种子是生物生存、繁殖和可持续发展的物质基础和人类粮食安全的战略资源，也是农业生产的重要基础材料。评价种子质量的根本标准是种子活力。种子活力是由多基因控制的、复杂的数量性状，作物品种间种子活力的差异影响着种子发育、成熟、休眠、萌发、储藏、劣变、幼苗建成和抗逆性等多个阶段。田间高活力种子幼苗建成速度快、出苗均匀，对不良环境因子的抗性强，幼苗性能更好。种子活力对作物出苗速度、出苗整齐度、出苗质量、田间抗耐性和农业增产稳产有重要意义。种用价值和出苗质量息息相关，种子发芽力与田间出苗率是农业工作者所关心的重要问题，这也是种子活力为什么是反应种子质量的重要指标之一。种子和幼苗之间存在的差异主要来自于种子劣变或老化导致的种子生活力降低，发芽潜力欠佳。在农业试验和实践过程中，了解种子活力情况是非常重要，提升种子活力，从而达到田间保苗率，满足农业安全生产。

谷子（Setaria italica (L.) P. Beauv.）是一年生草本作物、狗尾草属、二倍体、自花授粉，其基因组大小约430M，遗传相对简单。谷子是中国较早驯化栽培的杂粮作物，抗旱能力较强。与豌豆(Pisum sativum)等杂粮作物一样，是国家种植业产业结构调整的重要作物，在粮食安全、旱作生态农业和食物多样性研究发挥着不可或缺的作用。谷子籽粒小，在生产过程中经常由于田间保苗性差而导致产量不稳定，为良好发展谷子生产开展超声波处理谷子种子提升种子活力研究。

谷子作物籽粒很小，千粒重为2.5 g左右，播种浅，一般覆土深厚2~3 cm。谷子适于东北和西北干旱区种植，东北和西北一般春播种植，土壤墒情差，很难保证田间保苗率，如果播种量过大，谷田内谷苗密集会由于间苗产生大量的人工成本，如果播种量适中，又可能由于壤情等原因使田间谷苗密度过低，难以达到群体高产目标。因而提高谷子种子在田间快速整齐出苗意义重大。基于以上背景，为良好发展谷子生产开展PEG种子引发对谷子不同生育时期影响研究。

超声波处理种子前人做了一些有益的探索，在谷子上也取得了一定的进展，在转录水平上的研究未见报导，在不同生育期同时研究，以及各性状间存在怎样的关系也报导不多，对于谷子小粒作物提升种用价值、安全生产和节约用种量都有很大意义。

1. 研究超声波处理对谷子种子萌发情况影响；

试验材料：龙谷31。

试验处理：在播种前10天将试验材料进行超声波0、20KM、40KM共3种处理。

试验设计：超声波处理后种子分别进行室内发芽试验，从试验种子中挑选丰满、成熟和无病害的种子，用水冲洗，用0.1% NaClO溶液浸泡和消毒，然后用无菌水冲洗三次。对发芽盒进行预灭菌处理，将50粒种子均匀置于发芽盒底部，发芽盒贴上标签，每次处理重复3次。将苗床放置在光照培养箱（25±3℃）中，80%的湿度条件下，每天光照12 h，保持发芽盒湿度，每天记录发芽种子数。

种子萌发相关指标测定

A.发芽数目：调查7 d内每天种子发芽数目。

B.发芽势、发芽率和发芽指数：发芽势为发芽3 d的发芽数占供试种子的百分比，发芽率为发芽7 d发芽种子占供试种子的百分比，发芽指数是累计发芽数与天数之比的和。

C.根长、芽长和芽鲜干重：第8 d测量10株谷子幼苗每株根长、芽长和鲜重，称重后将样品放在硫酸纸袋中，然后在105°C温度下杀青30min，在80°C温度下干燥至恒重并测量干重。

2. 研究超声波处理对谷子主要农艺性状及产量的影响；

试验材料：龙谷31。

试验处理：在播种前10天将试验材料进行超声波0、20KM、40KM共3种处理。

试验设计：小区行长5米6行区，三次重复，进行随机区组设计，大田播种。5月15日播种，管理同一般大田。在谷子生长过程中的对苗期和成熟期进行形态、叶绿素含量、光合指标以及生理生化指标测定分析。

    光合指标测定

在苗期叶片数量生长至4-5叶时（6月20日）用LI-6400光合测定仪测量谷子倒三叶净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）。

