖1 人工老化處理后的玉米(a)和小麥(b)種子活力變化
Fig.1 Maize seeds (a) and wheat seeds (b) vigor change after artificial aging treatment

2.2 老化處理不同時(shí)間玉米/小麥種子的電導(dǎo)率變化

由圖2可見，隨著老化時(shí)間的延長，玉米及小麥種子24 h的電導(dǎo)率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。說明隨著種子活力的逐漸下降，電導(dǎo)率逐漸上升，即低活力種子電導(dǎo)率高，高活力種子的電導(dǎo)率低。

2.3 不同浸泡時(shí)間電導(dǎo)率值與玉米/小麥種子活力的相關(guān)性

由表1可知，4個(gè)玉米品種與2個(gè)小麥品種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和SVI與每間隔4 h的單位重量種子浸出液電導(dǎo)率均成顯著負(fù)相關(guān)。因此，這4個(gè)玉米品種和2個(gè)小麥品種電導(dǎo)率的檢測時(shí)間可以提前至4 h。

圖2 人工老化處理不同時(shí)間的玉米(a)和小麥(b)種子浸出液電導(dǎo)率變化
Fig.2 Changes of conductivity of mazie seeds (a) and wheat seeds (b) extract after artificial aging treatment with different time

表1 經(jīng)人工老化處理的玉米及小麥種子浸出液電導(dǎo)率值與種子活力指標(biāo)的相關(guān)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 品種Variety活力指標(biāo)Vigorindex浸泡時(shí)間/h Soak time4812162024發(fā)芽勢-0.881**-0.888**-0.883**-0.897**-0.920**-0.929**鄭單958發(fā)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**發(fā)芽勢-0.682**-0.726**-0.737**-0.756**-0.773**-0.793**農(nóng)大86發(fā)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**發(fā)芽勢-0.521*-0.662**-0.729**-0.743**-0.795**-0.819**農(nóng)大87發(fā)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**發(fā)芽勢-0.861**-0.898**-0.930**-0.946**-0.946**-0.938**農(nóng)大364發(fā)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**發(fā)芽勢-0.806**-0.838**-0.867**-0.875**-0.865**-0.864**濟(jì)麥22發(fā)芽率-0.845**-0.901**-0.941**-0.948**-0.939**-0.938**小麥SVI-0.841**-0.892**-0.928**-0.938**-0.925**-0.925**發(fā)芽勢-0.824**-0.936**-0.962**-0.964**-0.954**-0.973**周麥18發(fā)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(雙側(cè))上顯著相關(guān)；**在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。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 玉米和小麥種子浸泡不同時(shí)間回干后的活力變化

表2和表3所示，4個(gè)玉米品種和2個(gè)小麥品種浸泡4 h后，種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、SVI與未浸泡種子相比均無顯著差異。4個(gè)玉米品種浸泡24 h回干后，種子活力指標(biāo)相較未浸泡的種子都有顯著的下降，發(fā)芽勢及發(fā)芽率均從90%以上下降到70%以下，簡易活力指數(shù)也下降了一半以上。因此，常規(guī)方法中，種子浸泡24 h測定電導(dǎo)率后已受到不可逆的破壞，無法用于后續(xù)的生產(chǎn)或貯藏。而浸泡4 h后的玉米和小麥種子，回干后活力基本不受影響，可繼續(xù)利用和貯藏。

表2 浸泡回干后玉米種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率和簡易活力指數(shù)變化Table 2 Changes of germination potential, germination percentage and simple vitality index of maize seeds after soaking and drying

注： 同一列不同小寫字母表示不同處理在0.05水平上差異顯著。下同。

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

2.5 電導(dǎo)率早期種子檢測時(shí)間的確定

人工加速老化的4個(gè)玉米品種與2個(gè)小麥品種電導(dǎo)率的檢測時(shí)間可以提前至4 h，見表1。對此結(jié)果用45個(gè)玉米品種及50個(gè)小麥品種進(jìn)行驗(yàn)證。由表4可知，45個(gè)玉米品種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、SVI與4和8 h的浸出液電導(dǎo)率均成極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)與24 h浸出液電導(dǎo)率基本持平；50個(gè)小麥品種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、SVI與24 h的浸出液電導(dǎo)率均成極顯著負(fù)相關(guān)，但只有SVI與8 h浸出液電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)。因此，玉米種子電導(dǎo)率檢測時(shí)間可穩(wěn)定提前至4 h，小麥種子電導(dǎo)率早期檢測時(shí)間仍需進(jìn)一步研究。

