西葫蘆種子結構與發芽的關系以及提高種子質量的處理技術

王德欣 吳 萍,3* 季延海 鐘啟文 宋順華 張海軍,3 劉明池, 李海真,3

(1.北京市農林科學院 蔬菜研究中心/農業部華北地區園藝作物生物學與種質創制重點實驗室/農業部都市農業(北方)重點實驗室/蔬菜種質改良北京市重點實驗室，北京 100097；2.青海大學 農林科學院，西寧 810016；3.京研益農(北京)種業科技有限公司，北京 100097)

西葫蘆(CucurbitapepoL.)是葫蘆科南瓜屬蔬菜，原產北美洲南部，又稱美洲南瓜，具有生育期短、耐貯運和高產等優點，是目前設施生產面積僅次于黃瓜的一種重要的瓜類蔬菜[1-2]。在西葫蘆生產中，種子質量是穩產和高產的重要基礎，授粉次數、種瓜節位、成熟度和環境等因素均會影響其發育成熟和種子活力[3-4]，從而影響幼苗的生長和發育，進而影響經濟效益。

精選處理通過去除死種子和劣種子而有效提高種子質量，該處理技術應用的前提是根據種子批特性找到適宜的精選方法。精選方法的建立主要基于找到種子批中死種子、劣種子與正常種子在大小、形狀、密度、表面質地或顏色等物理特性方面存在的主要差異[5-8]。有多種方法可以測定單粒種子物理特性之間的差異，其中X-射線成像分析技術是比較成功的方法之一，可用于非破壞性評價種子內部或外部特征。將經過結構特征分析的種子再進行發芽試驗，可以建立兩者之間的對應關系，從而有可能形成適宜的精選方法，用于提高種子質量[9-10]。

引發處理是一種能有效提高種子萌發特性的技術，已被證明具有提高種子萌發速度和出苗一致性、克服種子萌發障礙和提高種子活力等多方面的效果，并且對多種蔬菜種子有效[11-14]。引發處理的實施可以采取不同的方法，不同種子適宜的方法和實施條件可能不同，需要確認有效的方法才能保證處理效果[15-16]。

本研究通過軟X射線成像法研究了西葫蘆種子結構與發芽特性的關系，建立了一種依據X射線成像結果對西葫蘆種子進行精選和分類的方法；通過研究比重選和引發處理對西葫蘆種子萌發特性及成苗效果的影響，建立了一套提高西葫蘆種子質量的綜合處理技術，以期為種子企業在種子質量提升方面提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試西葫蘆種子品種為‘青葫1號’，由青海大學農林科學院提供。

1.2 試驗方法

1.2.1軟X-射線成像分析

用軟X-射線儀(SOFTEX，ISTV-25-1，日本)對每粒種子進行2次成像(由于種子偏大，機器不能一次全覆蓋)，分別觀察胚根尖和子葉邊緣的形態，通過拼接圖觀察種子總結構形態(拼圖只進行了亮度和對比度調節，未做其它修飾)。用ZET-1軟件逐粒測量子葉最寬處邊緣至種皮邊緣的直線距離(兩邊距離測量距離大的一邊)，用字母D表示，作為種子平面飽滿度指標。按照測定順序進行單粒種子編號，測定后的種子用于紙間發芽試驗。

1.2.2種子比重選

用種子精選機(KM，KIYA SEISAKUSHO，日本)進行比重選，風量選擇9。根據種子比重差異分為2個部分，比重大的部分標記為大種子，比重小的部分標記為小種子。

1.2.3種子引發

在容器中加入種子重量20%的1%硝酸鉀溶液，混合均勻后放置在20 ℃下，每天攪拌1～2次，每次攪拌30 s，分別在處理5、6和7 d后取出，室溫晾干，分別標記為T5、T6和T7。

