CN112913372A - 一种基于氢气的农作物种子质量改良方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于氢气的农作物种子质量改良方法，属于农作物生产领域。本发明通过在农作物种子生产过程中采用氢气处理，有效并安全的提高农作物种子的质量，克服了遗传改造只能针对少数甚至单个性状改良的缺陷，从而避免了可能出现的生物安全问题。同时，本发明还克服了传统育种过程中因化学诱变剂的使用而引起的环境污染，以环境友好型的方式为下一轮农业生产提供了高质量的种子。本发明可结合育种过程中翻耕、播种和去雄多个育种生产环节使用，兼容性高，可广泛应用于育种生产的各个阶段。本发明所述的农作物为广义的农作物，包括但不限于玉米、小麦、水稻、粟、大豆、马铃薯、花生、油菜、藜麦、烟草和蔬菜。

Description

一种基于氢气的农作物种子质量改良方法

技术领域

本发明属于育种领域，特别是一种基于氢气的种子质量改良方法。

背景技术

农业是立国之本，也是国民经济发展的重要基础。良好的农业生产离不开优质的种子。种子的质量在很大程度上决定了农产品的产量和品质。

为了获得高质量的种子，育种工作需要从源头抓起，同时在育种过程中还要注意除杂和去雄。目前，尚无相关的发明专利将氢气直接用于农作物育种。通常，育种过程中的除杂工作主要依靠人工进行，效率十分低下。近些年来，一些除杂机器逐渐被用于育种生产的除杂工作。例如中国发明专利“一种育种小区玉米收获机用除杂集种装置(专利申请号：CN201620196511.X)”提供了一种收集种子时除杂的装置，其分离原理是根据种子空气动力学性质的不同在风力下进行分离。但是其没有从本质上提高种子的质量，仅仅是以机械取代人工，且风力分离过程中还会对种子造成损伤。本发明提供的一种基于氢气的种子质量的改良方法，可在育种的翻耕、播种和去雄环节使用，从根本上提高了种子的质量。例如，即使不对育种生产得到的种子进行除杂处理，基于氢气的种子质量改良方法也能收获高质量的种子，从而减少了用于除杂的人工成本和设备成本。大规模育种生产的去雄阶段目前主要依靠化学去雄剂处理。例如中国发明专利“一种黑松化学去雄方法(专利申请号：CN201811060004.3)”将去雄剂喷洒于黑松上达到去雄的目的。但是，去雄剂大多为化学试剂，包括草甘膦水剂、乙氧氟草醚乳油等。化学去雄药剂的使用会在育种过程中引入毒害物质，如果剂量控制稍加不慎，就会使育种所得的种子无法应用于生产，甚至危害人来健康。本发明提供的一种基于氢气的种子质量的改良方法，可以有效降低去雄剂的用量，从根本上减少去雄剂对育种生产的可能损害；同时该方法还可以降低去雄剂在植物体内的残留。

育种工作需要的不仅仅是从源头抓起的去雄和除杂工作，更重要的是种子的生长过程。只有合理的种子栽培过程，才能最终提高收获的育种种子质量。育种生产的环节众多，主要可以划分为翻耕、播种、灌溉、施肥、喷洒农药。不同的农作物之间和同一农作物不同生产阶段之间生产条件的差异性很大。育种生产的各个阶段对营养物质和环境的要求也不尽相同，单靠调整肥料的配比和灌溉频率等传统方法不能精确满足所有育种生产的要求。因此，找到一种对物种和育种阶段兼容强的育种改良办法是当前育种生产中亟待解决的重大问题之一。

