超聲波處理對中棉113種子萌發和幼苗生長發育的影響

王軍 張先亮 賀昆侖 王康文 黃俊森 Nasre Ahmed 高宇 裴小雨 任翔 王星星 臧新山 馬雄風 高俊山

收稿日期：2024-01-19? ? ? ? ?第一作者簡介：王軍，碩士研究生，18297981252@163.com。*通信作者：臧新山，博士，副研究員，研究方向為棉花分子遺傳育種，zangxinshan@163.com；馬雄風，博士，研究員，研究方向為作物雜種優勢原理與應用，maxf_caas@163.com；高俊山，博士，教授，研究方向為棉花種質資源創新，gaojsh@ahau.edu.cn

基金項目：安陽市重點研發與推廣專項（2023C01NY015）；新疆維吾爾自治區重點研發任務專項（2022B02052-2）；昌吉回族自治州科技支撐產業高質量發展專項（2021Z01-01）；新疆維吾爾自治區中央引導地方科技發展資金項目（ZYYD2023C06）；新疆維吾爾自治區農機研發制造推廣應用一體化試點項目（YTHSD2022-25）

Effects of ultrasonic treatment on cotton seed germination and seedling growth of Zhongmian 113

Wang Jun， Zhang Xianliang， He Kunlun， Wang Kangwen， Huang Junsen， Nasre Ahmed， Gao Yu， Pei Xiaoyu， Ren Xiang，

Wang Xingxing， Zang Xinshan*， Ma Xiongfeng*， Gao Junshan*

摘要：超聲波處理可以促進種子萌發、提高陳舊種子發芽率，調控作物產量和品質。本研究旨在通過分析超聲波處理對棉花種子萌發和幼苗生物量的影響，明確超聲波處理對棉花種子萌發和幼苗生長發育的調控效應。以中棉113為試驗材料，用頻率40 kHz、功率200 W的超聲波清洗器對中棉113的種子進行不同時間（20 min、30 min、40 min）處理，通過統計發芽率、發芽勢、發芽指數和胚根長度，明確超聲波處理調控種子萌發的適宜時間；通過調查和測定超聲波處理后種子的出苗情況和兩葉一心期材料的鮮物質質量和干物質質量，評估超聲波處理對幼苗生長發育的影響。研究表明，超聲波處理的種子發芽勢和發芽指數顯著高于對照組，隨處理時間延長呈先上升后下降的趨勢，其中超聲波處理30 min的最高，且該處理種子胚根長度顯著增長，出苗狀況最佳。超聲波處理后，種子出苗加快，兩葉一心期幼苗鮮物質質量和干物質質量均顯著提高。研究明確了適宜條件的超聲波處理對中棉113種子萌發和幼苗生長發育具有促進作用，其中30 min為頻率40 kHz、功率200 W的超聲波的適宜處理時間。這些結果可為超聲波技術在棉花生產實踐中的應用提供科學依據。

關鍵詞：超聲波；中棉113；種子萌發；幼苗生長發育；發芽率；發芽勢

棉花是世界上最主要的經濟作物之一，是紡織工業天然原料的主要來源，也是我國重要的戰略物資[1]。近年來，隨著我國棉花產業結構調整，西北內陸棉區尤其是新疆棉花種植面積占比逐年上升。中棉113是由中國農業科學院棉花研究所聯合甘肅省農業科學院作物研究所選育的早熟、高產、優質的棉花品種[2-3]，于2019年通過甘肅省農作物審定委員會的審定（審定編號：甘審棉20190003），2020年引種到新疆種植[引種編號：新引棉（2020）2020001]，2020―2023年先后入選新疆生產建設兵團第四師、第六師、第七師、第八師、第十二師、昌吉回族自治州、博爾塔拉蒙古自治州等北疆主產棉區主推品種或示范品種，2022年入選中國農業農村重大科技新成果，2022―2023年連續入選農業農村部主推品種。全國農技推廣服務中心統計數據顯示，該品種在短時期內實現迅速推廣，2022年全國推廣面積位居第3位，累計推廣53.33萬hm2，經濟效益20.83億元，對保障我國優質原棉穩定供給和我國棉花產業可持續發展具有重大意義。

