种子检验技术的现状与发展
2014-07-18 09:14:20   来源:  作者:  评论:0  点击:

种子检验技术的现状与发展王召杰(山东农业大学农学院, 山东泰安 271018)摘要:随着现代科学技术的发展,生物技术、信息技术等新技术在种子检测中逐步得到应用,特别是分子标记技术为品种鉴定提供了新的手段,免疫技术、计算机技术在种子管理和检验方面都有广阔的应用前景,种子检验在检验技术、检验理论等方面均取得了显著成就,这些都促进了种子检
 

种子检验技术的现状与发展

 

王召杰

(山东农业大学农学院, 山东泰安  271018

 

摘要:随着现代科学技术的发展,生物技术、信息技术等新技术在种子检测中逐步得到应用,特别是分子标记技术为品种鉴定提供了新的手段,免疫技术、计算机技术在种子管理和检验方面都有广阔的应用前景,种子检验在检验技术、检验理论等方面均取得了显著成就,这些都促进了种子检测学的不断发展。文章通过对种子检验技术近年来国内外研究成果的总结,阐述了种子检验发展历程。通过分别对种子检验研究的三个主要方面,即种子纯度检验、种子活力检验和种子健康检验,分别探讨了科技进步及技术发明对三者的推动作用。最后对种子检验在种子国际贸易中的作用作了进一步阐释。

关键词: 种子检验技术;纯度;活力;健康度;发展;种子贸易

 

 

生产力是人类运用各类专业科学工程技术,制造和创造物质文明和精神文明产品,满足人类自身生存和生活的能力。科学技术作为第一生产力,尤其是现代科学技术发展的特点和现状告诉我们,科学技术特别是高技术,正以越来越快的速度向生产力诸要素全面渗透,同它们融合。而种子检验科学技术的发展正是生产力发展史的一段缩影。公元前372年,希腊人Theophrastus认为种子萌发取决于土壤、水分、温度、气候以及种龄。他曾注意到土壤和土中水分、温度影响种子的萌发,特别是萌发速度。一般春季种子萌发较快。而我国早在魏晋南北朝时期就具有了一系列种子检验的有关知识 [1]。例如,从麻子断面以及口含后是否变色来鉴别种子的优劣。这是我国古人创造的种子感官检验法,很有实用价值,流传至今在检验种子质量上广泛应用着,如在种子纯度检中验籽粒形态法。随着近代一系列科学技术(如分子标记,电泳技术,计算机识别等)的出现,种子检验不再仅仅停留在感官上,而取得了长足的发展。下面分别介绍种子检验研究的三个主要方面,即种子纯度检验、种子活力检验和种子健康检验的发展情况。

1 种子纯度检验

据《王祯农书·垦耕篇第四》中记载 “……若诸色种子,年年拣净,别无稗莠,数年之间,可无荒秽,所收常倍于熟田。”这是讲收割庄稼时,谷物中常常混入杂草和其他种子,因此在播种前一定要净化种子并进行选种,对种子纯度提出了要求。这也是我们要介绍的第一种方法。

1.1 形态检验

形态学方法是检验人员借助放大镜、解剖镜等工具,依据某一作物品种不同于其他品种的特定的外观形态特征来进行鉴定的方法。

1.1.1 籽粒形态鉴定

根据种子形状、大小、色泽、质地、表面的光与毛以及种子外表各部位的特征来加以鉴别,以区分本品种与异品种。如在玉米杂交种籽粒形态鉴定中以杂交种的粒色和顶色为标志性性状并利用种子花粉直感现象,可以直接鉴定种子的纯度。

1.1.2 幼苗形态检验法

根据不同品种幼苗的独特性状进行检验,如幼苗芽鞘颜色,幼苗生长锥,子叶的形状、颜色、大小等。如芽鞘的颜色。玉米幼苗的芽鞘一般分紫色与绿色两大类,因品种不同又有深浅之分。该性状比较稳定,不易受环境条件影响。鉴定可与发芽试验结合进行,但须在光照条件下发芽,待芽鞘呈现出固有颜色时,就可从芽鞘的颜色来鉴定品种的真实性和种子纯度。张春庆等[2]1995)通过对39个玉米材料苗期性状的分析,确定了苗期田间纯度鉴定的时期(51心期),明确了叶色、叶缘色、叶鞘色、光泽是苗期纯度鉴定所依据的典型性状。

