基于ATR的玉米種子活力太赫茲特征波段篩選方法

吳靜珠 李曉琪 劉翠玲 孫曉榮 余 樂 孫麗娟

(1.北京工商大學(xué)食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)北京市重點實驗室， 北京 100048；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所， 北京 100081)

0 引言

玉米是我國第一大糧食作物。高活力種子具有顯著的生長優(yōu)勢[1-2]，玉米種子活力直接影響我國玉米種子品質(zhì)安全、玉米播種方式以及玉米產(chǎn)量等。因此，開展玉米種子活力研究具有重要意義。

種子活力變化與老化裂變過程密切相關(guān)，隨著老化程度的加劇，種子活力開始下降且不可逆轉(zhuǎn)。李春雷等[3]測定了人工加速老化后鄭單958和先玉335兩個品種的玉米種子活力指標(biāo)、種子內(nèi)物質(zhì)含量及生理指標(biāo)，結(jié)果表明，隨著老化程度的加劇，種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)逐漸降低，過氧化物酶、過氧化氫酶、脫氫酶的活力逐漸降低，電導(dǎo)率、丙二醛含量逐漸升高，粗脂肪、可溶性蛋白含量先升高、后降低，有機(jī)酸含量總體呈升高的趨勢，脯氨酸含量呈現(xiàn)上升的趨勢。張海燕[4]研究了人工老化對科糯2000和萊農(nóng)糯6號玉米種子發(fā)芽指標(biāo)和生理特性的影響，結(jié)果表明，隨老化時間的延長，種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和脫氫酶活性逐漸降低，丙二醛含量和相對電導(dǎo)率逐漸升高。

上述研究均采用化學(xué)分析方法精確測定了玉米種子老化過程中某個階段、某些理化指標(biāo)的變化，并取得了一些共性的結(jié)論。但是，種子老化是極為復(fù)雜的綜合、連續(xù)、動態(tài)變化過程，傳統(tǒng)實驗室分析方法大都存在單指標(biāo)測定、耗時、操作繁雜、消耗化學(xué)試劑等弊端，無法實時、便捷地反映種子老化及活力綜合變化過程。太赫茲(Terahertz，THz)時域光譜技術(shù)[5-10]具有低能級、穿透性和獨特的波譜性，可以快速、安全、宏觀地表征種子生物樣本信息，因此迅速成為近年來種子品質(zhì)檢測領(lǐng)域的研究熱點,如用于作物種子轉(zhuǎn)基因識別[11-14]、谷物儲存品質(zhì)鑒別[15-18]等。本文提出采用太赫茲時域光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法，篩選玉米種子老化不同階段的太赫茲特征譜區(qū)，以期通過老化階段特征譜區(qū)探索種子活力的動態(tài)變化過程。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

為統(tǒng)計不同品種的玉米種子在老化過程中是否有共性的變化規(guī)律，選取中地77、中地168、強(qiáng)碩68 共計3個品種的玉米種子進(jìn)行實驗。采用種子老化箱在高溫(40～50℃)、高濕(相對濕度100%)條件下對樣本進(jìn)行0、1、2、3、4 d人工加速老化處理，如圖1所示。按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 3543.4—1995)采用種子發(fā)芽箱進(jìn)行發(fā)芽實驗，如圖2所示。

圖1 人工老化實驗Fig.1 Artificial aging experiment

圖2 玉米種子發(fā)芽實驗Fig.2 Corn seed germination experiment

共計15組樣本，每組進(jìn)行4次重復(fù)發(fā)芽實驗，取平均值作為最終發(fā)芽率，如表1所示。

表1 種子發(fā)芽率統(tǒng)計信息Tab.1 Corn seed germination rate %

由于玉米種胚及胚乳化學(xué)成分和含量存在明顯差異，為觀察玉米種子不同組織在老化過程中的活動變化，本實驗對老化后的種胚及胚乳進(jìn)行分離,并研磨成粉，制為樣本備用。