種子是作物生產中最基本、最重要的生產資料，種子活力影響植物的整個生命過程，高活力種子在生產實踐中具有明顯的生長優勢[4-5]。為了提高種子的活力，在播種前，往往采用機械處理、曬種、拌種、催芽等化學、生物和物理方法進行種子處理[6]。超聲波在種子處理方面已被證明具有較好的效用[7-8]。研究表明適當強度的超聲波處理能夠引起種子物理性能和生理活性的變化，促進植物細胞內部物質的氧化、還原、分解和合成反應，從而提高種子的發芽率[9]和種子活力，增加作物產量[10-11]。超聲波處理無化學殘留、安全性高、簡便有效，目前已在玉米[12-15]、水稻[16-18]和小麥[19-20]等主要糧食作物中開展了超聲波處理種子效果的廣泛研究，但在棉花中相關研究相對較少。因此，利用固定頻率和功率的超聲波處理中棉113種子，通過統計不同處理時間下種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和胚根長度，以及幼苗干物質質量和鮮物質質量，明確超聲波處理對棉花種子萌發和幼苗生長發育的影響，為超聲波技術在棉花生產實踐中的推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料與儀器

試驗材料為陸地棉中棉113種子，由中國農業科學院棉花研究所鄉村科技振興團隊提供。種子經硫酸脫絨，蒸餾水沖洗晾干，精選后備用。

超聲波清洗器（KQ5200E）購自昆山市超聲儀器有限公司。

1.2 超聲波處理

用頻率40 kHz、功率200 W的超聲波清洗器，對精選后的種子進行超聲波處理。參考其他作物的研究結果[21-23]，預備試驗處理時間分別設置10 min、20 min、30 min、40 min和50 min，每個處理60粒種子。根據預備試驗結果，試驗設置20 min、30 min和40 min超聲波處理，每個處理3個生物學重復，每個重復60粒種子。預備試驗和后續試驗均以未處理的種子為對照（0 min）。采用沙培法，將種子播種于發芽盒上，放置于人工氣候室（26 ℃，光照16 h/黑暗8 h），從36 h開始，每隔12 h統計發芽種子數。

1.3 指標測定及方法

1.3.1 種子發芽率、發芽勢和發芽指數測定。據《棉花種子快速發芽試驗方法》[24]，正常發芽種子標準為：胚根和下胚軸總長度大于種子長度的2倍，有主根，且下胚軸無病。種子的發芽率為第7天全部正常發芽種子數占供試種子總數的百分比；種子的發芽勢是指在發芽過程中日發芽種子數達到最高峰時，發芽種子占供試種子的百分比，本研究中為48 h內正常發芽種子數占供試種子總數的百分比；發芽指數是種子活力指標，本研究中用7 d中每天發芽數與發芽日數比值的總和來表示，發芽指數越高，種子活力越高。種子發芽指數（germination index， GI）計算公式：GI＝∑Ｇt/Dt。式中，Ｇt為第t天的發芽數，Dt為發芽日數。

1.3.2 胚根長度測量。將超聲波30 min處理和對照處理的種子播種于沙培發芽床上，48 h后將沙子清洗干凈，測量種子胚根長度，重復3次，每個重復30粒種子。

1.3.3 幼苗葉面積、鮮物質質量和干物質質量測定。將超聲波30 min處理和對照處理的種子種植于營養土中，調查出苗情況。生長至兩葉一心期，對葉片進行拍照，利用ImageJ圖像分析軟件測定幼苗的葉面積[25]。將幼苗整株沖洗干凈后用吸水紙擦干，利用電子天平稱量幼苗鮮物質質量。隨后將幼苗放入信封中，置于65 ℃恒溫烘箱烘至質量恒定，利用電子天平稱量干物質質量。每個處理重復3次，每個處理測定30株。

1.4 數據統計

試驗數據統計及制圖采用Microsoft Excel 2021，利用SPSS 26.0軟件進行統計學分析。

2 結果與分析

2.1 超聲波預備試驗結果

預備試驗結果（表1）顯示，對照處理中棉113種子發芽率在93.33%左右，與超聲波處理種子的差異較小；與對照相比，超聲波20～50 min處理的種子發芽勢和發芽指數有所提高，隨著處理時間的延長呈先上升后下降趨勢，超聲波30 min處理的發芽勢和發芽指數最高。

2.2 超聲波處理對種子萌發的影響

進一步的超聲波處理試驗結果（表2）顯示，超聲波處理后中棉113種子的發芽勢和發芽指數均較對照顯著提高，其中超聲波30 min處理的發芽勢和發芽指數最高，與對照相比分別提高27.50百分點和3.66。同時，超聲波30 min處理的中棉113種子胚根長度顯著提高（圖1），是對照的1.33倍。上述結果表明，超聲波30 min處理的種子表現出更高的萌發活力，為該超聲波處理中棉113種子的適宜時長。

