杨洪伟，张丽颖，纪建伟，王 成，王晓冬，宋 平，宋 鹏



低场核磁共振分析聚乙二醇对萌发期水稻种子水分吸收的影响

杨洪伟1,2,3，张丽颖4，纪建伟1※，王 成2,3，王晓冬2,3，宋 平1，宋 鹏2,3

（1. 沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳 110866；2. 国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；3. 国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097； 4. 辽宁省水稻研究所，沈阳 110161）

为研究聚乙二醇（PEG，polyethylene glycol）处理下水稻种子萌发过程中内部水分分布和变化规律，进而揭示水稻耐旱性在水分吸收规律上的重要特征。应用低场核磁共振的2弛豫谱和质子密度加权成像分析了PEG处理下水稻种子萌发过程中的水分变化，研究了利用蒸馏水（对照）和质量分数分别为10%、20%PEG6000处理对两个水稻品种旱9710、辽星1发芽指标的影响，以及对两个水稻品种萌发0、6、22、48、72 h吸水量的影响，确定单位质量核磁信号幅值与水稻种子湿基含水率的回归函数关系。发芽指标检测结果显示：旱9710耐旱性高于辽星1。质子密度加权成像结果显示：在水分吸收初期，水分子直接通过种子表面裂缝进入种子体内，胚乳中的淀粉粒等物质开始吸水膨胀，种子体积增大。24 h后，种子内营养物质向种胚流动。PEG处理下，水稻种子吸水量明显减少，发芽速度明显降低，且PEG质量分数越高，发芽速度越慢。基于核磁共振理论及2弛豫谱的多组分特征，当反演频率为10 000时，水稻种子萌发过程中的水分分为束缚水与自由水两部分。2弛豫谱结果表明：在蒸馏水和质量分数分别为10%、20%PEG处理下，种子湿基含水率和核磁信号幅值均逐渐增长。PEG处理下，核磁信号幅值增长相比对照处理显著降低（<0.05）。PEG处理抑制了两个水稻品种种子对水分的吸收，PEG质量分数越高，抑制作用越强。PEG处理24 h后，耐旱性强的水稻品种吸水率相比对照处理的降低幅度小于耐旱性弱的品种。回归分析表明，3种处理下，核磁信号幅值和湿基含水率具有一致的线性关系（2=0.983），由回归方程可以求得水稻种子萌发过程中各状态水分的含量。试验为研究水稻种子萌发过程对干旱胁迫的反应机制，开发种子水分微观活体无损检测技术等方面的研究提供理论支持和数据参考。

核磁共振；种子；水分；核磁共振成像；干旱胁迫；萌发过程

0 引 言

干旱是全球最严重的自然灾害之一，持续的干旱逆境会阻碍粮食作物的生长，导致作物大幅减产甚至绝收[1-2]。水稻是全球第二大粮食作物，是全球约50%人口的主粮，但与其他作物相比，水稻的耐旱性较差，更易遭受干旱伤害，所以培育和筛选耐旱性强的旱直播水稻是缓解水资源危机、解决全球粮食问题的主要途径之一。旱直播水稻种子萌发期间的吸水量及水分存在状态与出苗率乃至最终产量息息相关，因此，了解水稻种子萌发过程中水分的迁移规律是进行抗逆水稻品种培育和筛选的关键，目前水分测定常用的烘干减重等方法均只能测定含水量指标，并且都需要进行破坏性试验，而且不能反映种子内部各相态水分变化[3-5]。

低场核磁共振是一种有效的非损伤、非侵入的测量技术，能够检测植株及果实内部水分含量和分布的变化规律，在农产品检测等领域具有巨大潜力[6-9]。目前国内外学者利用低场核磁共振技术的研究主要集中在食品储藏、加工及处理过程中的水分传递[10-12]、食品掺假检测[13-15]、土壤及作物各部位水分分布[16-20]等方面，但利用低场核磁共振技术检测模拟干旱胁迫下萌发期种子水分迁移规律的研究鲜有报道。

