超声波处理对中棉113种子萌发和幼苗生长发育的影响

王军 张先亮 贺昆仑 王康文 黄俊森 Nasre Ahmed 高宇 裴小雨 任翔 王星星 臧新山 马雄风 高俊山

收稿日期：2024-01-19         第一作者简介：王军，硕士研究生，18297981252@163.com。*通信作者：臧新山，博士，副研究员，研究方向为棉花分子遗传育种，zangxinshan@163.com；马雄风，博士，研究员，研究方向为作物杂种优势原理与应用，maxf_caas@163.com；高俊山，博士，教授，研究方向为棉花种质资源创新，gaojsh@ahau.edu.cn

基金项目：安阳市重点研发与推广专项（2023C01NY015）；新疆维吾尔自治区重点研发任务专项（2022B02052-2）；昌吉回族自治州科技支撑产业高质量发展专项（2021Z01-01）；新疆维吾尔自治区中央引导地方科技发展资金项目（ZYYD2023C06）；新疆维吾尔自治区农机研发制造推广应用一体化试点项目（YTHSD2022-25）

Effects of ultrasonic treatment on cotton seed germination and seedling growth of Zhongmian 113

Wang Jun， Zhang Xianliang， He Kunlun， Wang Kangwen， Huang Junsen， Nasre Ahmed， Gao Yu， Pei Xiaoyu， Ren Xiang，

Wang Xingxing， Zang Xinshan*， Ma Xiongfeng*， Gao Junshan*

摘要：超声波处理可以促进种子萌发、提高陈旧种子发芽率，调控作物产量和品质。本研究旨在通过分析超声波处理对棉花种子萌发和幼苗生物量的影响，明确超声波处理对棉花种子萌发和幼苗生长发育的调控效应。以中棉113为试验材料，用频率40 kHz、功率200 W的超声波清洗器对中棉113的种子进行不同时间（20 min、30 min、40 min）处理，通过统计发芽率、发芽势、发芽指数和胚根长度，明确超声波处理调控种子萌发的适宜时间；通过调查和测定超声波处理后种子的出苗情况和两叶一心期材料的鲜物质质量和干物质质量，评估超声波处理对幼苗生长发育的影响。研究表明，超声波处理的种子发芽势和发芽指数显著高于对照组，随处理时间延长呈先上升后下降的趋势，其中超声波处理30 min的最高，且该处理种子胚根长度显著增长，出苗状况最佳。超声波处理后，种子出苗加快，两叶一心期幼苗鲜物质质量和干物质质量均显著提高。研究明确了适宜条件的超声波处理对中棉113种子萌发和幼苗生长发育具有促进作用，其中30 min为频率40 kHz、功率200 W的超声波的适宜处理时间。这些结果可为超声波技术在棉花生产实践中的应用提供科学依据。

关键词：超声波；中棉113；种子萌发；幼苗生长发育；发芽率；发芽势

棉花是世界上最主要的经济作物之一，是纺织工业天然原料的主要来源，也是我国重要的战略物资[1]。近年来，随着我国棉花产业结构调整，西北内陆棉区尤其是新疆棉花种植面积占比逐年上升。中棉113是由中国农业科学院棉花研究所联合甘肃省农业科学院作物研究所选育的早熟、高产、优质的棉花品种[2-3]，于2019年通过甘肃省农作物审定委员会的审定（审定编号：甘审棉20190003），2020年引种到新疆种植[引种编号：新引棉（2020）2020001]，2020―2023年先后入选新疆生产建设兵团第四师、第六师、第七师、第八师、第十二师、昌吉回族自治州、博尔塔拉蒙古自治州等北疆主产棉区主推品种或示范品种，2022年入选中国农业农村重大科技新成果，2022―2023年连续入选农业农村部主推品种。全国农技推广服务中心统计数据显示，该品种在短时期内实现迅速推广，2022年全国推广面积位居第3位，累计推广53.33万hm2，经济效益20.83亿元，对保障我国优质原棉稳定供给和我国棉花产业可持续发展具有重大意义。

