基于TDLAS技術(shù)測(cè)定水稻種子呼吸的初步研究

鄭 雯，賈良權(quán)，祁亨年，王瑞琴，趙光武，袁 俊

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 311300； 2.湖州師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，浙江 湖州 313000)

種子呼吸是種子的重要生理現(xiàn)象，研究種子呼吸對(duì)了解種子活力、種子代謝、種子萌發(fā)等生理生化過(guò)程具有重要意義。處于不同生理狀態(tài)的種子，其呼吸強(qiáng)度與性質(zhì)有很大的差異，同一條件下，呼吸強(qiáng)度的大小可以反映種子活力的強(qiáng)弱[1-2]。因此，可以通過(guò)研究種子的呼吸強(qiáng)度來(lái)確定種子的活力水平。

傳統(tǒng)的種子呼吸檢測(cè)方法主要有：小籃子法、Warburg法、紅外線CO2分析儀法[3]和Q2氧傳感技術(shù)[4-6]等。劉玉杰等[7]采用小籃子法，用Ba(OH)2溶液吸收種子呼吸產(chǎn)生的CO2，再利用草酸溶液滴定剩余的Ba(OH)2溶液，從空白和樣品二者消耗的草酸溶液之差，計(jì)算出種子呼吸過(guò)程中釋放的CO2的量，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中廣泛使用；王亞文等[8]采用Warburg法，將種子放入反應(yīng)瓶中，利用KOH溶液吸收CO2氣體，種子呼吸吸收氧氣導(dǎo)致壓力降低，測(cè)壓計(jì)顯示壓力值，從而得到種子呼吸過(guò)程中的耗氧量；潘威等[9]利用Q2氧傳感技術(shù)分析了煙草種子萌發(fā)過(guò)程中的呼吸代謝情況，利用Q2氧傳感技術(shù)提供的呼吸代謝指標(biāo)來(lái)指示煙草種子活力。傳統(tǒng)方法主要利用廣口瓶等儀器收集CO2排放總量的方法進(jìn)行測(cè)量，該方法一方面由于檢測(cè)精度低、分辨率不夠，需要大量種子樣品；另一方面須對(duì)樣品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間收集以增加CO2的濃度，從而造成測(cè)量、分析的工作量大，并且難以進(jìn)行連續(xù)、動(dòng)態(tài)、高時(shí)間分辨率的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)具有檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用來(lái)測(cè)量CO2等痕量氣體[10]。本文基于種子呼吸特點(diǎn)，提出將TDLAS測(cè)量痕量氣體技術(shù)應(yīng)用于種子呼吸CO2濃度檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一款高檢測(cè)限的種子呼吸檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)不同浸泡時(shí)間下以及不同收獲期的水稻種子呼吸產(chǎn)生的CO2濃度進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)同一批種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。采用TDLAS技術(shù)檢測(cè)水稻種子的呼吸強(qiáng)度，分析種子呼吸強(qiáng)度與發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、淹水3 d發(fā)芽率及田間出苗率等種子活力指數(shù)的相關(guān)性，以期為利用種子呼吸進(jìn)行種子活力等級(jí)檢測(cè)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

不同活力水稻種子由湖南隆平種業(yè)有限公司提供，置于4 ℃貯藏備用。品種為‘夢(mèng)兩優(yōu)黃莉占’秈型雜交水稻，授粉結(jié)束日為2018年8月22日，分別在當(dāng)年9月4日、9月7日、9月9日、9月11日和9月13日5個(gè)時(shí)期收獲種子，并分別編號(hào)A1、A2、A3、A4和A5。

1.2 方法

本文基于種子呼吸特點(diǎn)，自主設(shè)計(jì)了基于懷特池技術(shù)的種子呼吸容器，利用TDLAS構(gòu)建了高檢測(cè)限的種子呼吸檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括種子呼吸容器、激光器及其控制模塊、恒溫箱和數(shù)據(jù)采集與處理模塊。水稻種子呼吸檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。種子呼吸容器由種子腔和懷特池組成，上層為種子呼吸腔，下層為懷特池。實(shí)驗(yàn)中將放有種子的呼吸容器放入恒溫箱中保持25 ℃恒溫。光源采用nanoplus公司的2 004 nm分布反饋式激光器，其最大正向電流為120 mA，閾值電流為14 mA，工作溫度為35 ℃到45 ℃。探測(cè)器選用美國(guó)GPD銦鎵砷InGaAs光電探測(cè)器，其響應(yīng)波長(zhǎng)范圍可以覆蓋2 004 nm附近的CO2吸收譜線。數(shù)據(jù)采集采用研華PCI-1714L數(shù)據(jù)采集卡，最大采樣速度達(dá)30 MHz。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生50 Hz鋸齒波掃描信號(hào)和200 kHz正弦波調(diào)制信號(hào)，上位機(jī)采樣速率為10 MHz。

