【《近红外光谱技术在种子活力检测方面应用研究国内外文献综述》5600字】

近红外光谱技术在种子活力检测方面应用研究国内外文献综述1.种子活力影响因素种子是植物的生殖结构之一，是种子植物繁衍生命的载体。种子活力是种子在不同生长条件下自身所具有的萌发与出苗能力，它能够体现出种子质量的好坏优劣，是用来评价种子利用价值的主要指标，也是种质资源入库保存前的重要检测指标REF_Ref5971\r\h[1-REF_Ref5977\r\h2]。种子活力反映了种子质量的基本信息，是评价种子质量的重要指标之一。对于之前的生产标准来说，判断种子质量主要是以适宜条件下的种子发芽率为指标，但是并没有考虑到在复杂的田间条件下播种时，种子的坚固性和耐储存性，抗逆性，所以存在明显的局限性。因此，自1950年种子活力的概念提出以来，许多专家学者试图改进种子活力的定义，并重新将种子活力界定为：种子快速出苗以及长成正常的幼苗的能力。综合来说，种子活力是对种子整体性能的评估，是一个综合概念，与标准发芽率相比，可以更好地评估种子的质量REF_Ref6300\r\h[3]。遗传因素和外部因素共同决定了种子强度的水平。T:M.Ching研究表明，种子的活力是具有高度遗传性。在杂交后代中，一些表现较好的品种种子活力可以遗传REF_Ref6379\r\h[4]。并且不同基因型的种子强度进行的遗传分析表明，后代种子的强度由上一代种子强度决定REF_Ref6483\r\h[5]。孙海燕等（2006）指出在种子萌发初期，甜玉米大量消耗储存在胚乳中的物质，不仅直接限制了种子萌发所需的能量供应，而且间接导致种子发生一系列生理形状差异，这体现在种子呼吸速率和呼吸效应的增加上，从而导致种子细胞膜修复能力减弱，种子胚乳等内含物质渗出，结果使得玉米种子的活力大大低于普通玉米REF_Ref7871\r\h[6]。种子成熟过程中，外部土壤、温度、降水等环境因素都会影响内部贮藏物质的组成和含量。种子萌芽之前，萌发所需水分是保证种子萌发的前提REF_Ref7927\r\h[7]。由于不同类型种子需水程度各不相同，水分多或水分少都可能对种子萌发产生显著影响。水分不足会引起干旱胁迫，导致种子吸水时间增加，进而降低种子萌发量。水分过多使种子缺乏氧气供给,造成种子腐烂,导致种子无法萌发REF_Ref7982\r\h[8]。有研究表明，干旱胁迫主要是通过影响种子吸水过程，呼吸作用、淀粉水解及碳水化合物的转变进而抑制或促进种子的萌发。并且，在种子的萌发过程中，氧气参与了种子在萌发过程中进行的呼吸活动，营养物质被氧化分解为小分子物质，为种子萌发供能，从而促进种子的生长发育过程REF_Ref8119\r\h[9]。如果水分过多或者土壤覆盖种子过深会导致种子缺乏氧气，不能满足种子萌发的要求。当种子内氧气过少时会进行无氧呼吸，在乙醇脱氢酶作用下产生酒精导致种子腐烂，不利于植物繁殖。曹青（2020）还指出在农业生产中，播种的时间、播种密度都会影响种子出苗率及成苗率REF_Ref8119\r\h[10]。因此，营造良好的贮藏环境和生长发育环境是必不可少的。2.种子活力检测方法我国起初对种子活力的测定方法在蔬菜等农作物方面进行研究分析，后来，高荣岐等[11]在不同种子的活力及生理生化测定方面进行了深入研究。种子活力水平的高低对于种质资源的保护及利用有很大的影响，对于种子的生产者来说是打开种子市场的根本所在[12]。目前，对于种子活力方面的研究具有极其重要的理论意义和实用价值[13]，以种子活力的理论和技术为基础，检测种子活力强弱，并通过育种手段选择亲本，培育高活力品种将是一个重要的研究方向[14]。发芽的测定主要依据幼苗生长速度快，幼苗生长稳健与否，幼苗的高度，大小和重量等生长特性，来评估种子的活力。首先使用抗冷测定法来测定玉米的种子活力，并且结果与早春播种后实际田间出苗一致。然后用抗冷试验结果表征玉米种子批次和品种对低温和土壤真菌侵染的抗性，筛选耐低温和抗性品系[15]。