种子是作物生产中最基本、最重要的生产资料，种子活力影响植物的整个生命过程，高活力种子在生产实践中具有明显的生长优势[4-5]。为了提高种子的活力，在播种前，往往采用机械处理、晒种、拌种、催芽等化学、生物和物理方法进行种子处理[6]。超声波在种子处理方面已被证明具有较好的效用[7-8]。研究表明适当强度的超声波处理能够引起种子物理性能和生理活性的变化，促进植物细胞内部物质的氧化、还原、分解和合成反应，从而提高种子的发芽率[9]和种子活力，增加作物产量[10-11]。超声波处理无化学残留、安全性高、简便有效，目前已在玉米[12-15]、水稻[16-18]和小麦[19-20]等主要粮食作物中开展了超声波处理种子效果的广泛研究，但在棉花中相关研究相对较少。因此，利用固定频率和功率的超声波处理中棉113种子，通过统计不同处理时间下种子的发芽率、发芽势、发芽指数和胚根长度，以及幼苗干物质质量和鲜物质质量，明确超声波处理对棉花种子萌发和幼苗生长发育的影响，为超声波技术在棉花生产实践中的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与仪器

试验材料为陆地棉中棉113种子，由中国农业科学院棉花研究所乡村科技振兴团队提供。种子经硫酸脱绒，蒸馏水冲洗晾干，精选后备用。

超声波清洗器（KQ5200E）购自昆山市超声仪器有限公司。

1.2 超声波处理

用频率40 kHz、功率200 W的超声波清洗器，对精选后的种子进行超声波处理。参考其他作物的研究结果[21-23]，预备试验处理时间分别设置10 min、20 min、30 min、40 min和50 min，每个处理60粒种子。根据预备试验结果，试验设置20 min、30 min和40 min超声波处理，每个处理3个生物学重复，每个重复60粒种子。预备试验和后续试验均以未处理的种子为对照（0 min）。采用沙培法，将种子播种于发芽盒上，放置于人工气候室（26 ℃，光照16 h/黑暗8 h），从36 h开始，每隔12 h统计发芽种子数。

1.3 指标测定及方法

1.3.1 种子发芽率、发芽势和发芽指数测定。据《棉花种子快速发芽试验方法》[24]，正常发芽种子标准为：胚根和下胚轴总长度大于种子长度的2倍，有主根，且下胚轴无病。种子的发芽率为第7天全部正常发芽种子数占供试种子总数的百分比；种子的发芽势是指在发芽过程中日发芽种子数达到最高峰时，发芽种子占供试种子的百分比，本研究中为48 h内正常发芽种子数占供试种子总数的百分比；发芽指数是种子活力指标，本研究中用7 d中每天发芽数与发芽日数比值的总和来表示，发芽指数越高，种子活力越高。种子发芽指数（germination index， GI）计算公式：GI＝∑Ｇt/Dt。式中，Ｇt为第t天的发芽数，Dt为发芽日数。

1.3.2 胚根长度测量。将超声波30 min处理和对照处理的种子播种于沙培发芽床上，48 h后将沙子清洗干净，测量种子胚根长度，重复3次，每个重复30粒种子。

1.3.3 幼苗叶面积、鲜物质质量和干物质质量测定。将超声波30 min处理和对照处理的种子种植于营养土中，调查出苗情况。生长至两叶一心期，对叶片进行拍照，利用ImageJ图像分析软件测定幼苗的叶面积[25]。将幼苗整株冲洗干净后用吸水纸擦干，利用电子天平称量幼苗鲜物质质量。随后将幼苗放入信封中，置于65 ℃恒温烘箱烘至质量恒定，利用电子天平称量干物质质量。每个处理重复3次，每个处理测定30株。

1.4 数据统计

试验数据统计及制图采用Microsoft Excel 2021，利用SPSS 26.0软件进行统计学分析。

2 结果与分析

2.1 超声波预备试验结果

预备试验结果（表1）显示，对照处理中棉113种子发芽率在93.33%左右，与超声波处理种子的差异较小；与对照相比，超声波20～50 min处理的种子发芽势和发芽指数有所提高，随着处理时间的延长呈先上升后下降趋势，超声波30 min处理的发芽势和发芽指数最高。

2.2 超声波处理对种子萌发的影响

进一步的超声波处理试验结果（表2）显示，超声波处理后中棉113种子的发芽势和发芽指数均较对照显著提高，其中超声波30 min处理的发芽势和发芽指数最高，与对照相比分别提高27.50百分点和3.66。同时，超声波30 min处理的中棉113种子胚根长度显著提高（图1），是对照的1.33倍。上述结果表明，超声波30 min处理的种子表现出更高的萌发活力，为该超声波处理中棉113种子的适宜时长。

