Q2│革新种子筛选技术：精准鉴别活力，提升作物产量

在农业领域，种子质量的优劣直接关系到农作物的产量、品质和经济效益。因此，对种子进行精确筛选和活力鉴别显得尤为重要。传统的种子筛选方法往往基于外观特征或发芽率试验，但这些方法存在诸多不足。外观特征可能无法准确反映种子的内在活力，而发芽率试验则需要较长时间才能得出结果，且试验过程中可能因环境因素导致结果偏差。因此，寻找一种快速、准确、无损的种子活力鉴别方法成为了农业科研的迫切需求。

中国农业大学种子科学与生物技术学院的科研团队在种子活力鉴别领域取得了重大突破，通过采用氧气消耗技术和顶空气相色谱-离子迁移谱技术，成功实现了对单个种子活力的精准鉴别。该科研团队的氧气消耗技术通过测量种子在特定时间内的氧气消耗量，可以反映种子的呼吸特性，从而鉴别其活力。试验结果显示，活力种子与非活力种子在氧气消耗量上存在显著差异。该技术不仅适用于甜玉米种子，还成功应用于辣椒和小麦种子的活力鉴别。此外，团队还创新性地提出了Q_t这一新变量，用于缩短氧气消耗量的测量过程，并证实其与单个种子活力密切相关。

本研究选取了甜玉米、辣椒和小麦等多种作物种子作为实验材料，通过大量实验验证了氧气消耗技术在种子活力鉴别方面的可行性和有效性。实验数据表明，该方法具有较高的准确性和稳定性，能够实现对单粒种子活力的快速、无损鉴别。

以175粒甜玉米、149粒辣椒和206粒小麦种子为材料采用耗氧技术测量单粒种子呼吸作用。每种作物的种子都来自同一品种，并且是随机选择的。将样品种植在 48孔(每孔一粒种子)的微滴板中，2.0ml管中加入1000μl浓度为0.5%的琼脂。在25℃恒温条件下，设置测量时间为120h，间隔0.33h(20min)获取一次数据。将样品的信息和编码输入操作软件。将样品用荧光螺帽密封，用Q2（荷兰ASTEC-Global）记录氧含量数据（相对值，初始值的百分比）。然后以Excel文件的形式输出数据集，根据测量结束时种子是否发芽，评估种子活力并将其分类为生命或死亡。ASTEC值由软件自动生成，氧气随时间的消耗计算如下：

Q_t=Y_0.33–Y_t

式中，Y_t为t时记录的氧浓度，Y_0.33在程序中获得的第一个数据点；Q_t为测量时间达到t时的氧气浓度，因此Q_t的值大多为正数；t的值应该越低越好，以免样品发生不可逆萌发。生存力评估后产生的数据，连同相应的呼吸数据，随机分为校准集(75%)和测试集(25%)。校准集用于在变量展开方面进行进一步分析，测试集用于验证结果。对单个种子活力预测的准确性进行了计算，并在这里以百分比的形式呈现，以指示新变量的Z终值。

有活力的种子吸胀速度快，耗氧量大，耗氧曲线急剧下降。即种子活力越高，氧气消耗速度就越大，氧气消耗速率（OMR）越高，萌发启动时间（IMT）、临界氧气压强（COP）、理论萌发时间（RGT）值越低。反之，失活种子耗氧曲线没有明显的变化。且随着测定时间的延长，两者之间的差异逐渐增大。本研究还引入了Q_t这一新变量，用于缩短Q2（氧气传感器）测定过程中的测量时间，且Q_t与单粒种子的活力密切相关。这一结果为氧气消耗技术在种子活力鉴别中的应用提供了有力支持。

图1 辣椒(A)、甜玉米(B)和小麦(C)单个种子的耗氧量曲线。典型的曲线是快速发芽的种子（左曲线）和缓慢发芽的种子（右曲线）。种子通常表现为两阶段或S型模式，但有些种子有线性模式或其他变化。

图2 辣椒(A)、甜玉米(B)和小麦(C)种子活力的4个ASTEC值(1-4列)和Z终耗氧量(Q120)(5列)值的Violin图。IMT：代谢时间增加；OMR：氧代谢率；COP：临界氧压；RGT：相对发芽时间。不同作物品种间和品种间的ASTEC值在量程和标准差上存在不一致性。请注意，有些绝对标准偏差值太大，无法在图表中显示。

图3 Q2(氧传感器)参数与种子活力(A、B和C)的Pearson相关矩阵，鲜活和失活辣椒(D)、甜玉米(E)和小麦(F)种子Z终耗氧量(Q120)值的散点图，以及使用Q120值(G、H和I)在测试集中预测结果的混淆矩阵。每列代表一种作物，即辣椒、甜玉米和小麦。IMT：代谢时间增加；OMR：氧代谢率；COP：临界氧压；RGT：相对发芽时间。

图4 辣椒、甜玉米和小麦种子h时刻耗氧量Q与活力spearman相关系数散点图。所有相关系数在0.01水平上均显著。

图5 在使用辣椒(D)、甜玉米(E)和小麦(F)的12小时耗氧量(Q12)、甜玉米(Q6)和小麦(F)的12小时耗氧量(Q9)的测试集中，有活力和失活辣椒(A)、甜玉米(B)和小麦(C)种子的耗氧量(Qt)值的散点图，以及预测结果矩阵。

本研究的基于氧气消耗技术的种子活力鉴别方法，成功实现了对单粒种子活力的快速、无损鉴别，具有操作简便、快速准确、无损检测等优点，可广泛应用于农业生产中的种子筛选和质量监控。未来，随着相关技术的不断发展和完善，该方法有望在提高作物产量和品质方面发挥更大作用。

此外，本研究还可为其他领域提供有益的借鉴。例如，在环境保护和生态修复领域，可利用类似方法对植物种子的活力进行快速鉴别，为生态修复工程提供优质的种子资源。在植物育种领域，该方法可用于筛选具有优良性状的种子，加速育种进程。

TU Ke-ling, YIN Yu-lin, YANG Li-ming, et al. Discrimination of individual seed viability by using the oxygen consumption technique and headspace-gas chromatography-ion mobility spectrometry[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2023, 22(3): 727–737.

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