基于硅藻土联合蝙蝠颗粒与Streptomyces sp.粗提物的天然/生物基莴苣种子丸粒化及活性黏土冷贮技术提升种子质量与幼苗生长

《Horticulturae》：Enhancing Lettuce Seed by Pelleting and Packaging Techniques

　　

本研究开发了一种利用天然与生物基（bio-based）材料的种子丸粒化（seed pelleting）方法，以及有效的丸粒化后贮藏策略，以提高内部营养储备有限的小粒种子性能。以莴苣（Lactuca sativa L.）为模式作物。评估了由硅藻土（diatomaceous earth，DE）与蝙蝠颗粒（bat granular，BG）组合（DE+BG）以及DE与固体蚯蚓粪（solid vermicompost，SVC）组合（DE+SVC）组成的有机填充材料。此外，由阿拉伯胶（gum arabic，GA） supplemented with Streptomyces sp.粗提物在0、5、50和500 ppm条件下制备粘合溶液。未丸粒化种子为对照。随后，将最佳天然与生物基丸粒化配方与作为吸湿材料的活性黏土（activated clay）一起，在常温（ambient）和冷藏（cold）条件下贮藏6个月。结果发现，DE+BG比DE+SVC含有更高的大量营养元素水平（N 2.7%、P₂O₅ 1.4%、K₂O 1.0%），并在实验室和温室条件下显著改善地上部生长，且不影响发芽。与500 ppm粗提物组合的粘合剂显著增强幼苗活力、光合性能、植物化学物质，并增加植株生物量积累（p < 0.05）。重要的是，将丸粒化种子与活性黏土包装并在冷藏条件下贮藏，可在贮藏期间有效维持种子发芽和幼苗性能。这些发现证明了一种新型的天然与生物基丸粒化和贮藏一体化方法，可增强早期幼苗生长并在贮藏期间保持种子质量。

研究背景方面，莴苣（Lactuca sativa L.）是全球消费广泛的叶菜，因营养品质和鲜食市场需求而受到重视。泰国农业推广厅（DOAE）数据显示，泰国莴苣种植面积从2022年的2800 ha增至2025年的3700 ha，约增加32.1%，同期进口莴苣种子价值从24.5百万泰铢增至35.1百万泰铢。这反映莴苣种子需求增长及进口种子对生产的持续重要性。然而，莴苣种子小而轻，精准放置困难，易导致出苗不齐和作物发育不均匀，因此改善种子物理特性和处理性能是精准播种与整齐出苗的关键。种子丸粒化（seed pelleting，将种子包覆成较大、均匀丸粒的种子处理技术）可增大种子、改善形状均匀性并便于机械播种，同时填料可作为营养、生物制剂和功能添加剂的载体。既往研究显示，硫酸钙等矿物填料可用于莴苣种子丸粒化。但商业丸粒化种子通常采用惰性矿物填料与聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素等合成聚合物粘合剂，并常加入杀菌剂和杀虫剂，这限制其与有机生产原则的兼容性。微生物源生物活性化合物因可促进植物生长并具生物防护潜力而受到关注。其中，Streptomyces sp.可产生结构多样的次级代谢产物，具抗微生物和促生活性；与活菌接种剂相比，微生物粗提物的活性不依赖制剂、运输和应用过程中维持活菌群体，因而可能更适合加入种子增强配方。但关于其并入种子丸粒化系统，尤其是与填料组合后对种子质量、幼苗建立、植株生长和贮藏稳定性的影响，信息仍有限。前期研究曾报道，在西兰花中，含蚯蚓粪和大豆蛋白基生物刺激剂的种子包衣以硅藻土为包衣材料，可改善温室下幼苗和植株生长及养分获取。但将含营养的矿物和有机材料，如硅藻土联合蝙蝠源有机材料，与微生物生物活性提取物共同作为丸粒化填料尚未被研究。另一个重要问题是贮藏稳定性，不适当丸粒化配方会增加种子周围水分保持，促进真菌污染并加速贮藏期间种子劣变。商业贮藏系统常依赖硅胶、黏土矿物、氧化钙和氯化钙等干燥剂维持种子活力。因此，本研究旨在开发和评估利用天然与生物基配方进行莴苣种子丸粒化，通过加入含营养填料和Streptomyces sp.粗提物作为功能添加剂；具体评估丸粒化物理特性和质量、种子发芽和幼苗建立、幼苗和植株生长、生理响应，以及不同贮藏条件下丸粒化种子的质量变化。