圖1 水稻種子呼吸檢測(cè)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of rice seed respiration detection system

實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程如下：(1)接通電源，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，打開(kāi)采集程序；(2)將種子放入呼吸容器中，關(guān)閉進(jìn)出氣閥門，蓋上蓋子保持容器密閉；(3)打開(kāi)激光器及其控制器，激光器溫度設(shè)定在一固定值使中心波長(zhǎng)定位在CO2氣體吸收峰處，并為激光器提供調(diào)制信號(hào)，激光器發(fā)出的光束通過(guò)準(zhǔn)直器進(jìn)入種子呼吸容器氣體吸收池中，經(jīng)過(guò)多次反射，由光電探測(cè)器接收轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集卡；(4)數(shù)據(jù)采集后經(jīng)前置放大板放大后由鎖相放大器解調(diào)，得到氣體吸收光譜的二次諧波信號(hào)。經(jīng)過(guò)后續(xù)分析處理，反演得到CO2氣體濃度值。

1.3 種子處理

有研究表明，種子引發(fā)可以提高種子發(fā)芽率，促進(jìn)種子的萌發(fā)和出苗[13-14]，所以為了更好測(cè)量種子的呼吸作用，通過(guò)浸種促進(jìn)種子呼吸再進(jìn)行CO2濃度測(cè)量。首先將夢(mèng)兩優(yōu)黃莉占水稻種子分別浸泡0、12、24、36和48 h，利用TDLAS技術(shù)對(duì)不同浸種時(shí)間的種子呼吸釋放的CO2濃度進(jìn)行連續(xù)10 h的測(cè)量，通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果分析探尋最佳浸泡時(shí)間。再對(duì)不同收獲期水稻種子按最佳浸泡時(shí)間處理，放入種子呼吸容器中進(jìn)行CO2濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，記錄數(shù)據(jù)，然后將種子呼吸數(shù)據(jù)與發(fā)芽試驗(yàn)獲得的活力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。

以收獲期為9月4日的水稻種子為例。試驗(yàn)時(shí)將水稻種子從冷藏室取出，在常溫下放置12 h后，選擇飽滿的水稻種子稱量5 g進(jìn)行預(yù)處理：(1)消毒處理，配置0.5%次氯酸鈉溶液，將清洗干凈的水稻種子浸泡在溶液中，進(jìn)行10 min滅菌處理，取出后用清水沖洗3次。(2)浸泡處理，將消毒之后的種子浸于清水中，浸泡實(shí)驗(yàn)所需時(shí)長(zhǎng)，浸泡溫度控制在25 ℃，將達(dá)到浸泡時(shí)間的種子取出并用吸水紙吸干種子表面水分，放入種子呼吸容器中，并將呼吸容器密封，開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)記錄水稻種子放入呼吸容器后10 h內(nèi)連續(xù)測(cè)量的CO2濃度，每組樣本重復(fù)3次上述實(shí)驗(yàn)，將3次測(cè)量的結(jié)果取平均值，得到CO2呼吸強(qiáng)度變化曲線。

1.4 發(fā)芽及田間試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)：從不同活力水稻種子樣品中進(jìn)行取樣，以100粒為重復(fù)，試驗(yàn)重復(fù)4次，采用紙上發(fā)芽，種子之間保持一定距離，保證種子足夠的生長(zhǎng)空間的同時(shí)防止發(fā)霉種子間的相互感染。按標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)的要求進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，在20 ℃黑暗下培養(yǎng)16 h，30 ℃光照下培養(yǎng)8 h。第2天開(kāi)始記錄發(fā)芽種子數(shù)，直至第14天，并測(cè)定幼苗長(zhǎng)度。發(fā)芽率是試驗(yàn)測(cè)試種子發(fā)芽數(shù)所占種子總數(shù)的百分比，計(jì)算各樣品種子活力指標(biāo)。

