基于高光譜3D成像技術的不同成熟度玉米種子表型特征分析研究

張 鵬，滕彩玲，管俊嬌，黃清梅，劉艷芳，楊曉洪，毛 進，張建華

（1.云南省農業科學院 質量標準與檢測技術研究所，云南 昆明 650205；2.云南省農業科學院 糧食作物研究所，云南 昆明 650205）

0 引言

玉米（Zea mays L.）是我國的主要糧食作物之一，其作為重要的糧、經、飼兼用的作物，對整個國民經濟發展有著巨大的影響［1］。種子是作物生產的基礎，種子水分是保持和控制種子生命活動的重要介質，其含量直接影響種子適時收獲、安全加工、安全貯藏、安全運輸、種子活力的正確測定等方面，也是種子能否正常萌動、發芽、出苗的重要依據［2］。深入開展種子成熟度、水分含量的研究，有助于控制種子的質量，提高種子的發芽率和壯苗率。有學者認為多數雜交品種馬齒型的種子生理成熟可作為適宜收獲期的標準［3-4］。由于玉米籽粒的成熟時間和成熟度不同，因此在相同時間收獲玉米無法保證其水分含量達到統一標準，收獲后玉米種子的活力也不盡相同。余志江等［5］研究認為，授粉后35 d收獲的玉米雜交種子已具備正常活力和豐產能力。有研究證明，玉米高活力種子的適宜采收期開始于授粉后47~60 d，此時籽粒水分含量在40%左右［6］。相關報道指出具有生命力的干種子的生理活動是十分微弱的，但通過水分以及一系列代謝作用可以打破種子的休眠狀態，促使種子萌發，可見水是種子萌發不可缺少的先決條件［7-8］。對種子質量的傳統檢測方法大多需要對種子進行破壞性分析，且檢測時間長，過程復雜，難以滿足現代農業對種子無損檢測、快速生產的要求［9-10］。

有研究報道認為利用核磁共振弛豫譜技術可以對種子內部水分分布和含量變化進行有效的活體檢測［11］。Vashisth等［12］利用NMR光譜研究了鷹嘴豆在萌發過程中的吸水特性，觀測到種子吸水具有先快后慢再轉快的特點。Manz等［13］利用核磁共振成像技術研究了煙草種子在萌發過程中水分分布的變化，并發現脫落酸對種子水分吸收具有抑制作用。但上述2種技術也存在成本高的缺點，普通的課題組因設備成本高昂而無法開展相關研究。近年來，很多學者針對種子水分含量的無損快速檢測，利用高光譜技術做了很多嘗試［14-15］，并取得了一定的進展。蘆兵等［16］利用高光譜技術對水稻種子含水量采用模擬退火算法-支持向量回歸建立了定量檢測模型，預測集測定系數為0.9286。張伏等［17］研究表明利用高光譜技術可以在紫外波段、可見光波段、近紅外波段獲取大量連續的光譜圖像數據，其包含的圖像信息和光譜信息不僅能從外觀上反映被測樣本的形態學特征，而且能從內部反映被測樣本的物理結構和化學成分，進而可以實現對被測物內外部的綜合評價。

筆者利用高光譜技術［18］對不同成熟度玉米種子的內部特征進行了快速無損檢測，并結合LemnaTec表型平臺中已經成熟的Lemnalauncher圖像分析系統進行種子表型數據采集，以及種子內相關特征指標的測定，對不同類型玉米種子表型指標、內部特征的變化規律進行了研究，解析了不同成熟度玉米種子的特征變化規律、水分變化情況，以期為玉米種子質量控制的機理研究提供理論依據，奠定科學基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用云南地區主栽玉米品種收獲后的種子，8個品種的詳細信息見表1。表型分析系統使用實驗室版高通量表型測量系統Scanalyzer HTS，該系統是一套具有高通量采集小型植物及其他樣品材料表型數據功能的多功能表型系統，可以對不同品種、不同生命時期小型植物或者其他樣品材料進行深入的表型數據采集，此系統可以根據測量樣品數量選擇不同配置版本，有紅外（IR）、近紅外（NIR）等多種傳感器以及光源選擇，以滿足不同領域的表型研究。成像模塊的具體規格：近紅外（NIR），焦距50 mm，1450 nm帶通濾波器，視野18°×14°，工作距離540 mm；可見光（VIS），焦距50 mm，視野20°×15°，工作距離485 mm。