在方法上，研究人员以购自泰国Lampang的Rajamangala University of Technology Lanna的莴苣种子为材料，并在Suranaree University of Technology完成实验。以DE+BG（75:25）和DE+SVC（40:60）为有机填料，以5%（w/v）GA为粘合剂，构建实验室规模转鼓丸粒化流程，并加入Streptomyces sp. WPN38粗提物0、5、50和500 ppm；设未丸粒化对照。采用纸上发芽、7天幼苗生长和WinRHIZO根系分析，以及温室盆栽测定生长、SPAD、叶气交换、叶绿素和总酚含量（total phenolic content，TPC）。贮藏实验以最优DE+BG+500 ppm配方制备丸粒种子，采用2×2完全随机设计（completely randomized designs，CRD），比较有/无1 g活性黏土与10 ± 5 °C和30 ± 5 °C贮藏0、3、6个月，并进行发芽、幼苗活力和四唑染色。

研究结果方面，3.1 有机填充材料用于种子丸粒化对发芽和植株生长性能的影响：研究人员比较DE+BG与DE+SVC配方。营养分析显示，DE+BG的总氮（N 2.7%）、磷酸盐（P₂O₅ 1.4%）和钾（K₂O 1.0%）高于DE+SVC（N 1.2%、P₂O₅ 0.8%、K₂O 0.8%）。两种填料pH分别为6.67和6.26，电导率（electrical conductivity，EC）分别为2.88和4.97 mS cm^?1。丸粒化显著提高100粒重，DE+BG和DE+SVC分别为1.11 g和1.44 g，而未丸粒化种子为0.10 g；水中结构完整性丧失时间分别为4.5 s和5.2 s。DE+BG外观较暗且表面粗糙，DE+SVC较光滑且偏黄。各处理发芽率（germination percentage，G%）无显著差异，丸粒化种子略低，为84.5%–92.5%；发芽指数（germination index，GI）为10.5–10.8，无变化；平均发芽时间（mean germination time，MGT）在丸粒化种子中为4.1–4.2天，略长于未丸粒化种子的3.8天。7天幼苗成像显示，DE+BG产生最壮幼苗，根长和地上部体积显著更大；两种丸粒化处理的根表面积和根体积均高于对照，而地上部长度和表面积无显著差异。温室条件下，丸粒化种子来源植株的冠幅、叶数和SPAD值提高，DE+BG在各阶段地上部长度更大且SPAD值更高。结论是DE+BG为有效有机填料，可在不影响发芽的情况下改善早期和后续生长。

3.2 粘合剂结合微生物粗提物用于种子丸粒化对种子发芽和植株生长性能的影响：研究人员将0、5、50和500 ppm微生物粗提物加入优化DE+BG配方。发芽率在處理间差异显著（p < 0.05），500 ppm粗提物丸粒化种子发芽率最高，为98.5%，但与未丸粒化对照98.0%无显著差异；500 ppm处理GI也较高，MGT与对照相当。光合参数中，光合速率（net photosynthetic rate，Pr）、蒸腾速率（transpiration rate，Tr）和气孔导度（stomatal conductance，gs）在30 DAT最高，45 DAT略降；微生物提取物丸粒化种子来源植株的这些参数显著高于对照，500 ppm处理在两个采样期Pr最高，Tr和gs增加表明气体交换能力和气孔活动改善；胞间CO₂浓度（intercellular CO₂ concentration，Ci）在处理间不变。冠幅、地上部长度和叶数在含微生物提取物的丸粒化种子来源植株中提高；30 DAT时5–500 ppm均有中度增加，45 DAT时500 ppm处理显著大于对照。45 DAT生物量显示，除根干重无显著差异外，500 ppm处理地上部和根鲜重、干重最高。总叶绿素和TPC受微生物提取物丸粒化显著影响；30 DAT时5–50 ppm增加叶绿素a和b，45 DAT时500 ppm叶绿素最高；TPC随提取物浓度显著增加，45 DAT时500 ppm处理比对照高50%以上。结论是500 ppm粗提物结合DE+BG可增强幼苗活力、光合性能、叶绿素、酚类物质和生物量积累。

