草种研究动态报（2022）种子质量检测技术

来源：兰州大学草地农业科技学院

策 划

杨连清，赵兵，丁明明，王彦荣，刘志鹏，钱永强，胡小文

工作组

组 长：王彦荣 副组长：赵兵，丁明明，刘志鹏，钱永强，胡小文

（一）研究趋势分析概述

高质量的草种子是高品质草地和生态环境建设的物质基础。种子质量检验，是种子 质量管理体系的重要组成；对维护草业生产秩序、保障生产者利益、促进草业经济发展 具有极为重要的作用。种子质量是由多重种子特性构成，每个特性又可有多种不同的测 定方法，从而使得多种检验方法和技术不断应运而生。自1869年在欧洲成立第一个国际 种子检验站以来，种子检验已经过了150余年的发展历程。1924年，国际种子检验协会（ISTA）的成立，进一步促进了国际种子检验技术的发展和方法的标准化。检验技术的发展主要体现在：其一，种子质量的检验参数不断增加，已由最初的种子真实性、净度 和发芽率几个，发展为仅列入2021年《国际种子检验规程》的就包括：扦样、净度、其 他植物种子数、发芽、生活力、种子健康、种和品种、水分、重量、包衣种子、种子活 力、混合种子，和GMO种子等。其二，新的检验物种数陆续增加，以具发芽实验标准检 验方法的物种计，列入1953年版《国际种子检验规程》的为183种，至2021年版的已增加 至883个物种。另外，种子检验新技术随着科技的发展不断涌现，例如应用分子技术、多 光谱技术、信息技术、以及自动化技术等开展种子质量检测的研究日益得到重视。

通过查阅国内外相关科技期刊、中国知网、以及Web of Science等核心文库，共查阅 到2021年国内外草种子质量检测技术相关文献112篇。现就主要研究趋势概述如下：

1. 对种子质量参数的研究以萌发（含休眠）、种子真实性和生活力为主。虽然种子 质量的参数很多，但文献分析显示检验技术的研究主要集中在反映种子真实性（包括品 种纯度）以及种子出苗能力的参数或指标。文献数占比分别为：萌发（含休眠）73.1 %， 种子真实性鉴定13.6 %，生活力测定10.2 %，其他为水分测定3.1%。

2.光谱无损检测技术的研究得到广泛的重视。光谱技术的优势在于无损、快速和准 确。其中，以高光谱技术、多光谱技术与太赫兹技术为代表的光谱技术普及最为迅速， 占查阅文献的23.3%。

3.人工智能技术的应用发展迅速。这类技术具有精准、快速、大数据、节省人力等 特点。因而综合应用图像采集、数字图像处理和机器学习技术的人工智能算法在多种检验参数的应用研究，引起了种子科技工作者的高度重视。占查阅文献的11.2 %。

（二）国内外2021发表的重要论文介绍

1、十篇代表性重要论文摘要（按第一作者姓名拼音或字母排序）： 

1）姜黎,赵振勇,张科,田长彦.温度与盐分对囊果碱蓬种子萌发特性的影响[J].中国草地学报,2021,43(10):115-120.

种子萌发是植物早期生活史的关键时期之一。通过对不同变温（20℃/5℃ 、25℃/10℃、30℃/15℃和 35℃/20℃）与盐分（0、100、200、400、600 和 800 mmol/L NaCl）互作下囊果碱蓬（Suaeda physophora）种子萌发率、萌发速率和萌发势的测定， 探索其适宜的萌发条件。结果表明，囊果碱蓬种子的萌发率、萌发速率和萌发势受到盐 分与温度及其交互作用的显著影响，30 ℃/15 ℃是囊果碱蓬种子萌发的最适温度，100 mmol/L NaCl 条件是囊果碱蓬种子萌发的最适盐分。以上结果可为干旱盐碱环境中囊果碱 蓬的种群重建、恢复及开发利用提供理论依据和技术指导。

2）李欣勇,黄迎,金雪,刘国道.碎米莎草种子休眠与萌发特性研究[J].热带作物学报,2021,42(07):2001-2007.