1.2 ATR-THz光譜采集

實驗采用TeraPulse 4000型太赫茲時域光譜系統(tǒng)及衰減全反射(ATR)[19-22]附件采集種胚和胚乳粉末樣本太赫茲吸光度譜。ATR模塊入射角為35°，光譜范圍設(shè)定為0.2～80 cm-1，光譜分辨率為0.94 cm-1，采樣點數(shù)為338，單個樣本掃描900次取平均光譜。光譜采集過程中實驗環(huán)境溫度保持在22℃左右，同時采用空壓機(jī)吹掃系統(tǒng)以減少環(huán)境水分的干擾。

圖3 中地77玉米種子不同老化階段ATR光譜圖Fig.3 ATR spectra of Zhongdi 77 corn seeds at different aging stages

以中地77玉米種子樣本為例采集得到不同老化階段種胚、胚乳的ATR吸收光譜如圖3所示。從圖3中可以直觀觀測到光譜曲線輪廓相近，但是不同老化階段的曲線又存在細(xì)微差異。

1.3 移動窗口相關(guān)系數(shù)法

移動窗口相關(guān)系數(shù)法[22-25]是一種用于計算光譜間相似度的方法。對于要進(jìn)行相似度比較的2條光譜，在每一個移動子窗口計算出相關(guān)系數(shù)，把相關(guān)系數(shù)與對應(yīng)窗口的起始位置作圖，可得到移動相關(guān)系數(shù)圖。若2條光譜在某一區(qū)間存在差異，則該區(qū)間的移動相關(guān)系數(shù)將明顯下降；反之若完全相似，則整個光譜范圍的移動相關(guān)系數(shù)都為1。基于時間序列的相關(guān)系數(shù)圖可以跟蹤反映光譜信息隨時間微擾的變動。本文重點探索應(yīng)用移動窗口相關(guān)系數(shù)法研究老化0～1 d、1～2 d、2～3 d過程中光譜數(shù)據(jù)的變化，通過基于時間序列的相關(guān)系數(shù)圖篩選與老化相關(guān)的敏感譜區(qū)，統(tǒng)計譜圖變化規(guī)律即可以初步探索種子老化過程中活力動態(tài)變化。

圖5 3類玉米種子不同老化階段種胚特征波段示意圖Fig.5 Characteristic bands diagrams of three kinds of corn seeds embryos at different aging stages

2 結(jié)果分析

采用移動窗口相關(guān)系數(shù)法計算相鄰老化階段(0～1 d、1～2 d、2～3 d)相關(guān)系數(shù)。若移動窗口相關(guān)系數(shù)圖中相關(guān)系數(shù)偏低，則表明該相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的THz譜區(qū)窗口受老化時間擾動影響較大，篩選得到的光譜區(qū)間則是反映種子老化過程動態(tài)變化的特征譜區(qū)。

2.1 基于時間序列的玉米種胚相關(guān)系數(shù)譜圖解析

窗口寬度是移動窗口相關(guān)系數(shù)法中的重要參數(shù)。窗口寬度過小則相關(guān)系數(shù)個數(shù)過多，可能出現(xiàn)多個由光譜噪聲干擾導(dǎo)致的“偽”特征波段；窗口過大則導(dǎo)致滑動過快，易丟失特征波段信息。經(jīng)過實驗比較，設(shè)定窗口寬度為10。以中地77玉米種子為例，人工老化0～1d的種胚ATR吸收譜的移動窗口相關(guān)系數(shù)如圖4所示。實驗設(shè)定相關(guān)系數(shù)閾值為0.3，則相關(guān)系數(shù)小于0.3對應(yīng)的譜區(qū)窗口即為受老化時間擾動較大的特征光譜區(qū)間。

圖4 中地77玉米種子種胚老化0～1 d移動窗口相關(guān)系數(shù)Fig.4 Moving window correlation coefficient diagram of Zhongdi 77 corn seeds embryo between aging 0 d and 1 d

將所有符合上述條件的特征波段用顏色進(jìn)行標(biāo)識，就可以得到與老化過程密切相關(guān)的特征波段在整個光譜區(qū)間的分布示意圖。圖5為3個品種玉米種子樣本種胚在0～1 d、1～2 d、2～3 d老化過程中的特征波段分布。