本文以水稻种子为研究对象，以低场核磁共振弛豫谱及成像为技术手段，分析在蒸馏水和质量分数为10%、20%聚乙二醇-6000（PEG6000）模拟干旱胁迫处理下，水稻种子萌发0、6、24、48、72 h过程中的内部水分分布及流动规律，由此分析在干旱胁迫下水稻种子萌发过程中的水分吸收及迁移规律，为抗旱水稻种子培育和筛选等方面的研究提供无损检测方法和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

考虑到不同水稻品种对核磁信号的影响，试验中选用耐旱性较强的旱9710和较弱的辽星1水稻种子为试验材料，种子年份2016年，由辽宁省水稻研究所提供。MiNiMR-60核磁共振仪（上海纽迈电子科技有限公司）；HPG-280BX光照培养箱（北京东联哈尔仪器制造有限公司）；电热鼓风干燥箱GZX-9023MBE(上海博讯实业有限公司医疗设备厂)；XS105DU型微量电子天平(瑞士梅特勒托利多科学仪器有限公司)；玻璃培养皿。

化学试剂：PEG6000；NaClO；蒸馏水。

1.2 研究方法

1.2.1 样品制备及处理

试验于2017年8月－2018年1月在国家农业信息化工程技术研究中心微生理实验室及种子品质检测实验室进行，挑选籽粒均匀、饱满的旱9710（H9710）、辽星1（LX1）水稻种子各3 600粒，每组20粒，共180组，30组用于测定核磁信号，150组用于测定不同时期干质量。另取2个品种水稻种子各180粒，每组30粒，共6组，用于核磁共振成像试验，每次对5粒种子一起成像，每处理2个重复，共得到30幅质子密度加权图像。

本试验之前进行了预试验，设置质量分数分别为0、5%、10%、20%、30% 5个PEG浓度[21]，通过发芽试验发现，5%PEG浓度与对照对比不明显，30% PEG浓度导致绝大多数种子不发芽，因而选择对比明显的0、10%、20%PEG浓度。水稻种子萌发前6 h一般为物理吸胀吸水阶段，6～24 h为迟缓吸水阶段，24～48 h为生长吸水阶段[22-23]。因试验中加入了PEG处理，发芽速度变慢，因而试验时间延长到72 h。

每次试验前，先用3%NaClO溶液浸泡种子3～5min消毒处理，然后用蒸馏水冲洗3～5次并用吸水纸吸干表面水分，均匀放置于铺有滤纸的培养皿中，分别用等量的蒸馏水（对照）和质量分数为10%、20%的PEG 6000溶液对种子进行萌发处理，以浸湿滤纸和种子为宜，将各组样本置于温度为（27±1）℃的HPG-280BX光照培养箱中恒温培养，设置12 h光照和12 h无光照交替模式，上述对照处理和各质量分数PEG处理均设置10个重复，在第0、6、22、48、72 h测定种子干质量、鲜质量及核磁波谱信号、核磁成像。

另取2个品种水稻种子各1 000粒，每品种分为10组，每组100粒，用于发芽指标检测。

发芽率=最终发芽种子数/供试发芽总数×100% （1）

发芽势=第4天时全部发芽种子数/

供试发芽总数×100% （2）

发芽指数=ΣG/D（3）

平均发芽时间=Σ(G×D)/最终发芽总数 （4）

式中G为第天发芽种子数,D为相应的发芽天数。

1.2.2 横向弛豫时间2反演谱及质子密度加权图像采集

试验中核磁共振技术主要包含核磁共振弛豫谱分析和核磁共振成像两部分，核磁共振弛豫谱分析主要通过横向弛豫时间2反演谱反映水分子的流动性，核磁共振成像主要通过质子密度加权图像直观显示被测样品的物理、化学及生物反应情况。

试验前，首先将标准油样放入直径为12 mm试管中并置于磁体箱的中心位置，利用FID序列标定中心频率及90°、180°脉宽。然后把油样取出，将待测种子放入该试管中并置于永磁体的中心位置，利用CPMG序列检测水稻种子的核磁信号，每样品重复5次，将每次采集到的核磁信号除以样品的鲜质量，得到单位质量样品的核磁信号，取平均值后导入反演软件T2_InvfitGeneral Ver 4.09，通过反演运算得到单位质量种子样品2反演谱。