表3 浸泡回干后小麥種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率和簡易活力指數(shù)變化Table 3 Changes of germination potential, germination percentage and simple vitality index of wheat seeds after soaking and drying

表4 45個(gè)玉米品種和50個(gè)小麥品種種子浸出液電導(dǎo)率值與種子活力指標(biāo)的相關(guān)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 討 論

電導(dǎo)率測定作為種子活力檢測的一種方法，具有簡便、可操作性強(qiáng)和時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。本研究中，隨著老化時(shí)間的延長，玉米及小麥種子的活力都呈現(xiàn)下降趨勢，電導(dǎo)率呈現(xiàn)上升趨勢。

本研究中，4個(gè)經(jīng)過人工老化的玉米品種與45個(gè)玉米品種的測定結(jié)果較為穩(wěn)定，4、8、12、16、20及24 h的種子浸出液電導(dǎo)率值均與其活力指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。而在小麥中，2個(gè)經(jīng)過人工老化的小麥品種試驗(yàn)結(jié)果與玉米相同，但在50個(gè)小麥品種的驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)4 h的種子浸出液電導(dǎo)率值與活力指標(biāo)不存在顯著相關(guān)關(guān)系，8 h的種子浸出液電導(dǎo)率值僅與SVI呈顯著相關(guān)。同樣為禾本科作物，玉米在單個(gè)品種及群體之間的穩(wěn)定性要高于小麥，分析可能是受到種子半透層的影響，玉米和小麥的半透層都位于種皮部位，半透層可能對種子電解質(zhì)滲出有一定限制作用，不同物種的半透性存在差異，從而可能導(dǎo)致玉米與小麥電導(dǎo)率檢測結(jié)果產(chǎn)生差異[22]。Maria等[9]研究發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率值與發(fā)芽率相關(guān)的4個(gè)本地物種(藍(lán)花矢車菊、夏枯草、纈草和黑矢車菊)都沒有胚乳且胚部相對較大，其中藍(lán)花矢車菊具有最大面積的胚部,且其電導(dǎo)率值與發(fā)芽率的相關(guān)性非常強(qiáng)，R2=-0.906。由此得出，可能具有相對較大胚部的種子，才適宜通過種子物質(zhì)滲漏檢測到其受損的程度及是否死亡。小麥的種胚相對玉米來說非常小，可能也是造成穩(wěn)定性差的原因之一。

作物種質(zhì)資源是農(nóng)業(yè)科技原始創(chuàng)新、現(xiàn)代種業(yè)持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是保障國家糧食安全、生態(tài)安全和能源安全的戰(zhàn)略性資源[23]。針對數(shù)量有限的重要種質(zhì)資源，需要尋找快速無損的檢測方法以監(jiān)測種質(zhì)資源的損失程度。本研究中，經(jīng)過浸泡24 h的玉米種子，回干后活力顯著下降，發(fā)芽勢、發(fā)芽率和簡易活力指數(shù)均下降一半以上，不能再用于后續(xù)的生產(chǎn)或貯藏。而經(jīng)過浸泡4 h的玉米種子，回干后活力基本不受影響，因此可以在一定程度上保證檢測的無損性，使得檢測后的種子能夠繼續(xù)利用和貯藏。

4 結(jié) 論

基于電導(dǎo)率的種子活力測定時(shí)間在玉米中可以穩(wěn)定縮短到4 h，在小麥中能否穩(wěn)定縮短到8 h還需進(jìn)一步驗(yàn)證。玉米和小麥分別經(jīng)過4和8 h浸種，取出種子回干后進(jìn)行發(fā)芽，種子的活力并未受到影響。