西葫芦种子结构与发芽的关系以及提高种子质量的处理技术

王德欣 吴 萍,3* 季延海 钟启文 宋顺华 张海军,3 刘明池, 李海真,3

(1.北京市农林科学院 蔬菜研究中心/农业部华北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室/农业部都市农业(北方)重点实验室/蔬菜种质改良北京市重点实验室，北京 100097；2.青海大学 农林科学院，西宁 810016；3.京研益农(北京)种业科技有限公司，北京 100097)

西葫芦(CucurbitapepoL.)是葫芦科南瓜属蔬菜，原产北美洲南部，又称美洲南瓜，具有生育期短、耐贮运和高产等优点，是目前设施生产面积仅次于黄瓜的一种重要的瓜类蔬菜[1-2]。在西葫芦生产中，种子质量是稳产和高产的重要基础，授粉次数、种瓜节位、成熟度和环境等因素均会影响其发育成熟和种子活力[3-4]，从而影响幼苗的生长和发育，进而影响经济效益。

精选处理通过去除死种子和劣种子而有效提高种子质量，该处理技术应用的前提是根据种子批特性找到适宜的精选方法。精选方法的建立主要基于找到种子批中死种子、劣种子与正常种子在大小、形状、密度、表面质地或颜色等物理特性方面存在的主要差异[5-8]。有多种方法可以测定单粒种子物理特性之间的差异，其中X-射线成像分析技术是比较成功的方法之一，可用于非破坏性评价种子内部或外部特征。将经过结构特征分析的种子再进行发芽试验，可以建立两者之间的对应关系，从而有可能形成适宜的精选方法，用于提高种子质量[9-10]。

引发处理是一种能有效提高种子萌发特性的技术，已被证明具有提高种子萌发速度和出苗一致性、克服种子萌发障碍和提高种子活力等多方面的效果，并且对多种蔬菜种子有效[11-14]。引发处理的实施可以采取不同的方法，不同种子适宜的方法和实施条件可能不同，需要确认有效的方法才能保证处理效果[15-16]。

本研究通过软X射线成像法研究了西葫芦种子结构与发芽特性的关系，建立了一种依据X射线成像结果对西葫芦种子进行精选和分类的方法；通过研究比重选和引发处理对西葫芦种子萌发特性及成苗效果的影响，建立了一套提高西葫芦种子质量的综合处理技术，以期为种子企业在种子质量提升方面提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试西葫芦种子品种为‘青葫1号’，由青海大学农林科学院提供。

1.2 试验方法

1.2.1软X-射线成像分析

用软X-射线仪(SOFTEX，ISTV-25-1，日本)对每粒种子进行2次成像(由于种子偏大，机器不能一次全覆盖)，分别观察胚根尖和子叶边缘的形态，通过拼接图观察种子总结构形态(拼图只进行了亮度和对比度调节，未做其它修饰)。用ZET-1软件逐粒测量子叶最宽处边缘至种皮边缘的直线距离(两边距离测量距离大的一边)，用字母D表示，作为种子平面饱满度指标。按照测定顺序进行单粒种子编号，测定后的种子用于纸间发芽试验。

1.2.2种子比重选

用种子精选机(KM，KIYA SEISAKUSHO，日本)进行比重选，风量选择9。根据种子比重差异分为2个部分，比重大的部分标记为大种子，比重小的部分标记为小种子。

1.2.3种子引发

在容器中加入种子重量20%的1%硝酸钾溶液，混合均匀后放置在20 ℃下，每天搅拌1～2次，每次搅拌30 s，分别在处理5、6和7 d后取出，室温晾干，分别标记为T5、T6和T7。