核磁成像检测采用SE（spin echo）序列进行质子密度加权成像，采集样本冠状面（coronal）图像，获取水稻种子纵向剖面信息。

1.2.3 种子鲜质量、干质量的测定

将分别萌发至0、6、24、48、72 h的不同处理水稻种子从培养皿中取出，用蒸馏水冲洗3～5次并用吸水纸吸干表面水分后用XS105DU天平称量每组质量取平均值作为该样本鲜质量，称量后放入干燥箱中，105 ℃杀青30 min后，80 ℃烘干至恒质量，称量每组质量取平均值作为该样本干质量。

1.2.4 不同处理下水稻种子湿基含水率核磁共振检测方法的建立

由核磁共振原理可知，横向弛豫时间2反演谱各个峰峰面积总和与被测样品中氢质子的数量成正比，而氢质子主要来自于水分子，因此可以用峰面积总和代表水稻种子中的含水率。利用以上1.2.2和1.2.3节检测的核磁信号幅值及水稻种子鲜质量f、干质量d，可以求出种子的湿基含水率MC（%），计算公式为

MC=(f−d)/f×100% （5）

将每个样品的核磁信号幅值除以该样品的鲜质量得到单位质量样品的核磁信号幅值，由此可以通过回归分析，确定单位质量种子湿基含水率与核磁共振信号幅值的一元线性回归方程，并通过2对回归方程的显著性进行检验。

1.3 数据处理

将核磁共振采集的质子密度加权图像用纽迈核磁共振图像处理软件进行统一灰度、滤波、伪彩。将2反演谱数据用统计分析软件SPSS19.0进行回归分析和方差分析，<0.05为显著水平，<0.01为极显著水平。

2 结果与分析

2.1 不同质量分数PEG处理对水稻种子发芽指标的影响

PEG处理对水稻种子的发芽指标影响显著，如表1中数据所示，相比对照处理，旱9710在10% PEG处理下，平均发芽时间延长了0.75 d、发芽指数降低了18.50%。20% PEG处理下，平均发芽时间延长了1.7 d，发芽指数降低了39.15%。辽星1在10% PEG处理下，平均发芽时间延长了0.7 d、发芽指数降低了30%，20% PEG处理下，平均发芽时间延长了2.8 d，发芽指数降低了60.28%。

相比对照处理，PEG处理明显延迟了2个水稻品种发芽时间，降低了2个水稻品种发芽指数，且对辽星1的抑制作用显著高于旱9710（<0.01）。可见，PEG处理抑制了种子的萌发过程，且20%PEG处理抑制作用高于10%PEG处理。品种间对比，旱9710发芽指数降低幅度明显低于辽星1，可以推断旱9710耐旱性高于辽星1。

表1 不同处理下水稻种子发芽特性变化Table 1 Changes of germination attributes of rice seeds under different solutions

注：表中数据为平均值±标准差，同列数值后小写字母分别表示不同处理下差异达到显著水平（<0.05），大写字母表示差异达到极显著水平（<0.01）。

Note: Values are means ± standard error. Values followed by small letters in the same column are significantly different (<0.05) at different solutions, values followed by capital letters in the same column are highly significantly different (<0.01).

2.2 PEG处理下水稻种子萌发过程核磁共振成像分析

水稻种子萌发过程核磁共振成像主要通过质子密度加权图像来反映种子内部氢质子的分布，水稻种子的核磁共振信号主要来源于氢质子，氢质子密度越大的区域，从图像中可以看到该区域会变得越明亮，由此可以通过质子密度加权像图像的亮度值变化，来反映水稻种子萌发过程中氢质子变化进而推断含水率变化及水分分布情况。

利用MiNiMR-60核磁共振成像系统，重复时间设置为240 s，每次成像约用时70 min，因成像时种子从溶液中取出再次放入对吸水率影响很大，下次成像时使用了不同种子，因此得到的图像种子位置及大小略有差异，为减少种子个体差异对试验结果的影响，每次选取5粒种子一起成像，每次成像2个重复。

利用核磁共振成像系统得到的种子成像灰度图能清楚显示种子轮廓及从整体反映吸水量大小（如图1），但不能细致的区分水分在各部位的分布及流动，因此对灰度图进行统一映射、滤波、伪彩处理，得到具有更高辨识度的彩色图像（如图2），利用灰度图结合伪彩图，能更好的分析PEG处理下水稻种子萌发过程中水分的吸收情况。