3.3 丸粒化种子贮藏条件对质量和生长性能的影响：初始0个月评估在丸粒化和处理后15天进行，贮藏处理间发芽率为71%–85%，四个贮藏处理来自同一种子批。常温条件下，有或无活性黏土包装的丸粒化种子发芽率高于冷藏条件；但3个月后，冷藏且有活性黏土包装的种子发芽率最高，为89%，而无保护包装种子发芽率最低。幼苗生长参数呈类似趋势，有活性黏土包装在常温和冷藏下均维持较高幼苗长度、平均幼苗干质量（mean seedling dry mass，MSDM）和幼苗活力指数（seedling vigor index，SVI）。贮藏6个月后，所有处理种子活力下降。四唑染色显示，有活性黏土且冷藏的种子活力显著较高（>65%），高于无保护材料贮藏种子；可活力种子胚轴呈均匀红色，非活力种子呈不规则或淡染色。结论是活性黏土包装结合冷藏可有效维持丸粒化种子发芽和幼苗性能。

讨论部分总结：丸粒化材料性质是决定种子发芽性能的关键因素。本研究中DE+BG和DE+SVC均维持与未丸粒化对照相当的发芽率和GI，表明所开发有机填料未对莴苣种子产生毒性。尽管发芽率未变，DE+BG丸粒化来源幼苗早期活力优于对照和DE+SVC。氮有效性在发芽和营养生长中参与植物激素平衡和早期发育信号调节；温室中早期优势转化为地上部伸长、叶数、冠幅和SPAD值改善。DE+BG中较高的N、P₂O₅和K₂O表明其营养负荷更高，可能促进早期生物量积累和幼苗生长；但本研究未评估填料养分释放和植株养分吸收，故不能确认填料养分含量与植株养分吸收之间的直接关系。既往研究表明，将生物活性材料加入填料和粘合剂可能通过改善养分有效性影响幼苗生长。粘合剂结合Streptomyces sp.粗提物可增强幼苗生长且不损害发芽。500 ppm处理改善发芽一致性、株高、叶数和生物量积累。该粗提物处理与植物生长增强相关；基因组分析曾预测S. chiangmaiensis TA4-1含铁载体、聚酮、萜烯和非核糖体肽等次级代谢产物生物合成基因簇，但这些预测不能确认本研究所用粗提物中存在这些代谢物，故促生效应可能反映提取物中生物活性化合物活性，仍需进一步鉴定。光合改善方面，Pr、Tr和gs增加表明光合CO₂同化和气孔气体交换增强；Ci相对稳定或略降而Pr增加，表明CO₂同化和气孔导度对处理响应不同。这些发现提示丸粒化结合微生物粗提物可改善生理性能和营养生长，但叶气交换响应本身不能确立碳固定生化能力变化或识别潜在调控机制。叶绿素和TPC提高提示处理可能影响植物发育相关生理和代谢过程；30 DAT时中等浓度5–50 ppm刺激更明显，45 DAT时500 ppm叶绿素最高，说明响应随提取物浓度和株龄变化。TPC在45 DAT尤其500 ppm显著增加，可能表明酚类代谢受刺激；酚类化合物是植物防御系统生物活性化合物之一，其积累可受生物刺激剂处理影响，但需进一步研究抗氧化响应和代谢物谱。贮藏方面，前3个月发芽和幼苗性能相对稳定，6个月后明显下降，表明丸粒化种子逐渐劣变。种子寿命受贮藏温度、水分和周围气氛影响，较低温度和较低水分通常有利于维持活力。本研究中活性黏土包装比无保护贮藏维持更高发芽、幼苗生长和活力，尤其在冷藏下；这可能与包装系统提供更有利贮藏微环境有关，但包装内水分条件未直接监测。四唑染色显示活性黏土包装并冷藏的丸粒化种子贮藏后胚轴活力较高；不规则或减弱染色提示不利贮藏条件下组织活力较低。更均匀染色表明活力胚组织比例较高，而不规则或减弱染色提示组织活力较低。尽管种子劣变可能与脂质过氧化和膜破坏相关，但这些生理过程不能直接从四唑染色推断；因此染色模式主要提供贮藏处理间组织活力差异证据。

研究结论翻译：采用DE+BG配方有机填料并结合500 ppm微生物粗提物进行种子丸粒化，可在实验室和温室环境中增强莴苣发芽性能和幼苗生长。这些结果支持基于微生物的种子丸粒化作为一种可持续且高效的方法，用于在有机蔬菜种植系统中提高发芽整齐度和莴苣幼苗活力。未来研究需要阐明与观察到的莴苣生长改善相关的生理和分子机制，尤其是在田间条件下，以增强其在可持续农业中的应用。