表1 參試玉米品種的詳細信息

1.2 試驗方法

收集不同品種類型的玉米種子，然后進行田間種植，播種方式為穴播，每個小區種植40株，行距70 cm，株距30 cm，在5月20日播種。從籽粒初始灌漿期（2020年8月10日）開始第1次種子采樣，此后每10 d采樣收獲種子1次，直至果穗期（2020年9月29日）。在不同時間段收獲的種子的成熟度不同，以此作為不同成熟度梯度。每個品種每批次選取果穗中部1/3處的種子20粒，使用真空包裝袋密封保存；在采樣次日利用表型測量系統Scanalyzer HTS，在可見光（VIS）光源條件下測定種子的表型特征指標，包括長度、寬度、周長、面積、偏心率、緊密度、圓度等；另外在近紅外（NIR）光源條件下測定種子的相對含水量，具體量化指標為藍色均值、綠色均值、紅色均值，藍色均值越高，表示相對含水量越高；3個量化指標代表的相對含水量大小為藍色＞綠色＞紅色，即顏色越深，相對含水量越高。

1.3 數據處理、圖像分析與統計

試驗中的性狀數據均通過表型測量系統Scanalyzer HTS獲取。采用SPSS VER 16.0軟件進行試驗數據的標準化處理、相關性分析和統計分析；用鄧肯氏檢驗法進行方差分析（P＜0.05）；使用本課題組自主研發的植物顏色性狀分析系統進行成像圖片顏色的分析。

2 結果與分析

2.1 不同成熟度玉米種子的表型特征

選擇水平距離（mm）、最遠兩點距離（mm）、垂直距離（mm）、表面積（mm2）、周長（mm）、圓度這6個指標來表征供試種子的表型特征。特征值計算需由光譜圖片成像后經過像素點數進行復雜的迭代計算，Scanalyzer HTS表型分析系統給定的距離/像素轉換系數為0.0483871，各特征值的計算公式如下：水平距離=X軸面積（像素數）×轉換系數；最遠兩點距離=卡尺長度（像素數）×轉換系數；垂直距離=Y軸面積（像素數）×轉換系數；面積=Area（像素數）×轉換系數×轉換系數；周長=Circumference（像素數）×轉換系數；圓度由系統直接計算生成。

根據上述公式，計算獲得各特征值，之后利用SPSS軟件將數據標準化，便于在同一數量級進行不同表型特征值的分析，得到8個品種在不同時間段的表型特征雷達圖譜（圖1）。由圖1可見：品種4、6、71為普通雜交玉米，其籽粒特征值在50 d或60 d時達到最大值，變化規律基本一致，隨著時間的延長而逐漸增大；品種47、51、57、60、162為甜玉米或糯玉米，其籽粒表型特征值的變化與普通雜交玉米有所不同，各項特征值的最大值出現在30~40 d，且在60 d時各項值變小，尤其在甜質型玉米籽粒中較為明顯，例如品種60在30 d時各項值已達到最大，在60 d收獲時的各項值小于30、40、50 d時的各項值；品種162的生育期較短，在30 d時各項值達到最大，在40 d收獲時的各項值小于20 d時的各項值。

圖1 不同玉米品種種子表型特征的雷達圖譜

2.2 不同成熟度玉米種子相對含水量的變化

Scanalyzer HTS表型分析系統通過對樣品進行可見光（VIS）和近紅外（NIR）成像，得到了不同玉米品種籽粒在10、20、30、40、50、60 d共6個時間點的可見光表型分析圖像和相對含水量成像圖片，最終獲得的4號品種的VIS和NIR成像圖片如圖2所示（限于篇幅，其他品種的VIS和NIR成像圖片在此省略）。通過表型系統，可以定性分析不同成熟度種子和同一成熟度種子不同部位的含水量差異。從圖2可以直觀地看出，隨著種子的不斷成熟，種子的顏色基本上呈現由深到淺的變化。就整體變化來說，前20 d基本上以深藍色為主，表示含水量較高；20~40 d由藍色向綠色過渡，表示含水量由高到低發生變化；40~60 d基本上以淺藍色或綠色為主，表示含水量處于較低水平。此外，在20~50 d中間階段（品種162為20~30 d）供試品種的部分種子出現了紅色，表示在這一階段這些種子的含水量處于較低水平，具體原因還有待分析。上述結果基于肉眼觀測，還無法得知某種顏色所代表的水分相對占比情況，因此，還需要使用圖像顏色分析軟件進行分析后才能得出更為直觀、準確的結果。