赵光武和王建华的研究（2005）表明，甜玉米种子的发芽率与田间形成率显著相关，纸张发芽率和田间发芽率之间没有差异[16]。Noli等（2010）认为，纸张穿透的发芽率和老化的发芽率可用于评估甜玉米种子的强度并预测田间幼苗的出现[17]。卢新雄（2013）提出采用综合逆境活力法测定小麦和玉米种子活力，并且测定结果与甜玉米种子的出苗率有着很强的关联性[18]。然而，该方法需要很长时间，发芽试验条件要求苛刻，并且在实际应用中受到限制。电导率法作为一种基于生化指标测定种子强度的方法，由于其简单、快速、准确的财产而得到了广泛的研究和实践。通过测量玉米种子提取物的电导率来确定电导率，以预测种子活性水平REF_Ref14014\r\h[19]。对于不同类型的品种，由于其化学成分的不同，影响种子活力的因素也各不相同。3.近红外光谱技术检测种子活力的研究近红外光（nearinfrared，NIR）是指介于紫外-可见光（ultraviolet-visible，UV-Vis）与中红外光（mid-infrared，MIR）之间的电磁波，其波长范围在780-2526nm（波数为12820-3959cm-1），其吸收强度与化学键振动的非谐性有关REF_Ref14014\r\h[20]。近红外光谱技术的使用即基于一组已知样本通过多元校正或模式识别方法建立定性或定量模型，对于待测样本，只需测定其光谱，带入所建的模型便可快速给出结果。近现代以来，除了实验室通用的光谱仪以外，各种专用光谱测量仪及便携式光谱测量仪为人类生活及生产发展提供了各种便利，这是因为光谱技术及配套技术正在不断地发展[21]。从上个世纪80年代起，我国相关的仪器厂家对近红外仪器研究方面做了很多的工作，现在就化学计量学方法的研究和相关软件的开发这两个方面来说，我国现在处于国际先进水平。随着科技的发展，在近红外技术中使用光纤探头得到广泛应用，使得光谱收集更方便。而不同的仪器附件可以方便的对不同环境下的不同状态的样品进行检测REF_Ref14014\r\h[22]。近红外光谱技术在天然产物原料定性以及定量分析中表现了出独特的优势，包括种属[23]、产地[24]、真伪方面鉴定[25]以及有效成分含量快速测定等方面均有较好的效果[26]。吕巨智（2020）研究了近红外光谱技术在玉米种子质量检验上的应用，得出近红外光谱分析技术具有良好的传输性能.检测方式对样本不会造成损害、分析速度更快、适应性更强等特点，可以很好地节约农业经济成本，具有良好的环境效益[27]。近红外光谱技术检测种子活力的工作原理是含有碳氢的有机物质，他们的含氢基团在不同环境中吸收近红外光谱的倍频和合频是不同，近红外光谱能够用来检测含氢碳有机物质的组成。张静（2012）研究表明，随着种子的劣变，种子自身的内部物质都有明显的变化，比如:酶的活性降低、细胞膜变薄、DNA发生降解等一系列内部变化[28]。针对近红外光谱技术检测种子活力，Shuang等(2020)结合随机森林和轻型GBM模型综合分析了甜菜种子发芽活性，为甜菜种子批量处理提供了新思路[29]。Tigabu等(2003)为了开发一种快速分选设备，根据活种子和干燥种子的不同内部成分，收集了马尾松单个种子的反射光谱和透射光谱。利用近红外反射光谱数据和偏最小二乘法，建立了多元分类模型，准确率达到100%[30]。李武（2018）就对于近红外光谱检测甜玉米种子的活力进行了研究，对不同品种的甜玉米种子进行生理检测以及光谱的采集，运用偏最小二乘法回归建立了玉米种子的活力的定量模型，得出了不同品种的甜玉米种子各个发芽指数与活力指数，此种方法简便并且准确，为了玉米种子的活力测定提供了一种快速的新方法[31]。Shetty等(2011)进行了一项研究，以预测单个卷心菜和萝卜种子的生存能力。收集单个种子的近红外反射光谱，并进行标准发芽试验。利用扩展正则变量分析（ECVA）建模方法和随机、DUPLEX和CADEX波段选择算法，研究了不同样本数据参与建模对预测精度的影响。结果表明，当使用200个样本数据作为校正集进行建模时，达到了最佳效果，检测种子是否发芽的正确率达到98%[32]。