淹水3 d發(fā)芽試驗(yàn)：將浸種處理后的種子均勻淹沒(méi)于盛有清水的發(fā)芽盒內(nèi)，淹沒(méi)3 d，淹水深度3 cm，再采用標(biāo)準(zhǔn)法進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)14 d。

田間出苗試驗(yàn)：田間出苗驗(yàn)證試驗(yàn)在浙江省湖州市和臨安市同時(shí)進(jìn)行，采用0.2%三氯異氰尿酸浸種48 h，均勻播在育秧盤內(nèi)，以地面幼苗長(zhǎng)度達(dá)到1 cm為成苗，測(cè)量秧苗土面至葉尖長(zhǎng)度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 最小二乘法與濃度反演

測(cè)量得到的二次諧波信號(hào)的峰值是與氣體濃度成正比關(guān)系的，因此可以直接根據(jù)處理后的二次諧波信號(hào)幅度，來(lái)反演待測(cè)氣體的濃度。在相同試驗(yàn)參數(shù)條件下，將測(cè)量系統(tǒng)中的種子呼吸容器分別充入濃度值為1 186、1 376、1 576、1 780和1 976 mg·m-3的CO2氣體，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)得的二次諧波信號(hào)，對(duì)測(cè)得的待測(cè)氣體的二次諧波信號(hào)進(jìn)行最小二乘法線性擬合得到擬合系數(shù)，根據(jù)擬合曲線計(jì)算出測(cè)量氣體的濃度。如圖2所示，本系統(tǒng)的CO2濃度值與二次諧波信號(hào)函數(shù)關(guān)系為y=3138.37x+274.71，其中x為二次諧波峰值，y為CO2濃度值。

圖2 CO2濃度與二次諧波峰值的線性關(guān)系Fig.2 Linear relationship between CO2 concentration and second harmonic peak

1.5.2 數(shù)據(jù)采集與處理流程

首先獲取原始光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行累加平均，去除背景信號(hào)及較大誤差，再進(jìn)行歸一化處理；再設(shè)置解調(diào)參考信號(hào)頻率，為掃描鋸齒信號(hào)頻率的二倍，通過(guò)正交矢量鎖相放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次諧波檢測(cè)，提取二次諧波信號(hào)；然后采用最小二乘法擬合，利用上述已知濃度氣體的標(biāo)準(zhǔn)二次諧波和待測(cè)氣體所測(cè)量二次諧波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，得到氣體濃度。最后將反演出的CO2氣體濃度與種子發(fā)芽試驗(yàn)獲得的活力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論(圖3)。

圖3 數(shù)據(jù)采集與處理流程Fig.3 Data collection and processing flow

1.5.3 相關(guān)性分析

種子呼吸的生理指標(biāo)用種子呼吸強(qiáng)度(也叫呼吸速率respiratory rate)來(lái)衡量，呼吸強(qiáng)度是指一定時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量種子放出的二氧化碳量或吸收的氧氣量，種子呼吸CO2濃度單位采用mg·m-3。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin Pro和SPSS26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

種子的呼吸強(qiáng)度與活力相關(guān)性分析采用相關(guān)系數(shù)(correlation coefficient)，相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

(1)

其中，rxy表示x和y的相關(guān)系數(shù)，x表示在某時(shí)刻種子呼吸產(chǎn)生的CO2濃度，y表示該品種種子經(jīng)發(fā)芽試驗(yàn)得到的活力指標(biāo)，Sxy表示協(xié)方差，Sx表示x的標(biāo)準(zhǔn)差，Sy表示y的標(biāo)準(zhǔn)差。Sxy的計(jì)算公式為：

(2)

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同浸種和測(cè)定時(shí)間水稻種子的呼吸強(qiáng)度

從夢(mèng)兩優(yōu)黃莉占中選取收獲期為9月7日的種子，對(duì)其分別浸泡12、24、36、48 h，并與未浸泡的種子進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。種子在呼吸容器中處于密閉狀態(tài)，通過(guò)呼吸作用釋放的CO2會(huì)在容器中逐漸積累，利用TDLAS系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄呼吸容器中CO2濃度變化，繪制出種子呼吸的CO2濃度曲線如圖4所示。容器中初始CO2濃度為實(shí)驗(yàn)室空氣中CO2濃度，在900～1 050 mg·m-3。水稻種子呼吸產(chǎn)生CO2濃度曲線總體均呈現(xiàn)先增加后逐漸平穩(wěn)狀態(tài)。

圖4 水稻種子在不同浸泡時(shí)間下呼吸強(qiáng)度Fig.4 Rice seed respiration intensity under different soaking time