1.1.3 田问小区种植检验法(成株期形态检验法)

该法是将一定量的作物种子在田问种植一个小区,单粒播种,不间苗,不定苗,并设有标准品种小区作对照,成株期依据其主要特征鉴定纯度,这是最为通用的且比较可靠的方法,但是往往略显麻烦。

1.2 生化技术检验法

用生化技术鉴定种子纯度的方法近年来发展很快,应用面广,准确性高。目前用生化技术鉴定品种纯度,主要是利用电泳技术分离种子内某一成分的化学组成,根据其变异来鉴定品种真实性和种子纯度。自1809年俄国物理学家Рейсе 首次发现电泳现象起,电泳技术已经得到了飞速发展,其中由80年代发展起来的新的毛细管电泳技术,是化学和生化分析鉴定技术的重要新发展,己受到人们的充分重视。正是以此为基础,种子纯度检验进入电泳时代。

1.2.1 同工酶电泳法

同工酶是指来源相同,催化相同反应而结构不同的酶分子类型,具组织、发育和品种间特异性。杨太兴等(1991)运用脂酶和过氧化物酶同工酶电泳技术,对15个玉米常用品种及其亲本种子进行酶谱纯度检验,从样品制备到图谱分析的设备和技术进行了改进,形成了一套标准检测技术体系。研究发现供试自交系的脂酶酶谱显著不同,而过氧化物酶谱差异比脂酶小,但在有些自交系之间仍存在差异。贾希海等[3]1992)采用脂酶同工酶技术对11个玉米杂交种进行酶谱纯度测定,同时进行田间品种纯度检验。

1.2.2 种子贮藏蛋白电泳法

种子中所含的贮藏蛋白质可分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白等。每一类蛋白质的比例因品种而异,但在品种鉴定上多是根据醇溶蛋白(禾谷类)和球蛋白(豆类)的多样性,来进行鉴定。以玉米种子为例,玉米的种子贮藏蛋白电泳主要包括醇溶蛋白的等电聚焦电泳(IEF)和盐溶蛋白的聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)。其中 “玉米种子蛋白质聚丙烯酰胺电泳(PAGE)法”在我国被广泛采用[4]

1.3 分子生物学方法检验

结构学派和信息学派的划时代的发现,即Watson CrickDNA双螺旋学说用分子结构的特征解释生命现象的最基本问题之一——基因复制的机理,从而使生物学真正进入分子生物学的新时代。得益于分子生物学的发展,品种纯度检验从形态观察进入到基因水平。自从20世纪70年代最早提出RFLP方法以来,在十多年间出现了许多DNA标记的检测技术,概括起来分为两类:一类是以Southern转移和分子杂交为基础的技术,如RFLP;另一类是以PER为基础的技术,如RAPDAFLPSSR[3]

1.4 计算机识别技术在种子纯度检验中的应用

自上世纪90年代以来,计算机虚拟技术、识别技术自出现以来依靠雄厚的资金支持在各领域应用中取得显著的成果。随着图像处理技术和机器视觉技术在农业生产中的广泛应用,利用机器视觉技术和图像处理技术进行种子纯度检验已成为可能。当然利用计算机识别技术进行种子纯度检验,实际是利用种子外部形态的不同,可归于第一类。由于方法的特殊性把它单独归为一类。但是,世界上没有完全可信的技术。计算机识别技术仍然是一个在发展中的学科,它也有很多不尽如人意的地方。首先,迄今为止没有任何一个计算机识别技术可以做到100%识别率。密码等传统识别方案,使用或者来通过认证;而大部分计算机识别技术完全是依靠概率来工作的,一般80-95%匹配就可以认为成功通过。这样一来就不可能保证识别总是成功有效[5]。我们不得不面对可能出现的小概率事件:正确的对象不能得到正确的识别;错误的对象却成功通过。并且这种概率缺陷是无法弥补的,我们只有不断提升识别技术来减少可能发生错误事件,而不能完全避免它。当然,计算机识别取代人工视觉检验,不仅降低了外界人为因素所造成的主观误差,其效率也是人工所无法相比的。