育种时对翻耕阶段的处理大多集中在对土壤消毒和添加肥料上。为了达到提高种子质量的目的，多种杀菌剂和添加剂被用于翻耕阶段。中国发明专利“油用牡丹的育种方法”(专利申请号：CN201710604225.1)中记载，在翻耕阶段使用五氯硝基苯对土壤进行杀菌可以提种子的成活率。但是五氯硝基苯是一种有机氯类杀菌剂，在土壤中的残留时间较长，若使用不当会危害人类的生命健康。本发明提供的一种基于氢气的农业改良方法在土壤翻耕阶段的添加剂为氢气、产氢(储氢)材料或其他提供氢气的物质，无污染，不会对人类的生命健康造成威胁，而且氢气可以在不影响土壤杀菌效果的前提下降低作物中杀菌剂的积累。

科学、合理的播种方法是育种过程最终收获优质种子的重要保障。目前，育种过程中多用“引发剂”对种子进行处理，以提高育种过程中种子生长的质量，并最终得到品质优良的种子。但是“引发剂”对物种的兼容性不高，需要根据实际育种条件对“引发剂”的浓度和成分进行调整。而且，引发剂大多为化学试剂，若使用量控制不当，会对育种过程造成不可挽回的严重影响，使育种所得种子不能使用，甚至可能危害人类的健康。例如，中国发明专利“一种促进江南油杉种子萌发的方法”(专利申请号：CN202010770217.6)中记载，用氢氧化钠和碱性脂肪酶浸泡搓洗油杉种子后再用高锰酸钾浸泡后可以提高种子的发芽率。但是化学试剂处理对人类健康具有潜在的威胁，有害物质可以沿食物链向人类积累。本发明提供的一种基于氢气的农业改良方法在播种阶段将种子浸泡于富氢水或者将种子与产氢材料混合后播种，无污染，不会对人类的生命健康造成威胁。

杂交育种、诱变育种、自交育种和基因工程育种是当前育种的主要办法。杂交育种合自交育种的周期很长，需要对后代进行大量的筛选，工作量巨大；诱变育种成功率和存活率低，大多数诱变性状并不利于生产；基因工程育种投入大，且技术实施复杂，对实验条件要求很高。目前尚无将氢气用于育种领域的专利。本发明提供的一种基于氢气的农业改良方法，将氢气用于育种，从而提高种子的质量，在一定程度上加快了育种工作的进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氢气的育种方法，并具有对农作物育种阶段、农作物品种和农作物育种方法段兼容性强的特点。

本发明可用于农作物种子生产过程中的翻耕、播种和去雄阶段。本发明所使用的气体为氢气，对人体无毒无害，且无污染。本发明还具有以下优点：

1)原料来源广泛：本发明所使用的氢气来源广泛，可来源于氢气钢瓶或供氢管道等，同时还包括电解以及其它物理、化学或生物方法产氢。

2)应用范围广：本发明提供的一种基于氢气的农业改良方法可应用于各种农作物生产过程中，包括但不限于玉米、小麦、水稻、粟、大豆、马铃薯、花生、油菜、藜麦、烟草和蔬菜。

具体实施方式

下面是本发明具体实施方式的进一步说明，对于这些实施方式的说明仅限于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。

以下实施例中：

农产品千粒重检测参照GB5519-85粮食、油料检验干粒重测定方法进行测定；

种子发芽势和发芽率检测参照金燕，胡大明，郑超，华琳，蒋其根，张俊.种子发芽率检测误差产生的原因及解决方法探讨[J].上海农业科技，2019(01)：127-128；

种子净度检测参照余亚莹.四大农作物品种种子质量检测-净度分析技术.湖南省，湖南省水稻研究所，2018-10-11；

单株产量检测参照郭娜，左凯峰，张淼，张冰冰，秦梦凡，马宁，刘翔，李青青，黄镇，徐爱遐.甘蓝型油菜主要株型和产量性状的综合分析[J].西北农业学报，2020，29(06)：898-906；