隨著浸泡時(shí)間的增加，夢(mèng)兩優(yōu)黃莉占種子呼吸產(chǎn)生的CO2濃度越高，且浸泡36 h與浸泡48 h種子的呼出CO2濃度曲線較為接近，在測(cè)量第8小時(shí)后，浸泡36 h的CO2濃度高于浸泡48 h。在測(cè)量第10小時(shí)時(shí)，浸泡36 h呼吸產(chǎn)生CO2的濃度達(dá)到10 151 mg·m-3(圖5)，顯著高于其他浸泡時(shí)間的CO2濃度，即浸泡36 h的種子呼吸強(qiáng)度最高。呼吸強(qiáng)度最弱的浸泡時(shí)間為0 h即未浸泡，其種子呼吸產(chǎn)生CO2的濃度為388 mg·m-3；浸泡一段時(shí)間與未浸泡的種子呼吸強(qiáng)度區(qū)分明顯，說(shuō)明適當(dāng)?shù)慕N時(shí)間種子呼吸強(qiáng)度明顯提高。

圖5 不同浸泡時(shí)間的種子10 h內(nèi)呼吸產(chǎn)生的CO2濃度Fig.5 The concentration of CO2 produced by seeds with different soaking times during respiration within 10 hours

2.2 水稻種子活力與其呼吸強(qiáng)度的關(guān)系

2.2.1 不同收獲期水稻種子呼吸強(qiáng)度

通過(guò)對(duì)上述不同浸泡時(shí)間下種子呼吸強(qiáng)度的研究表明，種子浸泡36 h可以達(dá)到最佳的呼吸強(qiáng)度，以此為基礎(chǔ)，將不同收獲期種子浸泡36 h后，分別測(cè)量其呼吸強(qiáng)度，連續(xù)測(cè)量10 h左右，記錄數(shù)據(jù)并繪制出呼吸強(qiáng)度變化曲線。

測(cè)量時(shí)，容器中CO2初始濃度在900～1 050 mg·m-3范圍內(nèi)，水稻種子呼吸產(chǎn)生CO2的濃度曲線總體均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)再緩慢趨于平緩的趨勢(shì)(圖6)。每個(gè)收獲期水稻種子在開(kāi)始測(cè)量的前3小時(shí)內(nèi)，種子呼吸產(chǎn)生CO2濃度曲線斜率較小，曲線略有交叉，說(shuō)明種子呼吸產(chǎn)生CO2濃度較低，呼吸作用較弱，種子呼吸強(qiáng)弱較難區(qū)分；在第4小時(shí)到第8小時(shí)之間種子呼吸作用逐漸增強(qiáng)，呼吸速率提高，呼吸產(chǎn)生的CO2快速增長(zhǎng)，在此階段，不同收獲期種子逐漸呈現(xiàn)呼吸強(qiáng)弱等級(jí)；在第8小時(shí)后，呼吸作用逐漸變慢，CO2釋放量增長(zhǎng)較少，不同收獲期種子間的呼吸強(qiáng)度區(qū)分明顯。不同收獲期水稻種子呼吸強(qiáng)度最高為A4，其次A1、A3、A5三個(gè)收獲期呼吸曲線較為相近且有交叉，最低為A2。在第10小時(shí)不同收獲期A1、A2、A3、A4、A5種子呼吸產(chǎn)生CO2總濃度分別為12 379、10 151、12 695、14 823、11 207 mg·m-3。結(jié)果表明，不同收獲期水稻種子間呼吸強(qiáng)度存在明顯的強(qiáng)弱等級(jí)。

圖6 水稻在不同收獲期呼吸強(qiáng)度Fig.6 Rice respiration intensity in different harvest periods

2.2.2 水稻種子活力與其呼吸強(qiáng)度的相關(guān)性分析

為了進(jìn)行呼吸強(qiáng)度與活力指標(biāo)的相關(guān)性分析，對(duì)選取的夢(mèng)兩優(yōu)黃莉占各收獲期種子進(jìn)行呼吸檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽、淹水發(fā)芽、田間出苗等試驗(yàn)，分別獲得每個(gè)樣品的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、淹水3 d發(fā)芽率及田間出苗率等指標(biāo)，如表1所示。

