基于核磁共振的冬小麦种子萌发过程和植株水分分布规律研究
作者单位：西北农林科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：何建强
授予年度：2015年
主 题：核磁共振 弛豫谱 冬小麦 种子萌发 吸水率 水分分布 含水率
摘 要：冬小麦是我国北方干旱和半干旱地区主要粮食作物之一。干旱胁迫常常影响冬小麦种子的萌发、出土以及全苗和壮苗;与此同时,作物体内的水分对环境有实时响应,会随生长发育发生明显变化,这关系到植株的代谢活性、同化物累积以及最终产量。因此,长期连续检测冬小麦种子萌发过程和植株水分的分布规律,能够更直接更准确地揭示冬小麦种子萌发的吸水模式以及植株的生长、衰老过程,从而为研究冬小麦健康生长耗水规律和制定合理的灌溉制度提供理论基础。然而,现阶段很多技术对作物种子萌发和植株生长过程进行水分检测时,会对种子和植株造成一定的损坏或损伤,难以真实反映作物种子吸水过程和植株的水分运移规律。本文以核磁共振技术为手段,利用其无损、非侵入的技术优势,研究了冬小麦种子萌发过程的水分吸收、分布模式,以及活体冬小麦植株水分的分布状况和连续变化过程。通过对冬小麦种子连续72 h的核磁共振成像和T2弛豫检测,以及对小麦植株乳熟期至成熟期各器官T2弛豫谱的检测和分析,得到了如下一些主要结论:(1)对小麦种子吸胀、萌动以及萌发这三个典型时期的核磁成像观测,发现吸胀阶段(0-6 h)种子因大量吸水体积明显增大,皮层、胚和珠心突起水分含量明显增加;萌动阶段(6-22 h)皮层的水分含量较高,与水分含量较低的胚乳分离明显,珠心突起的水分亦较高,并有向胚乳扩散的趋势,表明种子内部水分并非来源于皮层和胚,而是主要来源于珠心突起,这与目前一些教材中的观点不同。此时胚的水分含量和体积均逐渐增大且轮廓清晰,表明此时胚细胞开始分裂和伸长,胚芽鞘体积增大明显;萌发阶段(22-72 h)22 h发生“露白,24 h胚根长出,27 h胚芽鞘突破种皮。随后水分通过破口和胚根进入种子,胚乳水分含量迅速升高并开始活化,由靠近胚的糊粉层下的细胞开始,逐渐向种子中央推移,这些变化是从外界无法直接观测的。(2)小麦种子萌发期间的吸水率变化存在三个阶段,即第一阶段快速吸水期,吸水率迅速增大;第二阶段平稳吸水期,吸水率逐渐增大,与传统种子萌发研究过程认为的第二阶段为吸水停滞不相符,可能是由检测过程中变温效应和磁致生物效应所致;第三阶段振荡吸水期,吸水率存在较大幅度的振荡,这可能与胚根吸水有关。胚根逐渐增多,吸水能力增强,同时代谢活动更加旺盛,当种子中需要更多的水分进行代谢时,根系就会大量吸水,以满足当时的代谢活动,随之根系的吸水量减缓,直到下一次代谢所需水分与吸水量之间不能平衡时,又会再一次大量吸水,表现为吸水率上下振荡的变化趋势。(3)分析小麦植株各器官T2弛豫谱特征及其反映的代谢特性,分别推求出小麦叶片、茎秆和穗的信号幅值与被检测器官纯水含量以及鲜质量的回归函数关系,在此基础上建立了测量活体冬小麦植株各器官湿基含水率的检测方法。对核磁共振湿基含水率检测方法的可靠性验证表明,由核磁共振法和烘干法测定的小麦叶片、茎秆和穗的湿基含水率均方根误差分别为:5.3%、3.5%、3.3%。(4)将该检测方法用于监测同一株冬小麦各器官湿基含水率的长期变化和日变化过程,结果显示,乳熟期至成熟期,小麦各个器官的湿基含水率均逐渐减小,而叶片湿基含水率的日变化则呈现先减小后增大的趋势。乳熟期叶片的湿基含水率由8:00逐渐减少,且在14:00-16:00达到最低值后开始恢复,于20:00恢复至当日初始水平。成熟期叶片湿基含水率由8:00逐渐减少,但在20:00不能恢复至日内的初始水平。总之,核磁共振技术能够连续而准确地揭示冬小麦种子和植株内部水分的连续变化和分布规律,实现了外界无法直观观测项目的定量测定,为研究冬小麦种子萌发的控制、植株健康生长的耗水规律以及制定合理的灌溉制度提供理论依据。
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