理论亩产测定参照农业部通知“全国粮食高产创建测产验收办法(试行)”公开的方法；

玉米矮杆率测定参照王文秀，郑红艳，徐妙云，邹俊杰，张兰，王磊.玉米矮杆突变体的筛选与候选基因鉴定[J].中国农业科技导报，2019，21(11)：27-34。

实施例2中富氢水的氢气来源为市售氢气钢瓶；实例3中氢气来源为管道输送氢气；实施例4中富氢水的氢气的来源为氢气发生器制备的氢气；实施例5中氢气的来源为微生物发酵产氢。

实施例1：基于氢气的改良育种，并降低除杂成本

试验于句容市郊水稻(品种：沪软1212)育种田内进行。将4亩育种田均分为8份，种植时使用不同方式处理种子。设置处理为：

对照：按当地生产方法进行育种生产，不处理种子，收获时不进行机械除杂；

除杂：按当地生产方法进行育种生产，不处理种子，收获时进行机械除杂；

0.1不除杂：按当地生产方法进行育种生产，播种时每千克种子混合0.1克二氢化镁，收获时不进行机械除杂；

1不除杂：按当地生产方法进行育种生产，播种时每千克种子混合1克二氢化镁，收获时不进行机械除杂；

10不除杂：按当地生产方法进行育种生产，播种时每千克种子混合10克二氢化镁，收获时不进行机械除杂.

0.1除杂：按当地生产方法进行育种生产，播种时每千克种子混合0.1克二氢化镁，收获时进行机械除杂；

1除杂：按当地生产方法进行育种生产，播种时每千克种子混合1克二氢化镁，收获时进行机械除杂；

10除杂：按当地生产方法进行育种生产，播种时每千克种子混合10克二氢化镁，收获时进行机械除杂。

育种结束后，测量水稻种子的千粒重、发芽率和净度，结果如表1所示：

表1.不同育种处理水稻种子的千粒重、发芽率和净度

育种试验结果表明，收获时进行除杂可以提高种子的千粒重和净度，但会降低种子的发芽率，这可能与机械除杂时对种子造成的损伤有关。相比于对照和除杂两个处理，播种时在种子中混入二氢化镁，收获时再进行除杂，以及播种时在种子中混入二氢化镁后不进行除杂，均同时提高了水稻种子的千粒重、发芽率和净度。以上结果说明播种时在种子中混入适量产氢材料可以提高育种所得种子的质量，从根本上减少了机械除杂对发芽率的负面影响。使用产氢材料后进行除杂与不进行除杂所得种子的质量相差不大。更重要的是，使用产氢材料后的种子即使育种收获时不进行除杂，所得种子的质量仍然高于单独除杂处理，显然降低了除杂的人工成本和机械成本。

实施例2：基于氢气的去雄改良育种试验

试验于新泰市郊的油菜育种田内进行，育种品种为“天油5号”，所用去雄剂为磺酰脲类去雄剂ESP。将4亩试验田均分为8份，使用不同的方法进行去雄。设置处理为：

半对照：使用一半推荐剂量的且用地表水配置的ESP，对油菜进行去雄处理；

对照：使用推荐剂量的且用地表水配置的ESP，对油菜进行去雄处理；

半1氢水：使用一半推荐剂量的且用1％(饱和浓度，下同)富氢水配置的ESP，对油菜进行去雄处理；

半10氢水：使用一半推荐剂量的且用10％富氢水配置的ESP，对油菜进行去雄处理；

半100氢水：使用一半推荐剂量的且用100％富氢水配置的ESP，对油菜进行去雄处理；

1氢水：使用推荐剂量的且用1％富氢水配置的ESP，对油菜进行去雄处理；

10氢水：使用推荐剂量的且用10％富氢水配置的ESP，对油菜进行去雄处理；

100氢水：使用推荐剂量的且用100％富氢水配置的ESP，对油菜进行去雄处理。

育种结束后，对油菜种子的发芽率和净度以及种子再种植之后的单株产量进行测定。结果如表2所示：

表2.不同育种处理后油菜种子的发芽率和净度以及再种植之后的单株产量

育种试验结果表明，使用富氢水配置去雄剂可以提高去雄剂在育种中的效果，包括提高种子的发芽率和净度，以及提高育种所得种子再种植之后的油菜单株产量。更重要的是，使用10％富氢水配置的一半推荐剂量ESP去雄剂应用于育种的效果优于使用推荐计量ESP去雄剂的效果。以上试验结果表明，使用富氢水配置化学去雄剂ESP可以提高该去雄剂的效果，且富氢水在育种效果上可以替代一半剂量的化学去雄剂ESP。

