现代物理种业工程技术研究现状及发展趋势

邵长勇,王德成,张丽丽,李 艳,唐 欣,惠云婷,徐 特

(1.中国农业大学 工学院,北京 100083;2.山东省种子有限公司,济南 250100;3.山东农业工程学院,济南 250100)

0 引言

种子的健康和优质是决定农业增产的决定性因素[1]。在我国的农业生产中,目前一般采用精细选种、日光照晒、压力碾压、机械磨皮、化学浸种、药物拌种和催芽等传统的机械、物理、化学和生物学方法进行种子播前处理[2]。经过传统处理后,在某种程度上确实起到了促进种子萌发、提纯复壮和杀菌消毒的作用效果,极大地提高了种子的发芽率和发芽势,实现促壮复生和杀菌消毒的效果,保证了农作物在田间苗齐、苗壮,提高了作物的自身抗逆性,促进了农业作物提前成熟和农产品增产,增加了农民收入[3]。但是,这些传统的化学和生物处理等方法存在严重弊端,极有可能会造成土壤肥力减弱、土壤板结,进一步危害环境安全,且化学方法并不能真正改善种子本身的特性,如抵抗寒冷、抵抗干旱及早熟等性能。生物防治因其自己本身的特性,一些病害虫控制剂不能与根瘤菌、植物生长调节剂等混合使用,无法适应更广泛的地理环境,开发与应用受到一定的限制,从而影响其在农业生产实践中的广泛应用[4]。随着现代科学技术的发展,以光、电、热和磁场为代表的现代物理工程技术开始在种业领域进行研究与应用,一种以现代物理技术为基础的的改善植物生长发育特性的新型农业技术开始被广泛关注。现代物理农业工程技术方法应用在种子播前处理上,是现代农业发展的趋势,机械需求量大[5]。

1 国内外研究现状

现代物理农业工程技术的单项技术研究,源于20世纪70年代。首先,日本和苏联等国家开展了电磁场处理种子的研究,并对电磁场处理种子的作用机理和生物学效应进行了大量研究,取得了一定的研究效果[6]。邵长勇等(2013)发现种子含有一定量的水分,具有热特性、机械特性和电磁特性等三大物理特性。随着现代科学技术的发展,以热特性、电磁特性和机械特性为代表的现代物理技术处理农作物种子的方法和手段得到研究与应用[7]。

1.1 机械处理

人们利用一些自然界中的天然物质、简单机械、简易物件或物理措施来处理种子,可以改变种子的表皮结构,增加种子的通透性,促进作物生长,从而影响作物的某些性状表达[8]。种子的机械特性主要表现在种子的加工、贮存、包装及运输过程中,包括种子的抗压力、抗拉力、抗剪力和流动性等[9]。李治安、窦文林等[10]利用麦饭石对棉花、玉米进行种子处理。刘艳等(2013)为有效解决白栎[11]、山栎和夏栎[12]种子延迟萌发和出苗不整齐的问题,研究了不同机械处理(对照、去碗疤、去皮、去皮及切除1/2子叶、去皮及切除2/3子叶)对白栎、山栎、夏栎种子萌发和生长的影响。孙树坤[13]等(2001)利用砂磨机械破损的紫云英。傅海平[14]等(2014)通过专用种子去壳机处理茶种子。研究表明:机械处理对种子萌发和整齐性出苗有显著的促进作用,但操作难度大,在生产上应用相对较难。

1.2 热特性处理

种子本质是一种浓缩的胶体,具有类似胶体的导热性能。种子的营养成分、含水量和贮存温度等的不同,导致种子的热容量和比热发生改变。大量试验结果表明:种子的比热与种子的含水量线性相关,种子的比热随温度升高而增大。根据种子的这一热特性,在播种之前对种子进行温汤、浸泡、烘烤、日晒和干热风等预处理[15],可以有效灭菌杀虫,打破种子的休眠期,促进种子的萌发、生长,并可以有效提高种子生命周期[16]。

1.3 电磁特性处理

农作物种子的电磁特性可分为生物电和空间磁场两类:生物电是指在种子内部因存在某种能量而产生的电位差;空间电场是指影响其所在空间的电磁场及电流分布的诸如电阻、电导和介电常数等特性。种子的电特性与种子的种皮厚度、种子含水率、种子的组成成分、损伤程度及抵抗病菌能力等性质存在直接或间接的联系,直接影响农作物种子的发芽、生长、贮存、加工和分级等过程。种子的电处理是指为了一定的目的对种子施以电能的过程,具有很大的研究价值和发展前景。目前,主要从冷等离子体和磁化两个方面对农作物种子电特性的研究。