1.2.4种子发芽

本研究共采用3种方法进行种子发芽试验，分别为纸间发芽、沙床发芽和穴盘育苗。纸间发芽方法用于观察经过软X-射线成像后的带有序号标记的单粒种子发芽情况，研究种子结构与萌发特性的关系；沙床发芽方法用于实验室内标准发芽结果检测；穴盘育苗方法是为了使种子发芽及幼苗生长状况与实际生产更加接近，在更符合实际生产条件的情况下统计各项生长指标，提升数据说服力。发芽试验中用作对照(CK)的种子都是未经任何处理的干种子。3种发芽方法详述如下：

纸间发芽：采用30.5 cm×46 cm的发芽纸(Anchor，美国)，每张纸加水32 mL，试验设置CK、大种子和小种子3个处理，每处理20个重复，每个重复10粒种子，并在纸上将种子编号。将种子置于光照培养箱内，25 ℃恒温，8 h光照条件发芽，第8天根据发芽情况分别统计记录每个处理正常种子、畸形种子和死种子数量。

沙床发芽：在发芽盒中进行，每盒加1 kg沙和140 g水，混匀后取出280 g湿沙覆盖在种子表面。比重选试验设置CK、大种子和小种子3个处理，第4天统计发芽势和发芽指数，第8天统计发芽率；种子引发试验设置CK、T5、T6和T7 4个处理，第4天统计发芽势，第8天统计发芽率，记录畸形苗数量，同时逐粒测量子叶长度和子叶宽度，每100株测1次干重。以上试验均设置8个重复，每个重复50粒种子。25 ℃恒温，8 h光照条件下发芽，子叶出土2/3以上计为发芽。

穴盘育苗：将经过比重选并引发7 d的种子(T7大种子)和CK种子进行穴盘育苗试验。采用72孔穴盘，每孔播种1粒，3次重复，基质采用草炭∶蛭石∶珍珠岩(体积比2∶1∶1)混合，播种后置于玻璃日光温室统一管理，白天温度不高于30 ℃，晚上温度不低于20 ℃。分别于第16、25和32天随机选取6株测定幼苗生长指标和壮苗指数。

1.3 测定指标

发芽势(率)=供试种子的发芽数/供试种子数×100%

(1)

式中：发芽势在第4天统计，%；发芽率在第8天统计，%。

发芽指数(GI)=ΣGt/Dt

(2)

式中：Gt为在第t日的发芽数，粒；Dt为发芽天数，d。

壮苗指数=(茎粗/株高+根干重/地上部干重)×全株干重

(3)

式中：茎粗为茎基部最粗部分的直径，cm；株高为茎基部至生长点的高度，cm；干重为100 ℃杀青0.5 h，然后80 ℃烘干1 h后的重量，g。

1.4 数据统计及分析

数据差异显著性分析采用SPSS 17.0统计分析软件。

2 结果与分析

2.1 软X-射线法对不同类别种子的鉴定

2.1.1不同类别种子内部形态的观察

取比重选后的大种子、小种子和对照种子各200粒，逐粒编号标记并采集软X-射线成像图，然后将上述600粒种子按照顺序进行纸间发芽试验，根据发芽结果把600粒种子分为3个类型：正常种子、畸形种子和死种子(GB/T 3543.4—1995)。分析3类种子对应成像图的结构特点。

正常种子结构(图1(a))的特点为：胚结构正常，种子饱满，子叶边缘清晰(说明子叶有一定厚度)。600粒种子中利用发芽试验法鉴定出399粒正常种子，利用软X-射线成像法鉴定，符合上述特征的有392粒，有7粒不符合，识别率为98.2%(表1)。

发芽试验法鉴定出畸形种子共22粒，软X-射线成像法鉴定出6粒存在明显的结构异常，如(图1(g)～(h))胚根偏薄，识别率为27.3%。多数种子结构与正常种子相似，不能区分。

死种子的结构具有以下1种或几种特点：胚结构不规则，明显畸形(图1(b)～(c))；胚根部位畸形(图1(e)～(f))；子叶基本没有发育或厚度显著不够(图1(d))。对比分析发芽试验法鉴定出的全部179粒死种子，利用软X-射线成像法鉴定，符合上述特征的有118粒，识别率为65.9%。