本研究以碎米莎草（Cyperus iria）种子为材料，探讨了温度、光照、植物生长调节 剂、水分、低温层积及人工老化处理对其休眠与萌发特性的影响，以揭示其休眠机制、破除方法及萌发关键环境因子，以期在农业生产中为碎米莎草的综合防治提供参考。结果表明：（1）碎米莎草为萌发喜光性植物，最佳萌发温度为20℃/35℃或25℃/35℃；（2）碎米莎草存在浅度生理休眠，氟啶酮（FL）和褪黑素（MLT）均可破除其休眠，显著提高种子萌发率（P<0.05）；（3）碎米莎草种子只在20 % PEG 重度水分胁迫后萌发率显 著下降（P<0.05），所以水分不是限制其萌发的主要因素；（4）碎米莎草在老化 168 h 后发芽率才低于 50%，表明碎米莎草种子有较强的抗老化能力；（5）碎米莎草具有休眠 循环特性，低温可诱导其进入次生休眠。研究认为，播种前深耕、播种早播或越年生作 物品种是田间防控碎米莎草的有效方法。

3）王芳,张春红,赵景峰,哈斯巴特尔,张玉.基于混合机器学习法的太赫兹波鉴别草种的研究[J]. 激光与光电子学进展，2021，58(03):318-324.

太赫兹时域光谱（THz-TDS）是一种新型的、非常有效的相干探测技术。本文利用太赫兹时域光谱技术对5种不同种批的沙打旺（Astragalus adsurgens）种子进行鉴定，该方法首先测定沙打旺种子在0. 2~1.2 THz有效频率范围内的太赫兹时域谱，然后通过快速傅里叶变换得到了各牧草种子样品的吸收系数、折射率等光学参数，并利用主成分分析（PCA）与随机森林（RF）机器学习算法相结合的混合模型PCA-RF建模分析。结果表明，混合模型PCA-RF的平均分类准确率为91.20%，与RF模型相比，不管是总的平均分类准确率，还是每种样品的分类准确率，PCA-RF模型都优于RF模型，表明基于PCA-RF模型的太赫兹时域光谱技术是一种无损鉴定牧草种子真伪的有效手段。

4）Hui YT, Wang DC, You Y, Tang X, Peng YQ, Zhu L, Huan XL. A portable method for  predicting the germination percentage of sorghum x sudangrass seed using multispectral images. Crop Science, 2021, 61(6): 4284-4292.

种子萌发是植物早期生活史最重要的阶段之一，传统测定方法耗时费力。本文建立了基于高光谱技术测定杂交苏丹草（Sorghum bicolor×S.sudanense）种子萌发率的技术，该方法首先通过高光谱相机收集大量种子的光谱图像特征数据，而后将这些种子置于培 养箱中进行发芽试验，最后利用神经网络及最小二乘优化算法建模，将种子萌发与光谱 特征相关联，从而实现快速判定杂交苏丹草种子萌发率的目的。研究结果表明，模型的 回归系数达0.732，表明拟合效果良好，证明该技术结合机器学习算法的高光谱技术能够 有效预测杂交苏丹草种子的萌发率。

5）Marques AR, Goncalves A, Santos FS, Batlla D, Benech-Arnold R, Garcia QS. Thermal requirements and germination niche breadth of Polygonum ferrugineum Wedd.

from southeastern Brazil. Seed Science and Technology, 2021, 31(2):91-97.

温度是影响植物种子休眠萌发形成的重要环境因子之一。本文以广泛分布于热带和 亚热带的草类植物酸模叶蓼（Polygonum ferrugineum）为对象，探明了其种子萌发的温度 需求。研究首先将种子在10、15、20 ℃条件下分别层积7、14、28d，而后将种子分别置于10、15、20、25、30 ℃的温度下进行萌发试验。结果表明，10 ℃层积7 d能够有效打破酸模叶蓼种子的休眠，该物种最适萌发温度为20 ℃。进一步进行温度模型模拟分析发现， 该物种种子萌发最低温度为6.3 ℃，最高温为32 ℃。研究表明酸模叶蓼种子具有生理休眠 且萌发温度范围较窄，这也为预测气候变化条件下该物种的分布与迁移提供了理论依据。

6）Wang XM, Zhang H,Song R, He X,Mao PS, Jia SG. Non-destructive identification of naturally aged alfalfa seeds via multispectral imaging analysis. Sensors,2021,21(17):5804.