叶绿素相对含量（SPAD）：用SPAD-502叶绿素仪测定，每次测量取3片叶，每片测3次重复。

    苗期形态测定

株高：用直尺测量，地面至叶尖，测量3次重复。

茎粗：使用游标卡尺测量，测量3次重复。

叶面积：用YMJ-A叶面积仪测定谷子倒三叶的叶面积，测量3次重复。

  成熟期农艺性状和产量性状的测定

谷子成熟时，每次采收5株剪穗，用直尺测量株高，用游标卡尺测茎粗，测量3次重复。室内考种指标：根据《GB 8232-1987 粟(谷子)国家标准》对穗长、穗粗、单穗重、单穗重、千粒重、码粒数、码总数、码粒数进行考察。

通过种子引发来提升种子活力^[1-5]。通过种子在持续供氧的情况下迅速吸水使其达到较高含水量，从而发生一系列与萌发有关的生理生化反应。猕猴桃种子经过水引发后，种子中可溶性糖和丙二醛含量下降^[6]。新收获的豇豆种子在20°C时种子引发12 h能够满足农业大田生产需求^[7]。闵丹丹等人^[8]表明，水引发显著促进了紫花苜蓿幼苗的生长。张笛等^[9]对贮藏2年与贮藏3年的谷子种子进行水引发处理4-8 h，可提高发芽率。智文芳^[10]用H2O2提高CAT含量和POD、SOD等抗氧化酶的活性。水引发技术的优点是成本低、操作易。但缺点是种子吸水量不可控，可能会导致种子吸水过多而造成吸胀伤害等问题。

滚筒引发来自Wellesbourne国际园艺研究组织^[11]。原理是把种子放在一个铝质的滚筒中，缓慢均速的转动筒中的水平轴，可使种子只在腔室内壁时吸收水分。戴思慧^[12]通过滚筒引发对三倍体无籽西瓜进项处理。固体基质引发技术是由美国公司Kametrter开发的种子引发技术^[13]。纳米引发促进种子萌发，提高种子质量为目的的新型种子活化技术^[14]。纳米化材料可提高种子的生存能力，增强种子酶活性，促进植物根系生长，改善植物对水分和养分的吸收，促进新陈代谢，进一步增强植物的抗逆抗虫能力。

渗调引发通过控制溶液的浓度来控制种子吸水。聚乙二醇（PEG）是良好的渗透调节剂，是以环氧乙烷为原料聚合而成的长链乙醇聚合物，化学通式为（HOCH2CH2O)n，分子量100-20000。PEG水溶性好，不会在溶液中分解为离子，在整个实验过程中可保持均匀的水势，PEG引发可以修复种子细胞膜，并逐步恢复其完整性而不穿透活细胞细胞膜，是理想的渗透调节剂^[15-17]，PEG处理可以提高种子活力，辛秋宇等^[18]用PEG处理种子显著提高了谷子产量。

但如果在种子吸水过程不加以控制，会产生吸胀伤害^[19]，吸胀伤害会直接导致种皮胀破，使种子容易受到病虫危害，降低种子的发芽力，影响幼苗生长。膜结构完整性是以保持种子的生存能力为基础的。

自20世纪前期以来，超声波处理农作物得到了广泛的关注^[20]，在多方面领域得到了认可，其中包括转基因效率的提高，种子萌发提升和微生物变异的诱导等。超声波是指频率在20kHz-106kHz的机械波，波速一般为1500m/s，波长为0.01cm-10cm，其具有频率高、波长短、能量大、穿透力强等特点，是一种拥有能量的弹性机械波。超声波的工作原理就是通过相应的生物效应来进行处理，有机械、热和空化等效应。这种超声波可作为一种物理肥料，加速植物细胞内部物质的氧化、还原、分解和合成。选择和利用其有利效应的功能，从而达到提高发芽率、促进作物生长、增加作物产量的效果。

目前，超声波处理种子技术在国内外研究中己获得较好效果。尤其在水稻^[21-23]、玉米^[24]以及一些蔬菜的提产、提质研究上，超声波处理技术应用较多，而且有着不错的反响。有报道指出，超声波能够激发种子的潜在基因和内源物质，提高种子的抗氧化酶活性和增强种子的抗逆性。超声波作为一种卓效环保，简便适用的技术，在适当的范围内使用超声波处理种子，可以使其细胞进行有效的发育。研究表明，种子提前进行超声波处理过后，种子的发芽数目增多，存活率变高，发育能力也有加强，能尽力加速幼苗生长，增加其种子的各项发芽指标。超声波处理可激活细胞,使细胞膜结构发生变化,并促进酶的活动。