图1 对照处理下旱9710种子萌发灰度图

水稻种子萌发起始于亲水胶体的吸胀吸水，终止于胚根的伸长生长。图1是对照处理下旱9710水稻种子萌发过程中0、6、24、48、72 h时成像灰度图，图2a是对照处理下成像伪彩图。初始时，种子腹面基部种胚位置亮度明显高于其他位置，这是因为种胚中蛋白质和脂肪含量较高[22]，因而氢质子密度较大。通过灰度图（图1）可以看出，6 h后，种子体积逐渐增大，各部位亮度逐渐升高，这可能是由于种子胚乳中的淀粉粒等物质开始吸水膨胀，水分增加，酶开始活动，种子代谢活动增强，胚乳中的淀粉粒等营养物质被分解成葡萄糖等可溶性物质，同时种胚吸收这些被分解的物质，形成新的复杂的有机物，构成新细胞，使细胞数目增多，体积增大，48 h后开始“露白”，72 h后开始长出胚根和胚芽。

注：亮度表示样品中氢质子密度大小。

图2a水稻种子在萌发6 h后，种胚亮度及面积明显增大，这是由于水分子通过种子表面裂缝进入种子体内，胚乳中的淀粉粒等物质开始吸水膨胀，24 h时，整个种子的亮度已基本一致，说明种子已吸水充足，其中2粒种子由于个体差异吸收水分相比其他3粒稍少一些。种子吸足水分后，上皮细胞和糊粉层可以分泌一些酶类，把胚乳中的淀粉、蛋白质等分解为可溶性营养物质，并将这些营养物质吸收转运到正在生长的胚中，种胚体积进一步扩大，胚根开始突破种皮，因而48h时，图像显示种胚亮度及面积明显增加，图像下部亮度及区域明显减小，72 h时，种胚进一步吸收营养物质，胚根继续生长，胚芽开始长出。

图2b～c是PEG处理下旱9710水稻种子萌发过程核磁成像，从图像可以清楚的看出PEG处理抑制了种子萌发的速度，前24 h，相比对照处理，种子亮度区域明显较小，48、72 h时，水稻种子的发芽速度明显低于对照处理，10%PEG处理72 h时才开始“露白”，而20%PEG处理则更为迟缓，这与前人的研究结果是一致的[24-26]。这可能是PEG处理下，水分供应不足，难以满足物质代谢的需求，酶的活化速度以及养料的分解和转运速度降低，使种子萌发受到抑制或发芽延迟。

2.3 PEG处理下核磁信号幅值与不同相态水分关系的建立

种子的萌发过程与种子含水率及存在状态密切相关，种子中的水分一般分为束缚水和自由水2种状态。干燥水稻种子的水分绝大部分以束缚水形式存在，细胞原生质呈凝胶状态，只进行微弱的物质转化和呼吸作用。种子吸水后，促使原生质由凝胶状态向溶胶状态转变，为酶和可溶性物质提供了溶剂，物质转化效率提高。同时种子吸水后种皮变软，膜透性增强，使氧气容易透入，种子内部胚细胞呼吸加剧，进而加快了胚乳中的淀粉、蛋白质等营养物质的分解和转运，使胚细胞不断生长、分裂，突破种皮，逐渐生长出胚芽和胚根[22-23]。

