意大利甜菜種子繁育與加工技術(shù)

周艷麗，盧秉福

(1.黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱市，150080；2.黑龍江大學(xué)農(nóng)作物研究院，哈爾濱市，150080)

0 前言

種子作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中特殊生產(chǎn)資料，是農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)發(fā)揮作用的載體，是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的內(nèi)因。近年來，我國甜菜生產(chǎn)用種基本上來自德國KWS、SES VanderHave、MARIBO、STRUBE、Syngenta等外國甜菜種子公司，國外甜菜品種市場占有率達到90%以上。國內(nèi)甜菜種質(zhì)資源匱乏，育成的甜菜單胚品種具有發(fā)芽率低、豐產(chǎn)性差等不足，加上種子加工技術(shù)落后，甜菜種子生產(chǎn)完全沒有能力與國外競爭。甜菜種子質(zhì)量一方面依靠科研育種、雜交繁育，另一方面依靠先進的加工工藝設(shè)備。因此，甜菜育種、種子繁育、生產(chǎn)加工應(yīng)處于同等重要位置。本文介紹了意大利甜菜種子繁育、加工、檢測技術(shù)，借鑒國外甜菜種子生產(chǎn)經(jīng)驗，提高我國甜菜種子質(zhì)量，充分發(fā)揮優(yōu)良品種的特性，以達到豐產(chǎn)高糖、振興甜菜糖業(yè)的目的。

1 甜菜種子繁育技術(shù)

1.1 甜菜種子繁育的條件

1945年至2015年70年間，甜菜糖產(chǎn)量從4 t/hm2增長到了14 t/hm2，平均每年增加1.8%，技術(shù)進步對甜菜糖產(chǎn)量增長的貢獻率達到50%以上，尤其是甜菜種子技術(shù)的貢獻率最大，見圖1。對于甜菜作物來說，除了種子發(fā)芽率之外，田間出苗的均勻性對于甜菜成苗以至于最終產(chǎn)量有著至關(guān)重要影響，因此，甜菜種子生產(chǎn)就必須采用各種措施來提高種子質(zhì)量。

資料來源:FAOSTAT 圖1 單位面積甜菜糖產(chǎn)量

最合適甜菜開花的空氣相對濕度為60～70%，平均溫度為15～20℃，平均最高溫度不超過35℃，開花期最好集中在相對較短的時間內(nèi)，以保證種子成熟期一致，這種氣候條件或多或少地出現(xiàn)在北半球或南半球的40～45緯度附近。歐洲的甜菜種子生產(chǎn)地點主要是意大利北部愛米利亞羅馬納(Emilia Romagna)，見圖2，法國西南部羅特艾特格羅恩(Lot et Garonne)有少部分生產(chǎn)。愛米利亞羅馬納(Emilia Romagna)具有生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)甜菜種子的適宜的條件，農(nóng)場的土壤肥沃，配備灌溉系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)，良好氣候條件也適于甜菜母根越冬春化、抽薹、開花和種子成熟，該地區(qū)有甜菜種子繁育基地約4 000 hm2。

1.2 甜菜種子繁育模式

甜菜原種在8月播種，每公頃大約用種100～120萬粒(10～12個單位)，通常1 hm2的母根可用于10 hm2的種子生產(chǎn)。在冬季，母根甜菜仍留在田間春化，甜菜品種需要春化溫度約為4至10℃，持續(xù)時間為15至20周。商用甜菜種子的繁育是以單胚雄性不育系母本與多胚授粉系父本的母根以6∶2或8∶2的比例交替成條狀種植，見圖3，密度約為40 000株/hm2，采種甜菜四月中旬開始抽薹，5月底開始開花，持續(xù)四周左右，在隨后的4至6周內(nèi)，種子逐漸成熟。