1.2.4種子發芽

本研究共采用3種方法進行種子發芽試驗，分別為紙間發芽、沙床發芽和穴盤育苗。紙間發芽方法用于觀察經過軟X-射線成像后的帶有序號標記的單粒種子發芽情況，研究種子結構與萌發特性的關系；沙床發芽方法用于實驗室內標準發芽結果檢測；穴盤育苗方法是為了使種子發芽及幼苗生長狀況與實際生產更加接近，在更符合實際生產條件的情況下統計各項生長指標，提升數據說服力。發芽試驗中用作對照(CK)的種子都是未經任何處理的干種子。3種發芽方法詳述如下：

紙間發芽：采用30.5 cm×46 cm的發芽紙(Anchor，美國)，每張紙加水32 mL，試驗設置CK、大種子和小種子3個處理，每處理20個重復，每個重復10粒種子，并在紙上將種子編號。將種子置于光照培養箱內，25 ℃恒溫，8 h光照條件發芽，第8天根據發芽情況分別統計記錄每個處理正常種子、畸形種子和死種子數量。

沙床發芽：在發芽盒中進行，每盒加1 kg沙和140 g水，混勻后取出280 g濕沙覆蓋在種子表面。比重選試驗設置CK、大種子和小種子3個處理，第4天統計發芽勢和發芽指數，第8天統計發芽率；種子引發試驗設置CK、T5、T6和T7 4個處理，第4天統計發芽勢，第8天統計發芽率，記錄畸形苗數量，同時逐粒測量子葉長度和子葉寬度，每100株測1次干重。以上試驗均設置8個重復，每個重復50粒種子。25 ℃恒溫，8 h光照條件下發芽，子葉出土2/3以上計為發芽。

穴盤育苗：將經過比重選并引發7 d的種子(T7大種子)和CK種子進行穴盤育苗試驗。采用72孔穴盤，每孔播種1粒，3次重復，基質采用草炭∶蛭石∶珍珠巖(體積比2∶1∶1)混合，播種后置于玻璃日光溫室統一管理，白天溫度不高于30 ℃，晚上溫度不低于20 ℃。分別于第16、25和32天隨機選取6株測定幼苗生長指標和壯苗指數。

1.3 測定指標

發芽勢(率)=供試種子的發芽數/供試種子數×100%

(1)

式中：發芽勢在第4天統計，%；發芽率在第8天統計，%。

發芽指數(GI)=ΣGt/Dt

(2)

式中：Gt為在第t日的發芽數，粒；Dt為發芽天數，d。

壯苗指數=(莖粗/株高+根干重/地上部干重)×全株干重

(3)

式中：莖粗為莖基部最粗部分的直徑，cm；株高為莖基部至生長點的高度，cm；干重為100 ℃殺青0.5 h，然后80 ℃烘干1 h后的重量，g。

1.4 數據統計及分析

數據差異顯著性分析采用SPSS 17.0統計分析軟件。

2 結果與分析

2.1 軟X-射線法對不同類別種子的鑒定

2.1.1不同類別種子內部形態的觀察

取比重選后的大種子、小種子和對照種子各200粒，逐粒編號標記并采集軟X-射線成像圖，然后將上述600粒種子按照順序進行紙間發芽試驗，根據發芽結果把600粒種子分為3個類型：正常種子、畸形種子和死種子(GB/T 3543.4—1995)。分析3類種子對應成像圖的結構特點。

正常種子結構(圖1(a))的特點為：胚結構正常，種子飽滿，子葉邊緣清晰(說明子葉有一定厚度)。600粒種子中利用發芽試驗法鑒定出399粒正常種子，利用軟X-射線成像法鑒定，符合上述特征的有392粒，有7粒不符合，識別率為98.2%(表1)。

發芽試驗法鑒定出畸形種子共22粒，軟X-射線成像法鑒定出6粒存在明顯的結構異常，如(圖1(g)～(h))胚根偏薄，識別率為27.3%。多數種子結構與正常種子相似，不能區分。

死種子的結構具有以下1種或幾種特點：胚結構不規則，明顯畸形(圖1(b)～(c))；胚根部位畸形(圖1(e)～(f))；子葉基本沒有發育或厚度顯著不夠(圖1(d))。對比分析發芽試驗法鑒定出的全部179粒死種子，利用軟X-射線成像法鑒定，符合上述特征的有118粒，識別率為65.9%。