图3 不同处理下单位质量旱9710水稻种子T2反演谱

由核磁共振原理可知，横向弛豫时间2与氢质子的种类和体系所处的理化状态有着紧密的关系，样品本身的性质决定了弛豫时间，因此通过分析样品的横向弛豫时间就可以分析研究样品中水分子与其他物质的结合紧密程度。不同的2弛豫时间代表不同相态的水分，依据相态的不同，将2弛豫时间分为短弛豫时间21和长弛豫时间22，21代表的水分称为束缚水，22代表的水分称为自由水，对应的核磁信号幅值称为21和22。图3为反演频率为10 000时，对照处理和质量分数为10%、20%PEG处理下旱9710水稻种子经过0、6、24、48、72 h萌发时间的2反演谱，2反演谱横坐标表示横向弛豫时间2，2值越大，代表水分子与其他物质结合的越疏松，纵坐标代表单位质量样品核磁信号强度，信号越强代表氢质子数量越多，含水量越大，从图3a～3c可以看出，对照处理和PEG处理下2反演谱均呈现出两个峰，由以上分析可知，0～10 ms的大峰代表束缚水信号幅值，10～100 ms的小峰代表自由水信号幅值。随着萌发时间的延长，3种处理下，两个峰面积均逐渐增加，表明3种处理下，水稻种子吸水量均不断增加。PEG处理下，两个峰面积增加幅度均小于对照处理，且20%PEG处理下峰面积增加幅度小于10%PEG处理，表明PEG处理限制了水稻种子对水分的吸收，PEG质量分数越大，限制作用越大。

2.4 PEG处理对不同相态水分核磁信号幅值的影响

通过表2数据发现，PEG处理对2个水稻品种萌发过程中核磁信号幅值影响显著（<0.05）。PEG处理下，随着萌发时间延长，核磁信号幅值逐渐增加，但相比对照处理，萌发相同时间后，束缚水增加幅度降低，且PEG质量分数越高，降低幅度越大，自由水则呈现不规律的振荡趋势。以旱9710为例，相比初始，对照处理6、24、48、72 h后，核磁信号幅值（束缚水和自由水信号幅值之和）分别增加了196.19%、248.59%、273.42%、289.66%，6、24 h时吸水急剧增加，24 h后吸水幅度变慢，这是因为前24 h属于种子萌发的物理吸胀阶段，依靠原生质的吸胀作用快速吸水，24 h后属于种胚萌动阶段，在这一阶段，种子内生物化学活动开始活跃，呼吸作用增强，需水量减少。相比初始，10%PEG处理6、24、48、72 h后，核磁信号幅值分别增加了172.38%、227.59%、254.32%、278.85%。相比初始，20%PEG处理6、24、48、72 h后，核磁信号幅值分别增加了158.44%、211.02%、240.31%、255.43%。从图1也可以看出，对照处理和PEG处理下，随着萌发时间的延长，各个峰对应的面积均逐渐增加，但PEG处理下增加幅度小于对照处理，可见，PEG处理下，水稻种子吸水量减少。这与核磁成像显示的结果是一致的。这可能是PEG处理下，溶液中渗透势增强，水势降低，进入种子内的自由水降低引起酶和可溶性物质活动减弱，蛋白质和糖类等营养物质积累减少，这些物质中的亲水基吸附自由水分子成为结合水的能力减弱，同时毛细管的面积减少也使吸附的束缚水含量减少，PEG质量分数越高渗透势越强，水势越低，代谢活动越缓慢，需水量越少[27-29]。

表2 不同质量分数PEG处理下单位质量旱9710、辽星1水稻品种束缚水、自由水信号幅值变化Table 2 Change of bound water signal amplitude and free water signal amplitude under different mass fraction PEG solution of per unit mass H9710 and LX1 rice varieties

注：表中数据为平均值±标准差，同行数值后小写字母分别表示不同处理下21或22差异达到显著水平（<0.05），大写字母表示差异达到极显著水平（<0.01）。

Note: Values are means ± standard error. Values followed by small letters in the same row stand for that21or22are significantly different (<0.05) respectively at different solutions, values followed by capital letters in the same row are highly significantly different (<0.01).

2.5 不同质量分数PEG处理下种子吸水率与耐旱性的关系

不同水稻品种耐旱性与吸水率密切相关。设Δ1为种子萌发相同时间后，单位质量核磁信号幅值相比初始状态的增长率，即种子的吸水率。以萌发6 h为例，则Δ1(6 h)表示如下：