圖2 意大利甜菜種子繁育地

圖3 甜菜種子繁育模式

在采種甜菜植株生長過程中一般會采用打頂技術(shù)，通常在5月10日至20日甜菜植株高度達到約60-80厘米時，將母本植株上10-15厘米的初生枝切斷去除，保留10到15個次生枝。目的是為了降低采種株的生長高度，避免倒伏，提高甜菜植株的穩(wěn)定性；加強側(cè)枝發(fā)育，提高開花同步性，使花期和成熟期一致；獲得種球尺寸均勻一致的種子，便于加工時分級；延遲、延長花期，最大程度地完成授粉，降低周圍作物花粉對甜菜采種株的交叉授粉污染，提高甜菜種子產(chǎn)量和質(zhì)量，見圖4。成功的授粉取決于良好的花粉生產(chǎn)和完美的授粉時機，以便雌株在受精的時雄株正在開花，以最大限度地提高種子產(chǎn)量。

圖4 打頂時間和打頂強度對種子產(chǎn)量的影響

1.3 甜菜種子繁育的管理

灌溉是保證甜菜種子品質(zhì)的關(guān)鍵，尤其是開花期和成熟期。滴灌系統(tǒng)允許用少量的水進行持續(xù)灌溉，并可以保證在炎熱天氣或強風(fēng)情況下灌溉，為生產(chǎn)高質(zhì)量的種子奠定了生理基礎(chǔ)，從而保證甜菜種子的具有高發(fā)芽率和活力。甜菜種子生產(chǎn)也必須系統(tǒng)地保護甜菜采種株免受病、蟲的侵害，以確保生產(chǎn)出符合甜菜種植者要求的高質(zhì)量的甜菜單胚種子。氮肥施用不能太晚和太多，否則可能導(dǎo)致種子延遲成熟，并降低種子質(zhì)量。甜菜采種田還必須防止周圍作物花粉污染，定期、徹底檢查，尤其是濱海甜菜、雜草甜菜、葉用甜菜、紅甜菜、都是潛在的污染源。根據(jù)歐盟的規(guī)定，甜菜原種繁育隔離距離為1 000 m，商用種子隔離距離為300 m。甜菜種子達到生理成熟后開始收獲，意大利甜菜種子收獲期從7月中旬一直可以持續(xù)到8月初。采收甜菜種子時，只收獲母本產(chǎn)生的甜菜種子，父本在完成授粉后收割去除，平均產(chǎn)量400-700單位/hm2，即4 000-7 000萬粒/hm2。

2 甜菜種子加工技術(shù)

2.1 種子清選

甜菜種子收獲后立即測定濕度，必要時通過干燥將種子含水率降低至10%以下。干燥溫度最好在25℃～30℃，不應(yīng)高于38℃，以免種子質(zhì)量惡化。由于年份不同、氣候條件不同，每年生產(chǎn)的甜菜種子的粒徑大小也不同，應(yīng)根據(jù)種子不同形狀和大小進行生產(chǎn)。預(yù)清選主要是分離種子中非常大和非常小的顆粒，也可以將輕雜質(zhì)和空殼種子分離出去，清選時自動采樣器從種子流中提取代表性樣品，首先檢測種子水分含量，以決定種子是否需要繼續(xù)干燥，然后，還要對其它參數(shù)如純度、粒徑、空籽率和發(fā)芽率進行檢驗，以獲得對種子批的質(zhì)量進行首次評估。預(yù)清選的種子在進一步加工之前可以儲存幾個月。

經(jīng)過預(yù)清選的甜菜種子繼續(xù)進行風(fēng)篩選、窩眼清選、重力選或氣選等加工技術(shù)去除不飽滿種子、多粒種、土壤顆粒、小石塊等雜質(zhì)。窩眼選可以去除作物莖稈等長雜質(zhì)，重力清選或氣選可根據(jù)種子重量從輕到重分離顆粒，為了優(yōu)化分離效率，在重力選之前對甜菜種子進行分級，分別對每個粒徑組別的種子進行處理，清選后大約有35%-40%的收購種子被去除。清選時，必須根據(jù)種子類型選擇清選機械，并根據(jù)種子類型進行適當(dāng)調(diào)整，以便有效地操作。