实施例3：基于氢气的翻耕改良育种试验

试验于玉溪市郊烟草育种试验田内进行，育种品种为“云烟87”。将7亩试验田均分为 14份，使用不同方法进行翻耕，翻耕后统一进行机械化种植，后续处理完全一致。设置处理为：

对照：进行机械化翻耕；

消毒：进行机械化翻耕时使用五氯硝基苯对土壤消毒；

10氢气：进行机械化翻耕后在上地表面覆膜并注入10升氢气进行熏蒸；

100氢气：进行机械化翻耕后在土地表面覆膜并注入100升氢气进行熏蒸；

1000氢气：进行机械化翻耕后在土地表面覆膜并注入1000升氢气进行熏蒸；

10氢气+消毒：进行机械化翻耕后使用五氯硝基苯对土壤消毒，然后在土地表面覆膜并注入 10升氢气进行熏蒸；

100氢气+消毒：进行机械化翻耕后使用五氯硝基苯对土壤消毒，然后在土地表面覆膜并注入100升氢气进行熏蒸；

1000氢气+消毒：进行机械化翻耕后使用五氯硝基苯对土壤消毒，然后在土地表面覆膜并注入1000升氢气进行熏蒸；

10材料：进行机械化翻耕时混合10克氨硼烷产氢材料；

100材料：进行机械化翻耕时混合100克氨硼烷产氢材料；

1000材料：进行机械化翻耕时混合1000克氨硼烷产氢材料；

10材料+消毒：进行机械化翻耕后使用五氯硝基苯对土壤消毒，并混合10克氨硼烷产氢材料；

100材料+消毒：进行机械化翻耕后使用五氯硝基苯对土壤消毒，并混合100克氨硼烷产氢材料；

1000材料+消毒：进行机械化翻耕后使用五氯硝基苯对土壤消毒，并混合1000克氨硼烷产氢材料。

收获后对各个育种处理烟草种子的发芽势、发芽率和再种植后的千粒重进行测定，结果如表3所示：

表3.不同育种处理后烟草种子的发芽势、发芽率以及再种植后的千粒重

结果表明，相较于对照组，翻耕时使用氢气熏蒸或添加产氢材料都可以显著提高烟草种子的发芽势与发芽率，以及育种所得烟草种子再种植后的千粒重。更重要的是，使用消毒剂对土壤进行处理后，再使用氢气熏蒸或者添加产氢材料都可以提高烟草种子的发芽势与发芽率，以及育种所得烟草种子再种植后的千粒重。

实施例4：基于氢气的播种改良育种试验

试验于徐州市郊小麦育种试验田内进行，育种品种为“徐麦36”。9亩试验田均分为9份，播种时按照下列方法对种子进行处理，使用的商业“引发剂”为含高锰酸钾的种子浸泡液，后续生产阶段的操作保持一致。设置处理为：