种子磁化技术是近年发展起来的一项先进种子处理技术,应用于种子的外磁场,特别应用磁化水等手段,可有效地激发种子内部酶的活性,改善种子的生活环境。利用磁化技术来磁化种子,或将其与常规种子处理技术相结合,也可以达到杀灭有害真菌和细菌的目的[17],对其抗旱性有显著影响[18]。种子磁化技术的缺点就是在种子处理后2～7天内必须播种,不然种子就失去活力,不再发芽,在生产中有很大的局限性,可以应用在工厂化育苗上面。

冷等离子体技术首先由苏联科学家提出,研究了冷等离子体对于生物体的表面处理作用机理,并由普拉斯玛公司探索制造了冷等离子体种子预处理设备[19]。通过冷等离子处理,显著提高了种子的发芽率和发芽势,改善了蔬菜出苗状况,提高了蔬菜长势,增加了蔬菜的产量。随着苏联的解体,相关研究几乎停顿,研究没有取得实质性的进展。后来,美国、加拿大等国家的冷等离子实验室研究人员采用冷等离子体技术对农作物种子进行处理,目的是灭菌消毒,减少作物生长时病害的发生[20]。近年来,乌克兰、以色列、韩国和日本等国也开始进行冷等离子体种子处理技术的研究和应用,主要的应用体现在种子的表面改性方面[21];但由于研究起步较晚,基础较差,对作物种子的处理效率很低,没有达到明显的处理效果[22]。到目前为止,冷等离子体在国外主要应用于微生物灭菌方面,在我国也刚刚兴起,各国学者对冷等离子体灭菌的条件、效率和细菌种类进行了大量的研究。清华大学的科研人员提出了“一种等离子体对微生物进行诱变育种的方法”,利用此发明专利,用冷等离子体辐照进行诱变育种,得到了突变的微生物,获得了新的微生物新品种,已在工业微生物诱变育种领域中发挥了很大的作用[23],而将冷等离子体应用于作物育种方面的工作还未见报道。中国农业大学、山东农业工程学院和山东省种子有限公司联合组建的创新团队,首先提出把冷等离子体作为一种新型诱变剂,诱变农作物发生表观遗传变异,以提高其产量和抗逆性,对农作物、苗木、花卉、中草药和牧草等种子进行了冷等离子体种子播前处理研究,特别是在种子的促壮复生和杀菌消毒方面取得了大量的研究成果,并在农作物、中草药和牧草育种方面进行大量研究应用,取得了阶段性成果。

2 研究进展

2.1 开辟育种思路,创新培育种子的手段

由于育种的周期长、生产效率低等局限性,传统的育种不被看好,甚至育种停滞。目前,转基因技术在育种上的应用,在全球范围内具有较大的争议,某些观点认为转基因作物具有很大的潜在危险,极有可能会对人类的身体健康和人类社会的生存环境造成巨大威胁。生物育种和航天辐照育种的成本比较高。在这种情况下,探索一种既能突破传统生物育种低水平重复操作、同时又不造成基因安全问题和保护生态环保的育种手段,成为当今社会的当务之急。

冷等离子体种子处理技术在农作物上的育种已经初步成功,方法是利用一定功率的冷等离子体辐照种子育种材料,诱发农作物的表型性状变化。冷等离子技术用于农作物的诱变育种,已经培育出了高产、优质、多抗、适宜密植和机械化作业的农作物新品种,实现了农机农艺的高度融合。冷等离子体种子处理技术可以突破传统育种低水平重复、同质化严重和转基因育种潜在危险的缺点,解决了传统育种周期长,经济投入巨大的缺点,缩短了育种周期,在农作物、牧草和中草药等方面育种上具有先进性。

通过反复试验可以找到某种种子某一特定性状的处理功率,能更好地满足选育优良品种的需求,克服了传统的育种手段时间长、目标盲目性、育种质量低、育种成本高的弊端,获得一批早熟种质资源。目前,取得一种冷等离子体处理的玉米育种方法(ZL201410356308.X)、一种冷等离子体处理的甘蓝育种方法(ZL201510960226.0)、一种冷等离子体处理花粉的棉花育种方法及应用(ZL201310402401.9)、一种冷等离子体处理的大豆育种方法(ZL201510098014.6)、一种冷等离子处理的花生育种方法(ZL201410273108.8)、一种冷等离子体处理的苜蓿育种方法(ZL201410020247.X)、一种冷等离子体处理的小麦育种方法(ZL201410230458.6)、一种冷等离子体处理的西葫芦育种方法(ZL201510279424.0)、一种旋转仓式冷等离子体种子处理仪及其处理方法(CN201610061385.1)、一种具有控温装置的射频等离子体种子处理设备(ZL201621177210.9)、一种青贮原料的等离子体杀菌设备及方法(ZL201610917819.3)、一种离子射频处理的黄芪育种方法及其应用(CN201611230314.6)、一种微波等离子体处理的水稻育种方法(CN201811044951.3)等发明专利10余项。