2.2 種子磨光

將種球直徑3.25-6 mm的清潔種子根據(jù)粒徑的大小分成不同的組別，分別對每一組進行磨光以減少木質(zhì)花萼，優(yōu)化所有隨后的加工過程。種子磨光一方面可以減小種子粒徑，以適于種子丸化；另一方面除掉甜菜種子外部的木質(zhì)花萼，使木質(zhì)花萼中的發(fā)芽抑制劑被去除，種子吸水性得到改善，可以促進種子發(fā)芽。磨光后的甜菜種子用圓孔篩進行多次篩分，去除太小和過大的種子和雜質(zhì)，以生產(chǎn)均勻的窄尺寸范圍的種子。將干凈種子的樣品送到實驗室進行發(fā)芽試驗，以達到相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，滿足進一步加工的要求。加工后的不同組別的種子通常保持在不同的容器中以進行進一步的處理。

圖5 甜菜種子磨光過程

2.3 種子丸化

丸化種子應(yīng)具有圓形，尺寸分布在規(guī)定的最小和最大之間，在意大利或歐洲，最常見的丸化種子直徑是3.50-4.75 mm或3.75-4.75 mm。丸化材料層的厚度為0.5-0.75 mm，種子丸化后導(dǎo)致種子重量增加150-200%，平均增加約180%，這還取決于所使用的丸化材料。種子丸化時根據(jù)尺寸和最終所需粒徑大小，加入適當(dāng)量的丸化材料，丸化前或開始時被潤濕或洗滌，丸?；^程中可同時對濕顆粒種子直徑進行校準(zhǔn)。濕顆粒必須在不超過38℃的溫度下進行干燥，以保持丸粒種子的質(zhì)量。最后，丸?；N子根據(jù)不同市場需求，用不同的殺菌劑和殺蟲劑處理。在此過程中，將含有殺菌劑以及殺蟲劑的特定懸浮液施加于粒狀種子，通常與顏色相結(jié)合，該顏色可以代表特定的育種公司，也可以表示所特定的化學(xué)處理的。同樣的藥劑處理方法也適用于處理直接包衣的甜菜種子，藥劑處理結(jié)果通常通過化學(xué)分析(例如高效液相色譜)來控制，以確保對種子施加不同活性成分的確切量。加工后的丸化種子單粒率要達到99%，多粒率為0，硬殼種子低于1%。

圖6 甜菜種子加工過程中形態(tài)變化

2.4 種子引發(fā)

對甜菜種子來說，從播種到成苗是一個關(guān)鍵階段，特別是在出苗條件不太好的條件下。因此，已經(jīng)嘗試許多種子引發(fā)的方法，并應(yīng)用于甜菜種子。種子引發(fā)技術(shù)是基于種子的水合作用，播種前在受控條件下培養(yǎng)一定時間，然后再干燥。水合作用是允許種子萌發(fā)前的生理活動進行，并在萌發(fā)完成之前停止，以防止胚根的出現(xiàn)。

種皮中含有鹽晶體，在存在水分的條件下，它們形成低水勢的滲透液。在胚根出現(xiàn)前，種子果皮水勢約為-1 MPa,如果快速達到這個水平，種子發(fā)芽速度會更快。通常可分為三種不同的受控水吸收技術(shù)：滲透液引發(fā)，種子被放置在滲透溶液中以限制水的吸收；固體基質(zhì)引發(fā)，種子與固體顆粒和水以設(shè)定比例混合；加水引發(fā)，向種子中添加有限量的水(“鼓引發(fā)”)或?qū)⒎N子在水中短時間浸泡。

3 分子標(biāo)記檢測技術(shù)