圖2 4號品種在不同時間點的可見光（VIS）成像和近紅外（NIR）成像

結合供試種子的近紅外成像圖片，利用本課題組自主研發的植物顏色性狀分析系統，將10~60 d不同時間點種子內不同顏色面積量化，以4號品種為例，得到了如圖3所示的種子內水分含量變化情況（其余品種在此省略）。由圖3可見：4號品種在10 d和20 d時種子內水分含量變化不大；在30 d和40 d時出現了表示水分含量水平較低的顏色分布，占比分別為1.59%和3.94%；進入50 d和60 d時，以淺藍色為主，占比分別為37.23%和34.33%，但60 d時的顏色比50 d時要淺，說明水分含量變低。

圖3 4號品種不同成熟度種子內水分含量的變化

2.3 不同成熟度玉米種子表型特征與含水量變化的關系

基于上述種子表型特征和水分含量變化的分析結果，利用Scanalyzer HTS表型分析系統測定的藍、綠、紅色均值作圖（圖4）。結合8個供試品種來看，隨著種子成熟度的增加，3個顏色均值均呈下降趨勢，且表示水分含量較高的藍色均值處于較低的水平；57號和60號品種為甜質型品種，在進入50~60 d時，表示水分含量最低的紅色均值高于藍色和綠色均值，這與甜質型玉米品種在收獲后種子皺縮，其各項表型指標值明顯小于30~40 d時的指標值相符。

圖4 8個玉米品種種子藍、綠、紅色均值的變化

計算了供試玉米品種表型特征與藍、綠、紅色均值間的相關系數（皮氏積矩相關系數），結果如表2所示：在本研究所選取的5個表型特征值之間存在顯著的線性相關，而圓度這一特征值與其他特征值相關不顯著；在表示種子內水分含量的藍、綠、紅色均值之間也存在顯著的線性相關；6個表型特征值與藍、綠、紅色均值之間均存在負相關關系，但相關性不明顯。

表2 供試玉米品種表型特征與藍、綠、紅色均值間的相關系數

3 結論與討論

長期以來，人們根據感官評價或經驗來判斷作物種子的成熟度，而對種子內部特征的具體變化情況知之甚少。近些年來，表型組學研究以及圖像分析技術的快速發展使得對作物種子質量的無損檢測分析成為可能，尤其是光譜分析技術，其具有無污染、無損、成本低、便捷、無需預處理樣本等優點，因而被廣泛應用到種子質量檢測、農產品檢測、中草藥鑒別、化工成分檢測等領域中［19］。在玉米種子的發育過程中，其外部形態特征隨成熟度的變化而變化；本研究選取的水平距離、最遠兩點距離、垂直距離、表面積、周長、圓度這6個表型特征值隨著成熟度的增加而增大，變化規律基本一致，但甜質型和糯質型玉米有所不同，在30~40 d時各項值已達到最大。本研究發現圓度與其他5個表型特征值相關性不高，因此可以考慮用其他相關性較高的表型特征作為玉米種子的評價分析指標。通過分析Scanalyzer HTS表型分析系統測定的藍、綠、紅色均值發現，隨著成熟度增加，3個均值均呈下降趨勢，且甜質型品種在進入50~60 d時，表示水分含量最低的紅色均值高于藍色和綠色均值，這符合實際情況。

作物種子在發育的過程中，由胚胎發生期到種子形成期再到成熟休止期，在整個過程中主要是貯藏物質的積累，到一定階段后貯藏物質的積累逐漸停止，種子含水量降低；在這一過程中含水量主要會影響SOD、CAT和MDA等酶的活性，從而影響物質積累［20］，但不會出現水分含量先降低之后再增加的現象。本研究發現，在中間階段供試玉米品種（尤其是57號和60號品種）的部分種子出現了紅色，這可能是由取樣導致的，可以在今后研究中加以驗證。