選取測(cè)量過(guò)程中第1小時(shí)到第10小時(shí)呼吸產(chǎn)生CO2的濃度，對(duì)不同收獲期種子的呼吸強(qiáng)度與活力指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。觀察到在測(cè)量第4小時(shí)種子呼吸開(kāi)始呈現(xiàn)強(qiáng)弱等級(jí)，夢(mèng)兩優(yōu)黃莉占(表2)呼吸強(qiáng)度與各活力指標(biāo)最高可達(dá)到0.97、0.96、0.97、0.77及0.65，其平均值按相關(guān)性高低可列為發(fā)芽率(0.89)/發(fā)芽指數(shù)(0.89)>發(fā)芽勢(shì)(0.87)>田間出苗率(0.56)>淹水3 d發(fā)芽率(0.46)。結(jié)果表明，種子呼吸強(qiáng)度與發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)具有顯著相關(guān)性，與田間出苗率和淹水3 d發(fā)芽率指標(biāo)具有較高的相關(guān)性。

3 討論

3.1 浸泡時(shí)間對(duì)種子活力的影響

水分是影響種子萌發(fā)的重要條件，當(dāng)種子內(nèi)自由水含量降低后種子進(jìn)入休眠或靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)自由水增多時(shí)，才有可能使酶活化而起催化作用[15-18]，吸水后的種子生命活動(dòng)會(huì)逐漸增強(qiáng)。若浸種的時(shí)間過(guò)短種子沒(méi)有吸足水分，難以滿足物質(zhì)的代謝需求，會(huì)導(dǎo)致種子不能正常發(fā)芽。浸種的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)種子吸水過(guò)多，大量的水分阻隔了氧氣會(huì)導(dǎo)致種子的呼吸受阻，種子萌發(fā)滯后，發(fā)芽率下降[19-20]。本研究中，經(jīng)過(guò)淹水3 d處理對(duì)種子活力影響程度不一致，但大部分種子的發(fā)芽率都顯著下降，說(shuō)明種子浸泡過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，降低了種子的發(fā)芽率。陳娟等[21]對(duì)辣椒種子在淹水脅迫下研究同樣表明適宜的淹水可以對(duì)種子起到預(yù)浸作用，過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短的淹水時(shí)間都不利于種子發(fā)芽。結(jié)合呼吸強(qiáng)度的強(qiáng)弱對(duì)比初步得出最優(yōu)浸種時(shí)間為36 h，這時(shí)水稻種子吸收了充足的水分，種子呼吸作用增強(qiáng)。在一定浸泡時(shí)間內(nèi)種子呼吸強(qiáng)度隨時(shí)間的增加而增強(qiáng)，超過(guò)一定時(shí)間后，種子呼吸強(qiáng)度下降，這與張麗波等[22]的研究結(jié)果較為一致。陳麗等[23]也通過(guò)研究不同浸泡時(shí)間下的水稻種子發(fā)現(xiàn)在一定的溫度條件下，可適當(dāng)延長(zhǎng)種子的浸種時(shí)間，但不能超過(guò)48 h，延長(zhǎng)浸種時(shí)間種子的發(fā)芽率會(huì)明顯下降。由于浸泡間隔時(shí)間為12 h，今后可以進(jìn)一步降低浸泡間隔時(shí)間，系統(tǒng)試驗(yàn)研究并探索驗(yàn)證種子的生理機(jī)制。

3.2 種子呼吸強(qiáng)度變化規(guī)律

關(guān)于夢(mèng)兩優(yōu)黃莉占不同收獲期的種子呼吸強(qiáng)度的研究，通過(guò)連續(xù)10 h以上的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在測(cè)量開(kāi)始前3 h種子呼出CO2濃度曲線變化率較小，不同收獲期呼吸曲線略有交叉，呼吸強(qiáng)弱等級(jí)較難區(qū)分。隨著測(cè)量時(shí)間延長(zhǎng)，容器中積累的CO2逐漸升高，不同收獲期種子呼吸曲線區(qū)分明顯，呈現(xiàn)出不同等級(jí)呼吸強(qiáng)度。種子呼吸產(chǎn)生CO2濃度總體呈現(xiàn)先增長(zhǎng)再趨于平緩的趨勢(shì)?？赡艿慕忉屖欠N子開(kāi)始測(cè)量時(shí)環(huán)境中氧氣充足，種子處于正常呼吸狀態(tài)，由于測(cè)量環(huán)境密閉，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后在密閉空間中氧氣被種子呼吸所消耗，空氣中CO2濃度較高，對(duì)種子呼吸產(chǎn)生了抑制作用，種子呼吸強(qiáng)度減弱，CO2增加量減少。目前，關(guān)于種子活力檢測(cè)試驗(yàn)大多基于種子萌發(fā)初始階段[24-25]，鮮有對(duì)浸泡后種子呼吸強(qiáng)度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。但種子呼吸環(huán)境中氧氣含量低，產(chǎn)生CO2過(guò)多，會(huì)抑制呼吸作用，這與潘威等[9]基于氧傳感技術(shù)測(cè)定萌發(fā)階段處于低O2狀態(tài)下的煙草種子呼吸作用減弱的研究結(jié)果較為相似。今后可以將檢測(cè)樣品數(shù)量降低，或者增加呼吸檢測(cè)儀器容量，以及采用抽氣等方法，對(duì)種子呼吸過(guò)程進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，從而獲得種子呼吸的完整變化趨勢(shì)。通過(guò)延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間進(jìn)一步系統(tǒng)試驗(yàn)研究不同品種、不同環(huán)境下種子呼吸變化趨勢(shì)。