近20年來，分子標(biāo)記體系由早期幾個影響下胚軸顏色的基因，逐漸發(fā)展出同工酶、RFLPs、AFLPs，微衛(wèi)星和SNPs等分子標(biāo)記。甜菜基因組中約含有55萬個SNP位點，可以在包括非編碼區(qū)和編碼區(qū)任何類型的序列中進行開發(fā)，被認為是最具潛力的分子標(biāo)記體系。利用數(shù)字PCR技術(shù)快速檢測不同甜菜個體SNP，開發(fā)的檢測技術(shù)流程可以實現(xiàn)單次檢驗樣品20 000個，比高分辨率溶解曲線法(HRM)的分辨率更高，能夠在100株甜菜幼苗的混樣中檢測出單株甜菜幼苗的SNP變異。意大利科學(xué)家基于第三代分子標(biāo)記技術(shù)“單核苷酸多態(tài)性SNP技術(shù)”研究甜菜叢根病基因定位，尋找沿海甜菜資源中抗寒、抗旱、耐鹽資源，篩選高效SNP引物，對不同甜菜種質(zhì)資源的質(zhì)控、甄別，創(chuàng)新甜菜種質(zhì)資源服務(wù)于甜菜育種工作。利用分子標(biāo)記高通量技術(shù)檢測一年生野生甜菜花粉污染和甜菜根系長短，對甜菜種子或田間個體進行鑒定，避免了育種過程中野生甜菜、雜草甜菜引起的花粉污染及篩選不同塊根形態(tài)建成的甜菜個體，縮短育種周期和提高雜交組合成功率。

4 對我國甜菜種子生產(chǎn)的啟示

4.1 改善甜菜種子繁育技術(shù)

意大利是甜菜的原產(chǎn)地之一，也是歐洲最重要的甜菜種子繁育基地，已經(jīng)形成集甜菜母根繁育、栽植、打頂，灌溉、施肥、病蟲害防治以及隔離等為一體的制種技術(shù)，父本在完成授粉后收割去除，種子收獲時，只收獲母本植株生產(chǎn)的甜菜種子。我國甜菜種子繁育技術(shù)仍處于發(fā)展中，利用意大利甜菜種子生產(chǎn)技術(shù)體系中的關(guān)鍵信息及相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，改進我國甜菜種子繁育技術(shù)，選擇適宜的種子生產(chǎn)基地，建立我國的甜菜種子繁育與加工技術(shù)體系，提高我國甜菜種子質(zhì)量。

4.2 提高甜菜種子加工技術(shù)水平

意大利甜菜種子加工已形成了包括種子收獲、干燥、清洗、磨光、包衣、丸化等一系列成熟的標(biāo)準(zhǔn)和種子評價體系，整個工藝生產(chǎn)過程中，無論是生產(chǎn)控制、質(zhì)量檢測，還是工廠除塵環(huán)境保護等均由電腦控制、自動化生產(chǎn)，甜菜種子丸粒化后外形尺寸十分均勻、一致。另外，種子加工的最后工序都要經(jīng)過藥劑處理，根據(jù)市場需求，用不同的殺菌劑和殺蟲劑處理，通常與顏色相結(jié)合，以代表特定的育種公司，或表示所特定的化學(xué)藥劑。種子包裝以每單位計量，每單位10萬粒，大體為1 hm2甜菜田的用種量，重量僅作參考。利用意大利先進的甜菜種子加工技術(shù)，改進現(xiàn)有的甜菜種子加工、檢測流程，建立我國的集初清選、磨光、精清選、重力選、分級、丸?；桶碌募庸ぜ夹g(shù)流程，提高甜菜品種加工技術(shù)水平。

4.3 推動甜菜種子檢測技術(shù)發(fā)展

意大利科學(xué)家基于第三代SNP分子標(biāo)記技術(shù)研究甜菜基因定位，對不同甜菜種質(zhì)資源的抗病、耐寒、耐鹽等基因進行定位，創(chuàng)新甜菜種質(zhì)資源服務(wù)于甜菜育種工作，同時，也利用SNP技術(shù)甄別育種過程中野生甜菜、雜草甜菜引起的花粉污染，提高了雜交組合成功率。引進、學(xué)習(xí)SNP分子標(biāo)記技術(shù)，將該技術(shù)應(yīng)用于我國甜菜種質(zhì)資源及育種材料篩選工作，改進我國甜菜育種、良種繁育方法，強化甜菜品種的穩(wěn)定性和一致性，提高我國甜菜種子質(zhì)量，促進甜菜制糖產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。