2.3 超声波处理对幼苗生长发育的作用

超声波处理30 min后，中棉113种子出苗速率高于对照，幼苗生长发育进程加快（图2A，参见封二彩版）。生长至两叶一心期，植株叶面积、鲜物质质量和干物质质量均显著提高（图2B、C，表3）；第3片真叶的叶面积变化最大，是对照的2.76倍，鲜物质质量和干物质质量分别是对照的1.15倍和1.17倍（表3）。上述结果表明，适当条件的超声波处理可以促进幼苗的生长发育进程。

3 讨论

超声波作为一种安全、高效、简便的物理处理方式，在作物种子处理中表现出显著的效果[26]。研究表明，适当条件的超声波处理作物种子，能够有效促进种子萌发、提高种子活力、增加作物产量[27-30]。

3.1 超声波处理对作物种子的调控效应

在植物中，利用超声波处理促进种子萌发和幼苗生长发育已有较多研究。赵忠良等[11]研究表明，利用25 kHz超声波处理水稻种子20 min，能促进种子萌发，提高幼苗根长。吴海燕[31]研究发现，经10 min超声波处理后，玉米发芽相关指标显著提高，干物质积累量和积累速率显著提高，且经过超声波处理后更容易长成壮苗。闫延鹏等[7]研究发现，48 kHz超声波处理绿豆种子35 min时种子发芽率最高。Pascual等[32]研究证明，应用40 kHz超声波处理30 min，刺山柑种子的发芽率显著提高。

本研究结果与上述其他植物中的研究结果类似。对中棉113种子进行30 min的40 kHz、200 W超声波处理后，其发芽势、发芽指数和胚根长度均显著提高，出苗加快，叶面积以及干物质质量和鲜物质质量显著增加，说明适宜条件的超声波处理对棉花种子萌发和幼苗生长发育具有显著的促进作用。

3.2 超声波处理对作物种子萌发和生长发育的调控机理

超声波处理对植物种子萌发促进作用的机理可能是超声波所产生的振动促使细胞膜发生振动，当振动频率与细胞膜振动频率相同时，细胞膜发生共振，这时超声波所产生的能量能够最大限度进入细胞，提升各种酶的活力，改变细胞膜渗透性，最终加速棉花种子萌发[29， 33]。此外，超声波处理可提高细胞内酶的活性，其中α淀粉酶的活性显著提高，促进种子内淀粉的分解，为幼苗的生长发育提供物质基础[31，34]。目前也有研究表明，超声波处理后种子生长相关的基因表达量升高，调控植物激素、氨基酸等种子萌发必需物质合成，从而加快种子萌发速率[14， 19]。

3.3 超声波处理作物种子应用前景

超声波处理能够显著提升作物产量。辛星光等[35]利用超声波处理不同基因型的水稻种子，大田条件下通过测定地上部干物质积累总量、净光合速率、叶绿素含量和叶面积指数，证明超声波能够提高水稻的产量。张莹莹等[16]研究发现超声波处理可以提高香稻的产量和香气。王贺华[36]研究发现，超声波处理玉米种子可以提高玉米产量。目前超声波处理对作物产量的研究主要集中于水稻，而本研究仅采用单一超声波设置（40 kHz，200 W）对其不同处理时间下的中棉113种子萌发和幼苗发育的影响进行了比较，未来将进一步探究超声波处理其他因素如频率、功率、温度等对棉花产量的影响，并对超声波处理在不同环境条件下的适用性和稳定性进行深入的研究，以推动超声波处理技术在棉花生产中的应用。

4 结论

本研究对中棉113种子进行40 kHz、200 W超声波处理，通过调查发芽率、发芽势、发芽指数和测定胚根长度，明确了超声波处理中棉113种子的适宜时间为30 min；通过测量适宜超声波处理和对照处理幼苗的出苗情况、两叶一心期幼苗叶片面积以及干物质质量和鲜物质质量变化，明确了适宜的超声波处理种子可以促进中棉113幼苗生长发育进程。这些研究结果可为超声波在棉花生产中的应用提供依据。

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（责任编辑：付毓 责任校对：秦凡）    ●