(a)正常種子；(b)～(f)死種子；(g)～(h)畸形種子。紅色箭頭表示種子平面飽滿度。(a) Normal seeds; (b)-(f) Dead seeds； (g)-(h) Abnormal seeds. Red arrows represent seed plane fullness.圖1 西葫蘆種子軟X-射線成像圖Fig.1 The soft X-ray image of zucchini seeds

全部測定的600粒種子，按照上面描述的結構特點，以發芽試驗法鑒定結果為參考，軟X-射線成像法能夠進行正確分類的3類種子合計516粒，正確識別率為86.0%(表1)。

表1 發芽試驗法與軟X-射線成像法對3類種子判定結果比較Table 1 Comparison of germination test and soft X-ray imaging method for the detection of the three types of seeds

2.1.2種子平面飽滿度與種子發芽特性的關系

除了上述平面形態的差異，一些死種子和畸形種子還表現出在子葉厚度和寬度上的不足。由于所用機器的限制，不能準確分析子葉厚度。對3類種子平面飽滿度D值進行測定，結果表明正常種子平均D值為1.09 mm，畸形種子平均D值為1.16 mm，比正常種子高6.4%，死種子平均D值為1.28 mm，比正常種子高17.4%。以上結果表明，高質量種子即正常種子飽滿度較高，平均D值最小，低于畸形種子和死種子平均D值，自由空間最小(表2)。因此，平面飽滿度D值可以作為評價種子質量高低的指標。死種子和畸形種子平均D值較高，說明其在生長過程飽滿度不足，可以采用比重選等方法將其分離。

表2 不同類型種子平面飽滿度比較Table 2 The comparation of the seed plane plumpness inside among three types of seeds

2.2 比重選對西葫蘆種子質量的影響

用沙床發芽方法測定比重選后得到了大、小種子和CK的發芽特性。結果表明，比重選后得到的大種子的發芽勢、發芽率和發芽指數均比CK高(表3)。而應該棄去的小種子發芽勢、發芽率和發芽指數明顯低于CK和大種子，種子質量差。以上結果表明可以通過比重選將活力低和質量差的種子分開，使種子質量得到提升。

表3 比重選對西葫蘆種子發芽的影響Table 3 The effects of specific gravity selection on the Zucchini seed germination

2.3 種子引發對種子發芽及種苗質量的影響

3種不同條件的引發處理均能促進種子萌發，促進幼苗生長。表4為置床8 d后的統計結果，沙床發芽試驗結果表明，與對照相比，不同引發處理能夠提高發芽勢和發芽率，其中發芽勢差異顯著，對幼苗生長影響明顯，子葉長度、寬度和干重均顯著提高。

表4 不同引發處理對西葫蘆種子發芽及幼苗生長的影響Table 4 The effects of different seed priming treatments on the seed germination and seedling growth

其中以T7處理結果最好，發芽勢較對照提高14.00%，發芽率提高6.50%，子葉長度增加9.09%，子葉寬度增加16.27%，植株干重增加7.71%，畸形苗數量顯著下降，壯苗效果明顯。

2.4 比重選與T7引發處理對西葫蘆種子穴盤育苗的影響

為了檢驗比重選和引發處理在實際生產應用中的效果，將比重選后的大種子進行T7引發處理(T7引發處理效果最好，處理后的種子標記為T7大種子)。將CK和T7大種子進行穴盤育苗試驗。結果顯示，與CK相比，T7大種子在出苗(表5)和幼苗生長(表6)上的優勢明顯。處理后的種子出苗快，10 d出苗率46.67%，比對照提高1倍，15 d出苗率達到90.56%，較對照提高26.12%(表5)。

表5 T7大種子處理對西葫蘆穴盤出苗的影響Table 5 The effects of specific gravity selection and T7 priming on the zucchini plug seedling emergence %