(a)正常种子；(b)～(f)死种子；(g)～(h)畸形种子。红色箭头表示种子平面饱满度。(a) Normal seeds; (b)-(f) Dead seeds； (g)-(h) Abnormal seeds. Red arrows represent seed plane fullness.图1 西葫芦种子软X-射线成像图Fig.1 The soft X-ray image of zucchini seeds

全部测定的600粒种子，按照上面描述的结构特点，以发芽试验法鉴定结果为参考，软X-射线成像法能够进行正确分类的3类种子合计516粒，正确识别率为86.0%(表1)。

表1 发芽试验法与软X-射线成像法对3类种子判定结果比较Table 1 Comparison of germination test and soft X-ray imaging method for the detection of the three types of seeds

2.1.2种子平面饱满度与种子发芽特性的关系

除了上述平面形态的差异，一些死种子和畸形种子还表现出在子叶厚度和宽度上的不足。由于所用机器的限制，不能准确分析子叶厚度。对3类种子平面饱满度D值进行测定，结果表明正常种子平均D值为1.09 mm，畸形种子平均D值为1.16 mm，比正常种子高6.4%，死种子平均D值为1.28 mm，比正常种子高17.4%。以上结果表明，高质量种子即正常种子饱满度较高，平均D值最小，低于畸形种子和死种子平均D值，自由空间最小(表2)。因此，平面饱满度D值可以作为评价种子质量高低的指标。死种子和畸形种子平均D值较高，说明其在生长过程饱满度不足，可以采用比重选等方法将其分离。

表2 不同类型种子平面饱满度比较Table 2 The comparation of the seed plane plumpness inside among three types of seeds

2.2 比重选对西葫芦种子质量的影响

用沙床发芽方法测定比重选后得到了大、小种子和CK的发芽特性。结果表明，比重选后得到的大种子的发芽势、发芽率和发芽指数均比CK高(表3)。而应该弃去的小种子发芽势、发芽率和发芽指数明显低于CK和大种子，种子质量差。以上结果表明可以通过比重选将活力低和质量差的种子分开，使种子质量得到提升。

表3 比重选对西葫芦种子发芽的影响Table 3 The effects of specific gravity selection on the Zucchini seed germination

2.3 种子引发对种子发芽及种苗质量的影响

3种不同条件的引发处理均能促进种子萌发，促进幼苗生长。表4为置床8 d后的统计结果，沙床发芽试验结果表明，与对照相比，不同引发处理能够提高发芽势和发芽率，其中发芽势差异显著，对幼苗生长影响明显，子叶长度、宽度和干重均显著提高。

表4 不同引发处理对西葫芦种子发芽及幼苗生长的影响Table 4 The effects of different seed priming treatments on the seed germination and seedling growth

其中以T7处理结果最好，发芽势较对照提高14.00%，发芽率提高6.50%，子叶长度增加9.09%，子叶宽度增加16.27%，植株干重增加7.71%，畸形苗数量显著下降，壮苗效果明显。

2.4 比重选与T7引发处理对西葫芦种子穴盘育苗的影响

为了检验比重选和引发处理在实际生产应用中的效果，将比重选后的大种子进行T7引发处理(T7引发处理效果最好，处理后的种子标记为T7大种子)。将CK和T7大种子进行穴盘育苗试验。结果显示，与CK相比，T7大种子在出苗(表5)和幼苗生长(表6)上的优势明显。处理后的种子出苗快，10 d出苗率46.67%，比对照提高1倍，15 d出苗率达到90.56%，较对照提高26.12%(表5)。

表5 T7大种子处理对西葫芦穴盘出苗的影响Table 5 The effects of specific gravity selection and T7 priming on the zucchini plug seedling emergence %