对照：正常种植，不对种子进行处理；

正常对照：正常种植，使用商业“引发剂”对种子进行处理；

0.1产氢材料：正常种植，每千克小麦种子混合0.1克二氢化镁进行播种；

1产氢材料：正常种植，每千克小麦种子混合1克二氢化镁进行播种；

10产氢材料：正常种植，每千克小麦种子混合10克二氢化镁进行播种；

10min富氢水：正常种植，小麦种子在浓度为100％的富氢水中浸泡10分钟后进行播种；

1h富氢水：正常种植，小麦种子在浓度为100％的富氢水中浸泡1小时后进行播种；

1d富氢水：正常种植，小麦种子在浓度为100％的富氢水中浸泡1天后进行播种；

5d富氢水：正常种植，小麦种子在浓度为100％的富氢水中浸泡5天后进行播种。

收获后对各个育种处理所得小麦种子的千粒重和萌发率以及种子再种植的产量进行测定，结果如表4所示：

表4.各个育种处理所得小麦种子的萌千粒重和萌发率以及收获种子再种植的产量

结果表明，相较于对照组，播种前的种子使用商业“引发剂”处理、富氢水浸泡或混合产氢材料都可以显著提高种子的千粒重和萌发率以及种子再种植的产量。更重要的是，在种子中混合产氢材料或者使用富氢水(除5d富氢水外)浸泡种子对育种所得种子千粒重和萌发率以及再种植产量的促进效果都比商业“引发剂”的效果好。以上结果说明在种子中混入产氢材料或者合理使用富氢水浸泡种子可以代替商业“引发剂”。

实施例5：基于氢气的杂交育种改良试验

试验于无锡市郊的玉米育种田内进行，育种方式为杂交育种，品种为“渭研6000”和野生矮杆型玉米。1亩试验田均分为4份，分别使用地表水配置商业青鲜素去雄剂、通入氢气的商业青鲜素去雄剂水溶液，在玉米6-7叶期进行喷洒。设置处理为：

对照：喷洒地表水配置的商业青鲜素去雄剂；

1富氢去雄剂：向地表水配置的商业青鲜素溶液中通入氢气，使氢气的饱和度为1％，然后喷洒；

10富氢去雄剂：向地表水配置的商业青鲜素溶液中通入氢气，使氢气的饱和度为10％，然后喷洒；

100富氢去雄剂：向地表水配置的商业青鲜素溶液中通入氢气，使氢气的饱和度为100％，然后喷洒。

育种结束收获种子后，对种子的千粒重、萌发率、种子再种植之后的矮杆率进行测定。结果如表5所示：

表5.育种所得玉米种子的千粒重、萌发率以及种子再种植之后的矮杆率

结果表明，与对照相比，将氢气通入地表水配置的去雄剂可以提高育种所得种子的千粒重和萌发率。更重要的是，其还可以进一步提高去雄剂的效果，因为氢气通入地表水配置的去雄剂处理可以提高玉米种子再种植后的矮杆率。

Claims (5)

1.一种基于氢气的农作物种子质量改良方法，其特征在于本发明可以在育种生产中翻耕、播种和去雄阶段使用。

2.基于权利要求1所述的一种基于氢气的农作物种子质量改良方法，其特征在于，氢气来源包括但不限于氢气钢瓶或供氢管道等，同时还包括电解以及其它物理、化学或生物方法产氢；氢气的应用形式包括直接使用气态氢气、将氢气或产氢或储氢材料溶于液体中使用、直接使用产氢或储氢材料。

3.基于权利要求1所述的一种基于氢气的农作物种子质量改良方法，可以提高农作物种子的质量，其特征在于，农作物为广义上的农作物，包括但不限于玉米、小麦、水稻、粟、大豆、马铃薯、花生、油菜、藜麦、烟草和蔬菜。

4.基于权利要求1所述的一种基于氢气的农作物种子质量改良方法，在育种生产中翻耕、播种和去雄阶段使用。其特征在于，翻耕阶段可混合产氢或储氢材料、覆膜后可使用氢气熏蒸；播种阶段可以使用富氢液体浸泡种子，或将种子与产氢或储氢材料混合后播种；去雄阶段可以使用富氢液体配置去雄剂。

5.基于权利要求1所述的一种基于氢气的农作物种子质量改良方法，可以在育种生产中使用，其特征在于，育种包括诱变育种、基因工程育种、杂交育种和自交育种。