种子生活力的测定在牧草种子生产中具有重要意义，传统方法效率低且具有破坏性。本文建立了基于多光谱成像技术的紫花苜蓿（Medicago sativa）种子生活力检测技术，该方法首先通过多光谱成像仪收集不同贮藏年份紫花苜蓿种子的特征数据，而后采用5种多元分析方法建模预测，进行生活力的判定。结果表明，LDA模型区分老化种子和非老化种子的准确率为99.8~100.0%，高于SVM的87.4~99.3%和RF的84.6~99.3%。此外，利用RF、SVM和LDA的方法区分死种子与老化种子的准确率分别为69.7%、72.0%和97.6%。这表明多光谱技术在判定紫花苜蓿种子老化程度及生活力的预测中具有较高的灵敏度，应用前景广阔。

7）Pereira CM, FigueiroaRN, Fontenele HG, Miranda HS. Light affects the germination and normal seedling  development of Neotropical savanna grasses.  Seed Science Research, 2021, 1(31): 47-50.

光照是影响植物种子萌发的重要环境因子之一，有关光照对热带稀树草原上常见的草类植物种子萌发的研究很少。本文研究了光照对9种原生和2入侵禾草种子萌发的影响，旨在明确上述物种种子萌发的光照需求。将种子在完全无光或有光（白光 12 h）下萌发30天，并统计其萌发率。结果表明，8个物种的种子萌发需要光照条件，在黑暗中的种子萌发率显著降低。而其余物种在光照和黑暗条件下的萌发率并无差异。研究结果对于热带稀树草原常见草类植物的开发利用提供了科学依据。

8）Taheri-GaravandA, Nasiri A, Fanourakis D, Fatahi S, Omid M, Nikoloudakis N. Automated in situ seed variety identification via deep learning: a case study in Chickpea. Plants-Basel,2021,10(7):1406.

机器学习算法能够提高种子品种图像识别技术精度与准度。传统的种子识别主要依靠人工手段，这导致识别错误率高且用时较长。本文提出一种基于卷积神经网络(CNN)框架，利用可见光谱(400-700nm)的种子图像来自动识别鹰嘴豆品种的技术。该方法首先通过相机采集不同品种鹰嘴豆的种子图像，而后利用VGG16算法进行图像的平均池化层、密集层、批量归一化层和退出层的分析处理，最后根据所得特征数据建立品种识别模型。结果发现，应用深度学习模型的识别技术能够有效区分不同的鹰嘴豆种子品种，分类准确率超过 94%。此外，本文利用深度学习来进行种子识别技术的开发，对图像质量要求较低且更为准确迅速，这为草类植物种子品种的图像自动识别技术提供了新的思路。

9）Wu YG, Liu J, Luo D, Deng H, Zhou Q, Wang YR, Liu ZP. A universal method for rapid identification of alfalfa and burr medic seeds with an emphasis on discriminating different forage species. Grass and Forage Science,2021,76(3): 353-362.

不同于作物，同一属甚至于不同属的牧草种子在颜色、大小、重量等方面具有相似性，因而经常难以区分。紫花苜蓿(Medicago sativa L.)和南苜蓿(Medicago polymorpha L.) 的种子形态十分相似，但紫花苜蓿是多年生异花授粉植物，而南苜蓿是一年生的自花授粉植物。因此，需要一种通用的、快速的方法将南苜蓿种子与紫花苜蓿种子进行区分。本文采用聚合酶链反应(PCR)和聚丙烯酰胺凝胶电泳相结合的方法，对二者种子进行鉴别。首先根据两个物种同源基因的插入和缺失导致的基因差异，设计一对引物，再分别对15个紫花苜蓿和9个南苜蓿品种分别进行了PCR扩增，依据扩增产物的大小进行物种区分。此外，通过熔融曲线分析，考察了引物对的特异性和可靠性。结果表明，PCR法能够准确、灵敏地鉴别两种植物种子。该研究方法在植物种与品种鉴定和牧草育种中具有广阔 的应用前景。