從不同品種相同老化階段特征波段分布分析可得，不同品種的玉米特征波段分布顯著不同，如強(qiáng)碩68與中地77、中地168的特征波段分布迥然不同，這可能由于玉米品種不同導(dǎo)致的。本實驗中強(qiáng)碩68相較于后2個品種的玉米，淀粉含量較高。

從圖5中也可以觀察到不同品種的玉米在同一老化階段存在部分共同特征譜區(qū)，如圖中紅色豎線所標(biāo)注區(qū)域：0～1 d老化共同譜區(qū)為61.1～63.5 cm-1(采樣點數(shù)為255～256)、65.7～68.3 cm-1(274～276)、73.4～76.9 cm-1(306～312)；1～2 d老化共同譜區(qū)為48.7～50.8 cm-1(203)、75.3～77.5 cm-1(314)；2～3 d老化共同譜區(qū)為71.2～74.8 cm-1(297～303)、76.7～78.9 cm-1(320)。不同品種的玉米在3個不同老化階段均存在共同譜區(qū)，主要集中在60～80 cm-1范圍，實驗表明盡管樣本品種不同，但是在相同的老化階段均存在某些相近的官能團(tuán)或物質(zhì)成分產(chǎn)生了共性變化。但是共同譜區(qū)所對應(yīng)的種子老化或是活力變化機(jī)理還有待解析。

2.2 基于時間序列的玉米胚乳相關(guān)系數(shù)譜圖解析

胚乳特征譜段篩選和種胚分析類似，設(shè)置窗口寬度為10，閾值為0.3。以中地77玉米種子為例，人工老化0～1 d的胚乳ATR吸收譜的移動窗口相關(guān)系數(shù)如圖6所示。

圖6 中地77玉米種子胚乳老化0～1 d移動窗口相關(guān)系數(shù)Fig.6 Moving window correlation coefficient diagram of Zhongdi 77 corn seeds endosperm between aging 0 d and 1 d

3個品種的玉米樣本在不同老化階段之間的移動窗口系數(shù)特征波段可視化示意圖如圖7所示。

圖7 3類玉米種子老化階段胚乳特征波段示意圖Fig.7 Characteristic bands diagrams of three kinds of corn seeds endosperm at different aging stages

與上述玉米種胚分析結(jié)果類似，不同品種的玉米篩選得到的胚乳特征波段存在明顯差異，但是不同品種的玉米在同一個老化階段也存在共同的特征譜區(qū)，如圖7中紅色豎線所標(biāo)注區(qū)域：0～1 d老化共同譜區(qū)為40.3～42.9 cm-1(168～170)；1～2 d老化共同譜區(qū)為67.6～70.3 cm-1(282～284)；2～3 d老化共同譜區(qū)為70.7～74.6 cm-1(295～302)、73.9～77.5 cm-1(308～314)。分析同一品種玉米種子在0～1 d和1～2 d老化期間篩選得到胚乳和種胚特征譜區(qū)可得，共同區(qū)間較少，差異譜區(qū)較多，表明種胚和胚乳老化過程中的變化是不同的，可能是由于種胚和胚乳所含成分差異較為顯著，導(dǎo)致老化過程中發(fā)生的生理生態(tài)變化也有所不同，但是譜區(qū)對應(yīng)的光譜信息如何映射種子老化或是活力變化還有待解析。

3 結(jié)束語

實驗采集了3個不同品種的玉米種子在老化過程中的太赫茲衰減全反射光譜數(shù)據(jù)，利用移動窗口相關(guān)系數(shù)法搜索種子在不同老化階段的特征譜區(qū)。實驗結(jié)果表明，太赫茲光譜技術(shù)結(jié)合移動窗口相關(guān)系數(shù)法對玉米種子老化過程變化的動態(tài)監(jiān)測是可行的，可為玉米種子老化過程中的活力監(jiān)測提供一種可行的方案。