Δ1(6 h)=((6 h)−(初始))/(初始)×100% （6）

其中为初始或萌发一定时间后核磁信号幅值（束缚水和自由水信号幅值之和）。

由公式（6）可以计算出，种子萌发6、24、48、72 h后，旱9710在10%PEG处理下吸水率Δ1相比对照处理下吸水率Δ1分别降低了23.81%、21.00%、19.10%、10.82%，在20%PEG处理下分别降低了37.74%、37.58%、33.11%、34.24%。辽星1在10%PEG处理下分别降低了15.45%、21.50%、33.86%、29.48%，在20%PEG处理下分别降低了15.38%、44.46%、63.30%、61.62%。由图4两个水稻品种种间对比发现，PEG处理下，前24 h，同一时间两个水稻品种吸水率相比对照处理的降低幅度呈现不规律的波动，24 h后，同一时间相同质量分数PEG处理下，旱9710水稻种子吸水率相比对照处理的降低幅度均小于辽星1。从2.1节不同质量分数PEG处理对水稻种子发芽指标的影响可知，旱9710耐旱性高于辽星1。因此由以上分析可以推断，PEG处理抑制了两个水稻品种种子对水分的吸收，PEG质量分数越高，抑制作用越强。PEG处理24 h后，耐旱性强的水稻品种吸水率相比对照处理的降低幅度小于耐旱性弱的品种。

图4 单位质量旱9710、辽星1水稻种子吸水率相比对照处理降低幅度对比

2.6 PEG处理下单位质量样品核磁信号幅值与种子湿基含水率的关系

因为核磁信号幅值与样品中氢质子的数量成正比，所以可用其表示样品中的相对总水含量，通过单位质量样品核磁信号幅值与种子湿基含水率的线性回归曲线，可以定量得到萌发期水稻种子总水分和不同相态的水分含量。因此，通过分析核磁共振2反演谱可以间接反映出种子萌发过程水分的分布及迁移规律。

2个水稻品种旱9710、辽星1在质量分数为10%、20%PEG处理6、22、48、72 h后，分别相比同期对照处理，水稻种子的湿基含水率依次降低，核磁信号总幅值也依次降低。利用SPSS19.0软件进行回归分析，3种处理下，单位质量样品核磁信号幅值和湿基含水率具有较为一致的线性关系[30]（如图5），回归方程为=287.69+728.8（2=0.983），对回归方程进行显著性检验，=7 230.24，<0.05，达到显著水平，根据回归方程去计算水稻种子萌发过程中各状态水分的含量是可信的。

图5 单位质量种子样品核磁信号幅值与湿基含水率回归分析

3 结 论

1）对2个水稻品种旱9710、辽星1进行对照处理（蒸馏水）和PEG 6000（质量分数为10%、20%）处理72 h发芽试验，相比对照处理，PEG处理明显延迟了2个水稻品种发芽时间，降低了2个水稻品种发芽指数，且对辽星1的抑制作用显著高于旱9710（<0.01）。可见，PEG处理抑制了种子的萌发过程，且20%PEG处理抑制作用高于10%PEG处理。两个品种间对比，旱9710发芽指数相比对照处理的降低幅度明显低于辽星1，可以推断旱9710耐旱性高于辽星1。

2）核磁共振质子密度加权像显示，水稻种子萌发过程中水分吸收初期，水分子直接通过种子表面裂缝进入种子体内，胚乳中的淀粉粒等物质开始吸水膨胀，种子含水量逐步增加，种子体积逐渐增大，24 h后，种子内营养物质向种胚流动，为胚根和胚芽生长提供充足营养。这与利用2弛豫谱检测的结果是一致的。利用核磁共振成像系统得到的灰度图结合伪彩图，能直观的显示水稻种子萌发过程中水分的吸收和流动规律。

3）在质量分数为10%、20%的PEG6000处理下，2个水稻品种旱9710、辽星1水稻种子萌发过程中核磁信号幅值逐渐增加，分别相比对照处理，束缚水信号幅值及自由水、束缚水信号幅值之和明显降低（<0.05），PEG质量分数度高，降低幅度越大。PEG处理抑制了2个水稻品种种子对水分的吸收，PEG质量分数越高，抑制作用越强。PEG处理24 h后，耐旱性强的水稻品种吸水率相比对照处理的降低幅度小于耐旱性弱的品种。

4）通过回归分析，对照处理和质量分数为10%、20%的PEG6000处理下，种子萌发过程中湿基含水率和核磁共振2弛豫谱总幅值存在一致的线性关系（2=0.983），对回归方程进行显著性检验，=7 230.24，<0.05，达到显著水平，通过回归方程可以求得水稻种子萌发过程中各状态水分的含量。