2.3 超聲波處理對幼苗生長發育的作用

超聲波處理30 min后，中棉113種子出苗速率高于對照，幼苗生長發育進程加快（圖2A，參見封二彩版）。生長至兩葉一心期，植株葉面積、鮮物質質量和干物質質量均顯著提高（圖2B、C，表3）；第3片真葉的葉面積變化最大，是對照的2.76倍，鮮物質質量和干物質質量分別是對照的1.15倍和1.17倍（表3）。上述結果表明，適當條件的超聲波處理可以促進幼苗的生長發育進程。

3 討論

超聲波作為一種安全、高效、簡便的物理處理方式，在作物種子處理中表現出顯著的效果[26]。研究表明，適當條件的超聲波處理作物種子，能夠有效促進種子萌發、提高種子活力、增加作物產量[27-30]。

3.1 超聲波處理對作物種子的調控效應

在植物中，利用超聲波處理促進種子萌發和幼苗生長發育已有較多研究。趙忠良等[11]研究表明，利用25 kHz超聲波處理水稻種子20 min，能促進種子萌發，提高幼苗根長。吳海燕[31]研究發現，經10 min超聲波處理后，玉米發芽相關指標顯著提高，干物質積累量和積累速率顯著提高，且經過超聲波處理后更容易長成壯苗。閆延鵬等[7]研究發現，48 kHz超聲波處理綠豆種子35 min時種子發芽率最高。Pascual等[32]研究證明，應用40 kHz超聲波處理30 min，刺山柑種子的發芽率顯著提高。

本研究結果與上述其他植物中的研究結果類似。對中棉113種子進行30 min的40 kHz、200 W超聲波處理后，其發芽勢、發芽指數和胚根長度均顯著提高，出苗加快，葉面積以及干物質質量和鮮物質質量顯著增加，說明適宜條件的超聲波處理對棉花種子萌發和幼苗生長發育具有顯著的促進作用。

3.2 超聲波處理對作物種子萌發和生長發育的調控機理

超聲波處理對植物種子萌發促進作用的機理可能是超聲波所產生的振動促使細胞膜發生振動，當振動頻率與細胞膜振動頻率相同時，細胞膜發生共振，這時超聲波所產生的能量能夠最大限度進入細胞，提升各種酶的活力，改變細胞膜滲透性，最終加速棉花種子萌發[29， 33]。此外，超聲波處理可提高細胞內酶的活性，其中α淀粉酶的活性顯著提高，促進種子內淀粉的分解，為幼苗的生長發育提供物質基礎[31，34]。目前也有研究表明，超聲波處理后種子生長相關的基因表達量升高，調控植物激素、氨基酸等種子萌發必需物質合成，從而加快種子萌發速率[14， 19]。

3.3 超聲波處理作物種子應用前景

超聲波處理能夠顯著提升作物產量。辛星光等[35]利用超聲波處理不同基因型的水稻種子，大田條件下通過測定地上部干物質積累總量、凈光合速率、葉綠素含量和葉面積指數，證明超聲波能夠提高水稻的產量。張瑩瑩等[16]研究發現超聲波處理可以提高香稻的產量和香氣。王賀華[36]研究發現，超聲波處理玉米種子可以提高玉米產量。目前超聲波處理對作物產量的研究主要集中于水稻，而本研究僅采用單一超聲波設置（40 kHz，200 W）對其不同處理時間下的中棉113種子萌發和幼苗發育的影響進行了比較，未來將進一步探究超聲波處理其他因素如頻率、功率、溫度等對棉花產量的影響，并對超聲波處理在不同環境條件下的適用性和穩定性進行深入的研究，以推動超聲波處理技術在棉花生產中的應用。

4 結論

本研究對中棉113種子進行40 kHz、200 W超聲波處理，通過調查發芽率、發芽勢、發芽指數和測定胚根長度，明確了超聲波處理中棉113種子的適宜時間為30 min；通過測量適宜超聲波處理和對照處理幼苗的出苗情況、兩葉一心期幼苗葉片面積以及干物質質量和鮮物質質量變化，明確了適宜的超聲波處理種子可以促進中棉113幼苗生長發育進程。這些研究結果可為超聲波在棉花生產中的應用提供依據。

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（責任編輯：付毓 責任校對：秦凡）? ? ●