赵冰（2022）也应用近红外光谱和化学计量法测定了甜玉米种子活力，主要采用了主成分分析法以及蒙特拉罗交叉验证方法剔除了异常值，建立偏最小二乘法回归模型，对415份样品进行了精准的分析，并且得出了甜玉米种子活力指数，得出近红外光谱测量玉米种子活力具有一定的精准性，并且非常方便，是一种测定种子活力的良好方法[33]。金文玲等人（2020）探究了近红外连续激光光谱的方法测定水稻种子的无损分级，对于种子活力的近红外吸收光谱的检测系统进行了设计，主要采用归一化、二阶导数矫正法以及正交型号校正结合的方法对于水稻种子进行预处理，随后通过建立主成分分析以及偏最小二乘法回归模型对于水稻种子的活力进行检测，得出本次检测的准确率为94.44%以及95.92%，得出本次运用的检测方法可行，具有良好的预测精准度[34]。Farhadi等(2015)在研究松树种子活力的过程中，使用正交投影潜变结构判别分析（OPLS-DA）建模方法对单粒种子进行了近红外反射光谱分析。具有不同活力的饱满、枯萎和硬化种子的分类准确率分别为98%、82%和87%，干燥和硬化相结合后，准确率为100%[35]。范雪婷（2019）分析了近红外吸收光谱测定水稻种子活力的方法，主要采用了近红外吸收光谱技术采集了水稻种子的透射光，将归一化、二阶导数矫正法以及正交型号校正等方法进行结合，建模结果得出近红外吸收光谱测定水稻种子活力的识别率能够达到98.61%，准确率非常高[36]。Ambrose等(2016)利用傅立叶变换近红外光谱和拉曼光谱对玉米种子的活力进行了检测。收集对照组和治疗组样品的近红外光谱和拉曼光谱，建立PLS-DA模型。基于近红外光谱数据的模型对白、黄、紫玉米种子活力的预测精度均可达100%，利用拉曼光谱数据对白、黄和紫玉米种子的活力的最高预测精度分别可达98.9%、100%和100%[37]。周翔（2021）利用近红外光谱技术测定了甜菜种子的活力，首先对甜菜种子进行了老化处理，然后运用一阶差分(1D)和二阶差分(2D)等5种近红外高光谱预处理方法对种子进行处理，最后建立了模型，结果得出近红外光谱技术能够准确的测定种子的活力，是一种非常方便、精准的方法[38]。种子作为保持优良品种优良性状的重要生产手段和载体，在农民育种工程和实际生产过程中发挥着不可替代的作用。优质种子对于提高农业产量尤为重要，表现为更高的田间产量，同时提高抵御逆境的能力、储存过程中的抗老化能力、劣变能力，从而更方便进行机械化播种。种子活力研究是确保田间出苗速度和生产潜力的重要手段。近年来，种子生产者和使用者越来越意识到种子活力对农业生产的重要性。近红外广谱作为一种种子活力的检测方法，相对传统的分析技术更加的高效，并且在分析过程中对于样品不会造成损失，另外还可以进行多通道数据传输和在线检测。近红外光谱技术最显著的特点就简便以及高效，这也是人们喜爱运用近红外光谱技术的原因所在，运用近红外光谱技术对样品进行分析会建立一个预先的数学模型，这样就能够在短时间内获取样品的许多参数。近年来，近红外光谱技术在工业农业等方面的质量控制中的应用被广泛探索。但是近红外光谱技术在当前应用仍旧存在一定的问题：1.近红外光谱技术主要应用于检测样本质量局部分布，只适用于对农作物种子等小样本的分析，过大的样本分析准确率会下降。2.由于仪器传感器的成本与研发瓶颈，当前的近红外光谱技术应用检测种子活力还有一定的局限性。参考文献曹郭郑.玉米种子活力影响因素及应对策略[J].种业导刊,2022(02):9-12.张志强,马慧,卢志云,辜立新.玉米种子活力综合指数及检测流程的探讨[J].新疆农垦科技,2022,45(01):66-68.张燕,李吉睿.不同包装材料贮藏对玉米种子活力影响[J].农业科技通讯,2022(01):106-109.ChingTM.MITOCHONDRIALACTIVITYINGERMINATINGNEWANDOLD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