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Analysis on water absorption of rice seeds during germination process under polyethylene glycol solution using low-field nuclear magnetic resonance

Yang Hongwei1,2,3, Zhang Liying4, Ji Jianwei1※, Wang Cheng2,3, Wang Xiaodong2,3, Song Ping1, Song Peng2,3

(1.110866; 2.100097; 3.100097; 4.110161)

Water absorption is one of the major factors limiting rice seeds germination rate.It is very important to study the drought-tolerance mechanism of rice under drought stress, in order to improve the drought-tolerance capacity of rice and thereby increase the yield. In this paper, 2 varieties of rice seeds were placed in 10%, 20% PEG (polyethylene glycol) 6000 solution and control solution respectively, and moisture variation was analyzed with2relaxation spectrum and proton density weighted image of low field nuclear magnetic resonance (NMR) 0, 6, 22, 48, and 72 h later after seed germination. The influence of PEG solution on water absorption was studied, and the regression equation was deduced between relative moisture content and total signal amplitude of nuclear magnetic signal in this paper.The proton density weighted images obtained by the magnetic resonance imaging system can show the absorption and flow patterns of water during the germination of rice seeds directly. The germination test results showed that the drought resistance of H9710 is higher than that of LX1. The proton density weighted image results showed that water molecules enter the seed directly through cracks on the seed surface, and embryo absorbs water molecules and expands downwards firstly. After 24 h, the nutrient in the seeds flows to the seeds embryo to provide adequate nutrition for the growth of the radicle and germ. The seeds absorbed less water and the germination process was inhibited obviously under PEG stress, and the higher the PEG mass fraction, the less the water absorption and the slower the germination process.This is consistent with the results of2relaxation spectrumdetection. Based on the theory of NMR and multicomponent characteristics of2relaxation spectrum, when inversion frequency was 10000 times, the water in rice seeds during germination was categorized into 2 phases, which were short relaxation time standing for bound water and long relaxation time standing for free water. The2relaxation spectrum results suggested that the amplitude of NMR signals of the bound water, that of the free water and the total amplitude all increased gradually. The drought tolerance of rice seeds is closely related to the relative water absorption rate after 24 h, and PEG solution inhibits the absorption of water; the higher the PEG mass fraction, the stronger the inhibition. The relative water absorption rate of rice varieties with stronger drought resistance was higher than that with weaker drought resistance. The change of NMR signals directly reflects the moisture distribution and water absorption of rice seeds during germination. In addition, the moisture content of the seeds and the total amplitude of NMR signals were positively correlated(2=0.983). This indicated that the data obtained by NMR technique were consistent with those obtained by the conventional dry-weight weighing method. Therefore it is a proper method to detect the moisture content in seeds during germination with NMR technique. By this regression equation, the moisture content of each state of water during seed germination can be calculated. These empirical data offer a reference for the study of rice seeds’ response mechanism under drought stress during seed germination and the screening of germplasm resources, and also develop a new nondestructive detecting technology of moisture for plants under stress.

nuclear magnetic resonance; seeds; moisture; magnetic resonance imaging; drought stress; germination process

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.036

S351.5+1

A

1002-6819(2018)-17-0276-08

2018-04-07

2018-05-27

国家自然科学基金项目（31701318、31601216）、国家重点研发计划（2017YFD0701205）和北京市农林科学院科技创新能力建设专项（KJCX20170418）联合资助

杨洪伟，博士生，从事农业信息化与精准农业方面的研究。 Email：yhwsyau@163.com

纪建伟，博士，教授，主要从事农业生物环境控制与智能检测研究。Email：jianweiji7879@163.com

杨洪伟，张丽颖，纪建伟，王 成，王晓冬，宋 平，宋 鹏. 低场核磁共振分析聚乙二醇对萌发期水稻种子水分吸收的影响[J]. 农业工程学报，2018，34(17)：276－283. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.036 http://www.tcsae.org

Yang Hongwei, Zhang Liying, Ji Jianwei, Wang Cheng, Wang Xiaodong, Song Ping, Song Peng. Analysis on water absorption of rice seeds during germination process under polyethylene glycol solution using low-field nuclear magnetic resonance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 276－283. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.036 http://www.tcsae.org