综上所述,种子纯度检验技术已由传统的形态学方法发展到分子水平,其方法是由简单到复杂,结果也更加精确。但是,每一种方法都有其自身的优缺点,目前还没有哪一种方法集中了所有优点,能够比较全面、准确、快速、经济地进行种子纯度检验。我们可以根据具体情况选择最适宜的检验方法,追求次优的结果。

2 种子活力检验

《齐民要术·种韭篇》:“若市上买韭子,宜试之。以铜铛盛水,于火上微煮韭子。须臾,牙生者好。牙不生者,是浥郁矣。”[6]这是古人创造的鉴别种子生活力的微煮法。虽然方法原始朴素,但是却相当实用。1876 年种子学的创始人Nobbe发现同一批种子在发芽和幼苗生长速度上存在个体差异,首次提出了长力(driving force)一词即现在的种子活力[7]。在ISTA大会中,种子活力检测的标准方法也随着技术改进不断变化。

2.1 生物化学法

根据种子的抗逆能力,生理活性强度等为指标,利用一系列的生化方法测定种子某一项生理生化指标,作为种子活力的参照。

2.1.1四唑法

凡是有活力的种子,在呼吸作用过程中都有氧化还原反应,当TTC(氯化三苯基四氮唑)渗入种胚的活细胞内,并作为氢受体被脱氢辅酶上的氢还原时,TTC会由无色变为红色的TTF

2.1.2 双氧水法

由于正常代谢活动细胞内含有活跃的过氧化氢酶能使细胞避免过氧化物的伤害,该酶能利用H2O2使各种酚类及芳香族胺发生氧化而产生颜色。此法使用的是联苯胺和a-萘酚,有活力能发芽的种子将被染成红色,如果是无色或黄色则表示失去活力,不能发芽。同TTC的试验方法相同,若胚被染成红色,说明为有活力种子,若为无色或黄色,则为无活力种子[8]

2.1.3 发芽试验

在逆境条件下处理种子,然后按照标准发芽试验进行,测定其发芽势等指标,如训如发芽速度与幼苗生长测定、冷冻测定、人工老化测定等。

2.2 物理方法

随着光谱物理学的发展,一些新的光谱分析技术在种子检验中得到利用。其中.近年来,近红外技术广泛应用于测定农作物的蛋白质、淀粉、脂类、酶、维生素、灰分等。其中,近红外光谱(NIR)分析具有速度快、效率高、成本低、测试重现性好、测量方便等特点,已被越来越多地应用于食品工业、石油化工、制药工业等领域。韩亮亮(2008)等对采用近红外光谱结合主成分.马氏距离模式识别方法鉴别了3种不同活力的燕麦种子.研究结果表明,在40006900cm“波数范围内的光谱,通过SNV(Standard Normal Variate)预处理方法,用4个主成分建立的模型效果最佳,模型对校正集样本和预测集样本的鉴别率都分别达到100[9]

3 种子健康度检验

世界第一家种子检验站于1869年由Nobbe在德国西北部的萨克森省建立,自此种子的发芽率与纯度就成为度量种子批质量的通用项目。1876Nobbe发表了黑穗病菌核及麦角菌硬粒与种子批质量的关系的论文,首次提出了种子健康度的问题[10]。但对种子的健康检验方法除了“肉眼检验”以外,未能提出新的检验方法。

3.1 感官法

即直接检验,以肉眼或借助手持放大镜检查种子是否有霉烂、变色、皱褶、畸形等症状,种子表面是否有菌丝、微菌核等各种子实体。如有异常则挑去病菌部位切片用显微镜检查。另外还可以将种子过筛,检出夹藏在种子间的菌核、菌婴、病株残屑等[8]。这种最为原始的种子健康度检验方法,直到现在仍然被广泛应用。但是其应用范围较窄,往往只能针对真菌细菌等大型菌体。而且,缺乏精确度,且人为操作需接触病菌,往往引起不必要的卫生问题。