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创新点

通过超声波种子处理来提高谷子种子活力、农艺性状和产量。利用超声波可加速植物细胞内部物质的氧化、还原、分解和合成。选择和利用其有利效应的功能，从而达到提高发芽率、促进作物生长、增加作物产量的效果。超声波能够激发种子的潜在基因和内源物质，提高种子的抗氧化酶活性和增强种子的抗逆性.超声波处理对谷子种子活力有提高的效果，促进种子生长，对提高谷子产量和品质具有指导意义。通过超声波的能力来对农业生产进行创新。解决谷子种子出苗质量的问题。

项目特色

1.     打破了传统的引发技术总是与水分水势相关，本研究通过超声波增强细胞膜透性，酶蛋白活性。

2.     所有的水引发对作物播种时间都会有影响，超声波处理后种子可以立即播种，处理时间快，操作简单，成本小。

技术路线

1试验方案

1.1超声波处理对谷子萌发期的影响

试验地点：苗期试验黑龙江八一农垦大学谷子研究室。

试验材料：龙谷31。

试验处理：在播种前10天将试验材料进行超声波0、20KM、40KM共3种处理。

试验设计：超声波处理后种子分别进行室内发芽试验，从试验种子中挑选丰满、成熟和无病害的种子，用水冲洗，用0.1% NaClO溶液浸泡和消毒，然后用无菌水冲洗三次。对发芽盒进行预灭菌处理，将50粒种子均匀置于发芽盒底部，发芽盒贴上标签，每次处理重复3次。将苗床放置在光照培养箱（25±3℃）中，80%的湿度条件下，每天光照12 h，保持发芽盒湿度，每天记录发芽种子数。

种子萌发相关指标测定

A.发芽数目：调查7 d内每天种子发芽数目。

B.发芽势、发芽率和发芽指数：发芽势为发芽3 d的发芽数占供试种子的百分比，发芽率为发芽7 d发芽种子占供试种子的百分比，发芽指数是累计发芽数与天数之比的和。

C.根长、芽长和芽鲜干重：第8 d测量10株谷子幼苗每株根长、芽长和鲜重，称重后将样品放在硫酸纸袋中，然后在105°C温度下杀青30min，在80°C温度下干燥至恒重并测量干重。

1.2研究超声波处理对谷子主要农艺性状及产量的影响；

试验地点：黑龙江八一农垦大学安达试验基地。

试验材料：龙谷31。

试验处理：在播种前10天将试验材料进行超声波0、20KM、40KM共3种处理。

试验设计：小区行长5米6行区，三次重复，进行随机区组设计，大田播种。5月15日播种，管理同一般大田。在谷子生长过程中的对苗期和成熟期进行形态、叶绿素含量、光合指标以及生理生化指标测定分析。

光合指标测定

在苗期叶片数量生长至4-5叶时（6月20日）用LI-6400光合测定仪测量谷子倒三叶净光合速率（Pn）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs）。

叶绿素相对含量（SPAD）：用SPAD-502叶绿素仪测定，每次测量取3片叶，每片测3次重复。

苗期形态测定

株高：用直尺测量，地面至叶尖，测量3次重复。

茎粗：使用游标卡尺测量，测量3次重复。

叶面积：用YMJ-A叶面积仪测定谷子倒三叶的叶面积，测量3次重复。

  成熟期农艺性状和产量性状的测定

谷子成熟时，每次采收5株剪穗，用直尺测量株高，用游标卡尺测茎粗，测量3次重复。室内考种指标：根据《GB 8232-1987 粟(谷子)国家标准》对穗长、穗粗、单穗重、单穗重、千粒重、码粒数、码总数、码粒数进行考察。

技术路线

设计试验方案→超声波处理种子→试验田种植→数据采集→分析试验数据→获得结论，见图1。

图1技术路线

拟解决关键问题：

1.     超声波处理对谷子种子萌发的影响

2.     超声波处理对谷子农艺性状和产量的影响

  预期成果：

1.     完成研究报告1份。

2.     得到一个提升谷子种子活力方法。

3.     发表1篇论文。

2023年5-6月，查阅资料，准备试验材料，设计试验，进行大田种植。

2023年7-12月，选取不同品种的谷子种子，进行超声波处理，筛选后进行室内发芽试验，对田间谷子检测植株长势进行产量分析。

2024年1-3月，整理数据，撰写论文进行投稿。对试验结果进行检测修正和推广等。

2024年5-6月，完成研究报告，进行项目结题。