3.3 種子呼吸強(qiáng)度與活力指標(biāo)相關(guān)性

本研究是基于TDLAS技術(shù)測(cè)量種子呼吸過(guò)程中產(chǎn)生CO2的濃度來(lái)表征種子呼吸強(qiáng)度。種子呼吸作用是種子吸收空氣中的氧氣，將體內(nèi)的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成二氧化碳和水，同時(shí)將儲(chǔ)存在有機(jī)物中的能量釋放出來(lái)的過(guò)程。高活力種子的呼吸能力強(qiáng)，低活力種子的呼吸能力弱[26-27]。相關(guān)性分析表明，種子呼吸強(qiáng)度與發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、淹水3 d發(fā)芽率及田間出苗率均具有正相關(guān)性，尤其與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽活力指標(biāo)相關(guān)性較為顯著(表2)。進(jìn)而推斷，對(duì)于相同品種的水稻種子，呼吸強(qiáng)度與活力指標(biāo)均具有較高的相關(guān)性，并且通過(guò)種子呼吸強(qiáng)度可以對(duì)發(fā)芽率進(jìn)行預(yù)測(cè)。張少英等[28]對(duì)甜菜種子的研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)與呼吸強(qiáng)度呈正相關(guān)，這與本研究結(jié)果較為一致。種子標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、呼吸強(qiáng)度與田間出苗率均存在正相關(guān)性，比較而言，呼吸強(qiáng)度與田間出苗率相關(guān)性更高，可以作為判斷種子活力高低的參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，種子呼吸強(qiáng)度與各活力指標(biāo)均具有較高的相關(guān)性，因此種子呼吸強(qiáng)度作為種子活力評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的代表性和準(zhǔn)確性。

在大量研究工作中，種子活力與作物產(chǎn)量性狀密切相關(guān)[29-30]，種子活力快速、無(wú)損、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法是種子活力檢測(cè)方法的重要發(fā)展方向[31-32]。TDLAS技術(shù)具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、分辨率高等特點(diǎn)，采用TDLAS技術(shù)對(duì)種子呼吸強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，可以間接進(jìn)行鑒定種子活力等級(jí)，這為目前種子的活力測(cè)量研究提供了一個(gè)新的技術(shù)方法。

4 結(jié)論

本文利用自主設(shè)計(jì)的高精度種子呼吸檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)夢(mèng)兩優(yōu)黃莉占種子呼吸產(chǎn)生CO2的濃度進(jìn)行測(cè)量，并做標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)?？芍?，不同浸泡時(shí)間下，種子呼吸產(chǎn)生CO2的濃度具有明顯變化，實(shí)驗(yàn)中選取的0、12、24、36、48 h五組浸泡時(shí)間中，浸泡36 h其呼吸強(qiáng)度達(dá)到相對(duì)高值；對(duì)種子進(jìn)行連續(xù)呼吸監(jiān)測(cè)，其呼出CO2濃度曲線存在先上升后趨于平緩狀態(tài)；通過(guò)將種子的呼吸強(qiáng)度與不同收獲期發(fā)芽試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)種子的呼吸強(qiáng)度和發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、淹水3 d發(fā)芽率及田間出苗率具有較強(qiáng)的相關(guān)性，這說(shuō)明通過(guò)測(cè)量種子呼吸強(qiáng)度可以間接進(jìn)行種子活力等級(jí)測(cè)量。