3.2 X射线

应用软Χ射线法可以很好地测定种子的饱满度。优良种子是指种子呈白色、透明、内部组织均匀、有立体感、胚或内含物饱满的种子。低劣种子的胚不明显或很小或变形,胚和胚乳明显缩小。空粒是指无胚或无胚乳的种子。半仁粒的胚乳缩成一团,种皮分离。破损粒指种皮、胚、胚乳有一处破裂或分离,或种子内部有虫蛀痕迹。取100(大粒50)种子,4次重复,检测后计算优良度,容许差距同发芽试验[11]

3.3 免疫检测法

在种传病毒检验中往往需用到免疫技术,进行特异性检验。自20世纪的60年代,免疫学有了迅速发展,尤其是抗原检测技术。沈建国等(2009)采用抗原捕获和一步RT-PCR 相结合的方法,并通过反应条件优化,确定一步IC-RT-PCR 的反应程序,同时对该方法的特异性及实际检测效果进行验证。并对菜豆荚斑驳病毒免疫捕获一步RT-PCR 检测[12]

总之种子健康度检验经过一个多世纪的发展,当前在种子领域已成为农业生产稳定持续发展,种子贸易健康进行的有利保证措施。健康度检验技术的发展,提高了海关检疫效率,促进了种子的跨国跨区域贸易。

4 结语

种子检验即利用感官和仪器测定等方法对种子包括其他播种材料进行质量鉴定的过程。作为一项检验活动,其顺利的进行离不开各种辅助器具和系统的方法。科学技术的进步,随着其衍生的专门性技术及仪器发明在种子检验领域中的应用,不断推动着种子检验事业的发展。我们惊喜地发现在国际社会中还存在着像ISTA(国际种子检验协会)这样以提高种子检验质量,推动检验方法全球标准化为己任的非政府组织。据据国际种子贸易协会统计,全球种子贸易总额达300亿美元[13]。而种子检验技术的发展无疑推动了种子国际贸易标准化。需要说明的是,有些技术尚处于研究阶段,还需要进一步更加深人的研究和完善。值得说明的是,新技术不能完全替代传统方法,二者是相互补充的。因此,各检测机构应根据不同作物类型和拥有的技术设备条件,选择适宜、经济、有效的方法来解决农作物种子检测的实际问题,从而进一步推进种子检验、种子贸易的全球化。

 

参考文献:

[1] 成广雷.国内外种子科学与产业发展比较研究[J].2009.

[2] 马学礼,辛学敏等.大田种子纯度检验技术分析[J].农林科技.2009.

[3] 段乃彬,张文兰,李群,陈利容.种子检验技术研究进展.种子科技.2006.

[4] 赵婷,王晓峰.种子纯度检验技术及进展[J].世界农业,2000(11):26-28.

[5] 孙大周.计算机识别技术在安全保护装置改进中的应用[J].微计算机信息.2010.

[6] 贾思勰原著.李立雄,蔡梦鹿点校.齐民要术.北京:团结出版社,1996.

[7] 孙群,王建华,孙宝启.种子活力的生理和遗传机理研究进展[J].中国农业科学.2007.

[8] 张春庆,王建华.种子检验学[M].北京:高等教育出版社,2006.

[9] 韩亮亮,毛培胜等.近红外光谱技术在燕麦种子活力测定中的应用研究[J].红外与毫米波学报.2008.

[10] 王建华,何志昆,茹藓.健康度检验在种子检验中的重要性及其发展[J].种子.2002.

[11] 杜红,路红卫.植物种子的优良度测定[J].种子科技.2007(5).

[12] 沈建国,王念武等.菜豆荚斑驳病毒免疫捕获一步RT-PCR检测[J].中国农学通报.2009(1).

[13] 李异群,常雪松.论中国农产品出口应战动植物检疫壁垒的对策[J].农业经济.2004.

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