2.2 获得多项奖励,得到业界认同

确定针对不同农作物种子的最佳处理工艺和关键参数,科技成果达到了同类研究的国际领先水平。目前,已进行了14种农作物、牧草、中草药及树木的种子的处理工艺研究,为促进农业增产和农民增收提供了新的途径,同时为促进我国农业产业化转型升级提供了技术支持。中国农业大学、山东农业工程学院和山东省种子有限公司等单位实施的“氦气介质下冷等离子体种子播前处理技术及装备”项目荣获“2014-2015年度中华农业科技奖”,“冷等离子体种子播前处理技术及装备”成果获得2014年度山东省科技进步奖,“保护地西葫芦种质资源创新及新品种选育技术”获得2016年度济南市科技技术奖,“密闭真空冷等离子体种子播前处理技术及装备”荣获“第一届全国现代物理农业工程技术创新示范奖”(2014),“基于冷等离子体种子播前处理的植物育种新技术”获得了“第二届全国现代物理农业工程技术优秀创新项目” (2015),“基于冷等离子体处理技术的保护地西葫芦种质资源创新及新品种选育技术” 荣获“第三届全国现代物理农业工程技术优秀创新项目”(2016)。

2.3 争取项目支持,深入开展研究

经过大量的室内试验和田间种植试验研究,结果显示:冷等离子体处理可以有效激活种子产生多种生物学效应,且种子的发芽指数、发芽率和发芽势得到明显提高,根系与对照相比得到显著发达,抗旱、耐盐碱和抗病性能增强,提高了农作物的品质,加快了农作物提前成熟,提高了农作物的产量[24]。基于冷等离子体种子播前处理技术的现代物理种业技术已经取得了显著的效果[25]。科研团队申请到了教育部教育部中央高校基本科研业务费专项资金项目 “冷等离子体处理对种子发芽及幼苗特性的影响研究”(2013QJ019)、山东省科技发展计划项目“冷等离子体种子处理机处理西葫芦亲本材料”(2013GGC3004) 、山东省农业良种工程项目“临花6号花生新品种良种繁育与加工技术研发”(2013GGC3004)、济南市种业振兴项目“设施专用番茄新品种选育与商品化生产关键技术研究与集成示范”(201210002)、济南市科技发展计划项目“设施专用西葫芦新品种的突破性选育”(201502067)等,得到了政府和社会结构的广泛认同。

针对冷等离子体种子播前处理工艺技术开展了大量的研究,主要体现在在以下几个方面:

1)促壮复生,提高种子活力。经过冷等离子体装备处理后,通过室内发芽试验、温室盆栽试验和田间小区试验等,种子的发芽势和发芽指数有很大幅度的提高,且种子的发芽势提高幅度显著。经处理的黄芪种子的发芽势与实验中的对照组相比较提高了10.3%～30.6%,同时发芽率与实验中的对照组相比提高了7.75%～20.5%。其中,苜蓿种子的发芽势提高了32.%,发芽率提高了14.5%。长时间放置的种子的发芽率已经明显降低,但经过冷等离子体技术对其处理后,陈旧种子激活作用非常明显。陈旧菠菜种子的发芽势提高了21.8%,发芽率提高了13.72%;陈旧番茄发芽势提高25.3%,发芽率提高6.5%～9.6%[26]。

2)抗旱耐盐,提高作物抗逆性。经过冷等离子体处理的小麦种子,在水分胁迫的情况下进行发芽势、发芽率室内试验,发芽势、发芽率与实验中的对照组相比分别提高了35.7%和21.0%。田间种植试验表明:在干旱严重情况下,经过冷等离子体技术处理的旱地小麦可增产40%以上,且处理后的种子抗旱萌发力及作物幼苗抗旱性均明显提高。目前,已进行了14种农作物、牧草、中草药及树木的种子的处理工艺研究,累计推广应用122.9万hm2,为促进农业增产和农民增收提供了新的途径,也为促进我国农业产业化转型升级提供了技术支持,并获得中华农业科技奖和山东省科技进步奖。

3)促进生长,提高作物产量。冷等离子研究团队于2013年3月20日在山东省种子有限公司齐河试验站调查小麦分蘖,结果数表明:没有经过冷等离子体处理的每株小麦分蘖数平均为3.8个;经80W冷等离子处理的每株小麦分蘖数平均为5.5个,比对照组增加了38.5%;经100W冷等离子处理的分蘖数平均为45个,比对照组增加了12.8%。同年6月12日,科研团队邀请有关专家,对应用“冷等离子体种子处理技术”处理小麦进行了测产验收,结果小麦增产6.38%～9.31%。研究表明:等离子体处理技术可使农作物增产14%～40%,蔬菜增产15%～40%,丹参、黄芪等中草药增产10%～20%。