10）Yue Y, Jin G, Lu W, Gong K, Han W, Liu W, Wu X. Effect of environmental factors on  the germination and emergence  of drunken horse grass (Achnatherum inebrians). Weed Science, 2021, 69(1): 62-68.

醉马草（Achnatherum inebrians）是广泛分布于中国西部的一种多年生有毒杂草，掌握醉马草种子萌发对环境因素的响应将有助于制定该物种的管理策略。该研究评价了包括温度、水分、PH、埋深等常见环境因子对于醉马草种子萌发的影响。结果表明，醉马草最适萌发温度为25 ℃，光照对种子萌发无显著影响，其最适萌发PH为6，耐受最低水势为-1.2 MPa，在埋深1cm时出苗率最高，可达90%。该研究全面的研究了醉马草种子萌发特征，为该物种的管理提供了坚实的理论依据。

2、其他10篇代表性论文题目（按第一作者姓名拼音或字母排序）：

1）梁润芳,武自念,李志勇,孔令琪.低温和光照对羊草种子萌发的影响[J].中国草地学报,2021,43(12):33-39.

2）汪秀岩,周宇鹏,薛雨霏,成竞扬,刘文文,张宜辉.高低纬度种源互花米草种子萌发 特性及其对温度的响应[J].生态学杂志,2021,40(09):2763-2772.

3）唐丽,李淳,骆凯,严炜，曹敏，于晓惠，张瑞，陈银华.几种环境因子对光叶紫花苕种子萌发的影响[J].中国草地学报,2021,43(09):71-77.

4）闫慧芳,孙娟.含水量和劣变时间对高丹草种子活力及幼苗生长的影响[J].草业学报,2021,30(12):152-160.

5）Al-SoqeerAA, Alqarawi AA, Motawei MI, Al-Otayk SM. Influence of temperature on germination of new buffelgrass (Cenchrus ciliaris) genotypes. Seed Science and Technology,2021, 49(1), 63-71. (温度对水牛草新种质种子萌发的影响)

6）Bao F, Bambil D. Applicability of computer vision in seed identification: deep learning, random forest, and support vector machine classification algorithms. Acta Botanica Brasilica,2021, 35(1):17-21. (计算机视觉在草种子识别中的适用性:深度学习、随机森林和支持向量机分类算法)

7）Fernandez R, Chantre GR, Renzi JP. Seed dormancy of Lolium perenne L. related to the maternal environment during seed filling. Seed Science Research, 2021, 31(3), 217-223. (灌浆 期母本环境对黑麦草种子休眠的影响)

8 ）Hall R, Urban B, Skalova H, Moravcova L, Soelter U, Starfinger U, Kazinczi G, Valkenburg J. Seed viability of common ragweed (Ambrosia artemisiifolia L.) is affected by seed origin and age, but also by testing method and laboratory. Neobiota, 2021, 12(2):193-221.(种源、种子年份、测定方法和实验室条件对豚草种子生活力测定结果的影响)

9）Pipan B, Sinkovic L, Rutar R, Meglic, V. The use of DNA markers for genetic differentiation of common (Avena sativa L.) and naked oat (Avena nuda L.). Journal of Central European Agriculture, 2021, 22(2):329-340. (利用分子标记手段鉴定普通燕麦和大粒裸燕麦的研究)

10）Sun H, Zhang L, Li H, Rao Z, Ji H. Nondestructive identification of barley seeds varieties using hyperspectral data from two sides of barley seeds. Journal of Food Process Engineering, 2021, 8(44): e13769 (利用大麦种子两面的高光谱数据进行大麦品种的无损鉴定)