T7大种子不仅出苗率高，在幼苗生长特性上也能体现处理效果。T7大种子种苗粗壮，表现在前期茎粗和后期株高优于对照(表6)。16 d幼苗株高是对照的83.72%，茎粗比对照高8.68%，25 d幼苗株高已经达到对照97.97%，但茎粗比对照高13.06%。随着幼苗叶片增多，光合作用增强，幼苗营养生长加快，32 d的幼苗株高比对照高32.41%，茎粗则与对照无明显差异。比重选加引发处理还提高了西葫芦幼苗的鲜重、干重和壮苗指数(表6)，T7大种子种苗地上部和地下部鲜重分别较对照提高13.50%～38.97%和6.54%～43.75%，地上部和地下部干重分别较对照提高0.65%～28.05%和2.80%～36.58%。通过以上试验表明，经过比重选加T7引发处理后的种子出苗快，而且幼苗表现为前期粗壮后期生长强势的特点，能够达到提高种子质量和壮苗的效果。

表6 T7大种子处理对西葫芦幼苗生长的影响Table 6 The effects of specific gravity selection and T7 priming treatment on the zucchini seedling growth

3 讨论与结论

软X-射线成像技术已被用于多种种子的生理质量检测，例如筛除辣椒死种子和劣种子[17]、检测玉米种子内部伤害[9]和预测番茄种子引发程度[10]等，该技术可以用于种子质量控制[18]。本研究结果表明，对于西葫芦种子，正常、畸形和死种子在形态结构上存在明显差异，此方法可用于西葫芦种子精选。此外，从西葫芦种子成像图片还可看出，畸形和死种子在形态上的异常可能是在种子生产过程中发育不良造成，而不是采收加工过程的伤害或者贮存过程的老化引起。同时本研究还发现，种子发芽特性与种子平面饱满度密切相关，即种子内部自由空间越大，形成畸形或死种子的可能性越大，种子质量也越差。通过比重选得到的小种子，其内部自由空间大，种子质量差，而大种子各项生理指标得到显著改善，种子质量高，也证明了种子平面饱和度与种子质量的关系。

比重选和种子引发技术都能够提高种子生理质量。比重选主要通过机械筛选，将破碎种子及质量差的种子筛除；而引发主要是通过提高种子生理质量，主要表现在加速种子萌发，提高整齐度和抗逆性，其主要机理是诱导细胞膜修复，促进RNA和蛋白质合成，增强能量代谢，促进细胞分裂[19]。前期沙床发芽试验证明，比重选和引发处理均能提高西葫芦种子质量。比重选能够将质量差的种子筛除，明显提高种子发芽率，大种子较对照发芽率由82.75%提高到90.25%，而小种子发芽率仅为23.25%，其中死种子的占比高达73.50%，以上结果说明适宜条件的比重选可以去除大部分死种子从而提升种子质量。引发处理从种子萌发速度和整齐度方面提高了种子质量，T7处理种子发芽势由75.25%提高到89.25%。同时进行比重选和引发处理(T7大种子)对种子质量提升效果明显，子叶长、宽度和植株生物量等多个生长指标得到明显提高，壮苗效果显著。经过比重选和引发处理的种子在穴盘育苗阶段展现了比实验室发芽试验更好的处理效果，不仅提升出苗率，而且株高、茎粗、植株干重和壮苗指数等多个生长指标比对照种子得到明显提高，比重选结合种子引发技术能够显著提高种子质量，达到壮苗效果。

综上，本研究利用软X-射线成像技术检测了西葫芦种子质量，发芽试验结果和软X-射线成像图一一对应研究结果表明，西葫芦种子结构和发芽特性密切相关，种胚结构完整，种子内部自由空间小，饱满度高，种子质量则越高，软X-射线成像技术对正常种子的综合识别率达到86.0%。通过比重选和引发处理可有效改善西葫芦种子萌发特性，提升种苗质量，促进种苗生长。随着技术的发展进步，有望实现软X-射线成像技术、比重选和种子引发等多个技术的有机结合，形成一套产业化应用技术，筛选高质量种子，从种子源头上为农业生产保驾护航，具有广阔的市场应用前景。