T7大種子不僅出苗率高，在幼苗生長特性上也能體現處理效果。T7大種子種苗粗壯，表現在前期莖粗和后期株高優于對照(表6)。16 d幼苗株高是對照的83.72%，莖粗比對照高8.68%，25 d幼苗株高已經達到對照97.97%，但莖粗比對照高13.06%。隨著幼苗葉片增多，光合作用增強，幼苗營養生長加快，32 d的幼苗株高比對照高32.41%，莖粗則與對照無明顯差異。比重選加引發處理還提高了西葫蘆幼苗的鮮重、干重和壯苗指數(表6)，T7大種子種苗地上部和地下部鮮重分別較對照提高13.50%～38.97%和6.54%～43.75%，地上部和地下部干重分別較對照提高0.65%～28.05%和2.80%～36.58%。通過以上試驗表明，經過比重選加T7引發處理后的種子出苗快，而且幼苗表現為前期粗壯后期生長強勢的特點，能夠達到提高種子質量和壯苗的效果。

表6 T7大種子處理對西葫蘆幼苗生長的影響Table 6 The effects of specific gravity selection and T7 priming treatment on the zucchini seedling growth

3 討論與結論

軟X-射線成像技術已被用于多種種子的生理質量檢測，例如篩除辣椒死種子和劣種子[17]、檢測玉米種子內部傷害[9]和預測番茄種子引發程度[10]等，該技術可以用于種子質量控制[18]。本研究結果表明，對于西葫蘆種子，正常、畸形和死種子在形態結構上存在明顯差異，此方法可用于西葫蘆種子精選。此外，從西葫蘆種子成像圖片還可看出，畸形和死種子在形態上的異常可能是在種子生產過程中發育不良造成，而不是采收加工過程的傷害或者貯存過程的老化引起。同時本研究還發現，種子發芽特性與種子平面飽滿度密切相關，即種子內部自由空間越大，形成畸形或死種子的可能性越大，種子質量也越差。通過比重選得到的小種子，其內部自由空間大，種子質量差，而大種子各項生理指標得到顯著改善，種子質量高，也證明了種子平面飽和度與種子質量的關系。

比重選和種子引發技術都能夠提高種子生理質量。比重選主要通過機械篩選，將破碎種子及質量差的種子篩除；而引發主要是通過提高種子生理質量，主要表現在加速種子萌發，提高整齊度和抗逆性，其主要機理是誘導細胞膜修復，促進RNA和蛋白質合成，增強能量代謝，促進細胞分裂[19]。前期沙床發芽試驗證明，比重選和引發處理均能提高西葫蘆種子質量。比重選能夠將質量差的種子篩除，明顯提高種子發芽率，大種子較對照發芽率由82.75%提高到90.25%，而小種子發芽率僅為23.25%，其中死種子的占比高達73.50%，以上結果說明適宜條件的比重選可以去除大部分死種子從而提升種子質量。引發處理從種子萌發速度和整齊度方面提高了種子質量，T7處理種子發芽勢由75.25%提高到89.25%。同時進行比重選和引發處理(T7大種子)對種子質量提升效果明顯，子葉長、寬度和植株生物量等多個生長指標得到明顯提高，壯苗效果顯著。經過比重選和引發處理的種子在穴盤育苗階段展現了比實驗室發芽試驗更好的處理效果，不僅提升出苗率，而且株高、莖粗、植株干重和壯苗指數等多個生長指標比對照種子得到明顯提高，比重選結合種子引發技術能夠顯著提高種子質量，達到壯苗效果。

綜上，本研究利用軟X-射線成像技術檢測了西葫蘆種子質量，發芽試驗結果和軟X-射線成像圖一一對應研究結果表明，西葫蘆種子結構和發芽特性密切相關，種胚結構完整，種子內部自由空間小，飽滿度高，種子質量則越高，軟X-射線成像技術對正常種子的綜合識別率達到86.0%。通過比重選和引發處理可有效改善西葫蘆種子萌發特性，提升種苗質量，促進種苗生長。隨著技術的發展進步，有望實現軟X-射線成像技術、比重選和種子引發等多個技術的有機結合，形成一套產業化應用技術，篩選高質量種子，從種子源頭上為農業生產保駕護航，具有廣闊的市場應用前景。