4)促进早熟,改善作物品质。经过试验,利用80W冷等离子体处理的玉米成熟期比未处理的早2～3天,甘蓝成熟期提前3天。农业部谷物检测中心(山东农业大学)检测表明:经过冷等离子体技术处理的小麦的蛋白质含量提高1.8%,经过冷等离子体处理的西葫芦的一级品率提高了10%。

3 存在的问题

目前,冷等离子体处理装备的推广存在两个主要问题:一是冷等离子体处理的最佳剂量,不论采取电流还是功率,都是输入值,到底输出值是多少,没有检测,是个非常模糊的概念,还处于“感性研究”认识阶段,有点玄学味道,这在以前设备推广过程中已经表现出来[27];二是当前对于理论研究不够深入,冷等离子体对于作物种子的作用机理尚不明确,种子处理装备的开发整体水平整体不高,部分关键技术装备还不够成熟,阻碍了该技术的推广和应用[28]。目前,已研发的设备处理量较小、效率低,因此需要建立规模化生产的大型冷等离子体亲本材料处理的成套设备。同时,设备的操作较复杂,需要研发基于虚拟仪器技术的冷等离子体亲本材料处理成套设备的智能测控系统。

4 研究目标和建议

4.1 研究目标

研究冷等离子体技术进行种子提纯复壮和杀菌作用的工艺技术、作用机理和设备优化。

4.1.1 规模化生产的大型冷等离子体种子处理作用机理及成套设备优化

通过冷等离子体处理种子,在冷等离子体与种子相互作用的过程中,使种子的分子具有更高的能量,对种子产生积极的生物学效应,从而激活种子的内源活性物质。通过高能量的作用,种子的生理活性大大加强,基因节点得到激发,潜在抗逆基因得到表达,提高了生长活力和抗逆性能[29]。

通过分析低气压或者大气压状态下的冷等离子体装备发生功率、处理时间和工作介质对处理效果的作用机理,探究冷等离子体种子处理装置的工艺技术性能要求,确立批次处理量或者不间断连续处理种子的运动轨迹。对冷等离子体发生功率和种子处理时间等技术参数进行剖析,优化冷等离子体种子处理的工艺技术方案、处理装置的总体设计,进一步优化规模化生产的大型冷等离子体种子处理成套设备[24]。

4.1.2 建立基于虚拟仪器技术的冷等离子体种子处理成套设备的智能测控系统

基于等离子体发生条件和种子处理的技术要求,利用PLC技术对冷等离子体种子处理装置控制系统的硬件和软件设计,拟通过嵌入式控制技术、总线技术、通信技术、真空控制技术整合,开发出性能更加可靠、技术更加先进、通用性更强、技术服务更方便的总体控制系统模块,完成种子处理装备的智能化控制系统,实现人机交互,以及低气压或者大气压条件下的冷等离子体稳定产生、种子输送、种子处理和温度反馈调节等环节的自动控制。结合种子处理装置的操作流程,实现自动化控制,减少由于人为操作而产生的误差,减少不必要的误差,提高处理准确性和效率。在前期设计的基础上并通过多次实验研究,进一步对冷等离子体种子处理设备在规模化种子处理方面进行优化设计,达到规模化、智能化处理种子的要求[30]。

4.1.3 建立种子的冷等离子体种子处理工艺数据库

将种子置于冷等离子体处理机内,在1～500W的处理功率下对种子进行15～20s的非电离辐射处理,研究种子发芽、幼苗特性、品质、产量及抗逆性等的影响规律,寻找出处理种子的最佳功率,建立不同类型的种子需要的冷等离子体种子处理工艺数据库。

将处理后的种子按照农业部《农作物种子检验规程一发芽试验》规程,进行种子发芽试验,观察、记载发芽数,统计发芽率、发芽势,找出发芽率的最佳处理剂量。将处理后的种子与未经过任何处理的种子进行同一批次的田间种,对比苗高、主根长和干、鲜重提高的比率、植株蔓长、株幅的增加率,找出激发植株活力的最佳处理剂量;对比瓜长、瓜横径、单瓜重、前期产量、总产量提高比率,找出提高商品性和产量的最佳处理剂量;对比低温、寡照条件下植株长势、座瓜率及畸形瓜率等指标,分析遭到冷害时细胞线粒体的发育受到破坏程度,找出抗低温弱光的最佳处理剂量。

4.2 建议

1)在国家粮食安全战略层面和规划发展等领域,增强基于冷等离子体种子播前处理的现代物理种业工程技术在种子播前处理上的可行性、重要性和公益性。

2)根据农业生产特点和自然区划,以及不同品种生理特性和生态特性,完善现代种业工程技术种子处理标准及检测方法,建立国家、省级检测中心和生产基地。

3)加强现代物理种业基础条件建设,在管理制度、环境条件、人员素质、操作技术等硬件、软件方面与国际接轨,提升种业国际竞争力。