超微气泡水在浸泡与引发条件下对糙米与未脱壳水稻种子萌发的影响

《Plant Production Science》：Effect of ultrafine bubble water on germination of brown and unhulled rice seeds under soaking and priming conditions

　　

超微气泡（UFB）水作为一种无化学试剂的水稻种子处理方法已受到关注，但其对水稻种子萌发的影响尚不明确，尤其是在干旱胁迫条件下。本研究采用两种途径评估超微气泡对水稻种子（糙米与未脱壳稻谷）的影响：连续浸泡，以及引发处理后进行渗透胁迫下的萌发试验。在连续浸泡过程中，两种种子类型的萌发动态存在差异，但在各类型内部，超微气泡水与蒸馏水之间未检测到显著差异。在引发处理中，超微气泡降低了糙米的水分吸收，但增强了未脱壳稻谷后期的水合作用，同时伴随颖壳厚度的减小。在超微气泡处理下，溶液中和种子表面的总活性氧（ROS）水平也因种子类型而异。在干旱胁迫下，所有处理的最终萌发率均保持较高水平（≥ 80%），尽管萌发随PEG浓度升高而减慢。与未引发相比，引发显著加速了萌发，其中未脱壳稻谷达到50%萌发所需时间（T₅₀）的缩短幅度大于糙米。在各引发处理中，超微气泡对糙米的促进效果强于蒸馏水，而对未脱壳稻谷的影响有限且取决于胁迫水平。总体而言，这些结果表明超微气泡通过与种子结构、水合行为及氧化过程的相互作用影响萌发，凸显其作为改善干旱条件下水稻种子萌发的可持续策略的潜力。

研究背景：水稻（Oryza sativa L.）是全球最重要的主粮作物之一，在100多个国家种植，是全球半数以上人口的主要食物来源。近年来气候变化导致的水资源短缺日益影响水稻生长与发育，尤其是在早期生长阶段。干旱胁迫会降低种子可利用的水势，从而限制种子吸胀与萌发；萌发期水分亏缺在直播稻栽培中尤为突出，干燥土壤可负面影响种子出苗与幼苗生长。因此，开发有效且可持续的方法以改善水分受限条件下的水稻萌发日益重要。种子萌发是植物建成的第一阶段，始于水分吸收（吸胀），终于胚根突出。干旱条件下有限的水分可利用性会改变吸胀动态，进而破坏萌发所需的代谢活动。活性氧（ROS）的调控在该过程中同样起关键作用：适量ROS作为信号分子促进细胞壁松弛、酶活化与胚扩张，但干旱胁迫下过量ROS积累会导致氧化损伤，损害种子活力与后续萌发。因此，需要开发优化方法以增强干旱胁迫下种子萌发过程中的水分吸收并维持生理平衡。近年来，超微气泡（UFB）技术因其独特的理化特性在农业应用中受到关注。UFB是直径小于1 μm的气泡，可在无外部能量输入的情况下于水中稳定存在数月，且即使储存数月后仍可在UFB中检测到ROS。已有研究报道UFB水可通过两种主要途径影响种子萌发：萌发试验期间的持续施用（UFB浸泡）与萌发前处理（UFB引发）。UFB浸泡对种子萌发的影响取决于种子种类与UFB浓度，已在菠菜、胡萝卜和大麦中观察到；其还可通过调控内源ROS水平增强渗透胁迫下的大豆幼苗生长。作为一种更节能的方法，UFB引发在非胁迫条件下可改善多种植物的萌发率、萌发能力与整齐度，包括菜豆和Gmelina arborea。在干旱胁迫下，不同浓度的UFB处理也可增强引发种子的水分吸收并调控ROS水平，从而改善赤豆萌发。尽管UFB技术日益受到关注，但其对水稻种子萌发的影响仍不明确，尤其是在干旱胁迫下；两种种子形态类型（未脱壳稻谷与糙米）对UFB浸泡与引发的响应尚未确定。为填补这些空白，本研究评估UFB处理对水稻种子的影响，聚焦于：（1）UFB水特性（UFB浓度与水中总ROS水平）；（2）种子结构与生理性状（颖壳厚度、水分吸收动力学与种子表面总ROS水平）；（3）萌发表现。基于这些因素，本研究旨在阐明UFB水影响水稻种子萌发的机制，并确定增强干旱胁迫下作物建成的有效途径。

研究人员开展的研究与结论：本研究以粳稻品种日本晴（Oryza sativa L. cv. Nipponbare，世界水稻核心种质库编号WRC01）为材料，种子由日本国立农业与食品研究机构（NARO）提供，植株于2025年生长季在东京大学农学生命科学研究科可持续农业生态系统服务研究所（ISAS）实验水田栽培，成熟后收获。收获后种子于50°C孵育1周以打破潜在休眠，未脱壳稻谷样品于4°C保存；糙米样品通过手工脱壳去除颖壳并保留糊粉层制备。研究制备三种引发（浸泡）溶液：蒸馏水（DW）以及使用Ultrafine GALF发生器（FZ1N-10，IDEC）分别处理60 min（UFB1）或180 min（UFB2）生成的UFB水，制备后于20 ± 2°C过夜储存以稳定气泡，并在室温下使用商用颗粒追踪分析仪（NanoSight LM10）测定UFB数量浓度与粒径分布。研究测定了水稻种子初始含水率，通过监测种子质量变化评估水分吸收动力学，采用Peleg模型描述吸水动力学，并以决定系数（R²）、均方根偏差（RMSD）与归一化均方根偏差（NRMSD）评估拟合优度。颖壳厚度在引发处理前后使用数字千分尺测定。总ROS采用2‘,7’-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）法测定，包括引发前后溶液中的胞外ROS以及引发后种子表面ROS，结果以相对荧光单位（RFU）表示。萌发试验包括浸泡法萌发试验（连续浸泡4天）与引发法萌发试验（糙米引发3 h、未脱壳稻谷引发24 h后在0%、10%、15% PEG 6000干旱胁迫下萌发），萌发过程采用剂量-响应log-logistic模型分析，计算最大萌发率、T₅₀与T₅₀处斜率B。结果表明：水稻种子在广泛环境条件下均保持萌发能力，其响应强烈受种子形态与UFB浓度影响；颖壳被确定为调控萌发行为的关键结构因素，其调节水分吸收与ROS积累；这些机制差异进一步反映在引发条件下的萌发表现中，尤其是在干旱胁迫下。在引发种子中，UFB对糙米提供额外促进效果，而对未脱壳稻谷其相对蒸馏水的优势有限，仅在中等胁迫下显现。总体而言，UFB是改善水稻种子萌发的一种有前景的无化学试剂策略，但其有效性取决于种子结构、环境条件与处理参数。

重要意义：本研究首次系统比较了超微气泡水在连续浸泡与引发两种途径下对糙米与未脱壳稻谷萌发的影响，揭示了颖壳作为水分与ROS扩散屏障在介导UFB效应中的核心作用，阐明了UFB通过种子结构、水合行为与氧化过程相互作用影响萌发的机制，为干旱条件下水稻直播栽培提供了一种可持续的种子处理策略，并为后续在更严重胁迫条件及土壤基质条件下的应用研究奠定了基础。

关键技术方法：研究人员以粳稻品种日本晴为材料（种子由NARO提供，2025年生长季于东京大学ISAS实验水田栽培收获），制备蒸馏水与两种浓度UFB水（UFB1、UFB2），采用颗粒追踪分析仪表征UFB数量浓度与粒径分布；通过连续称重法结合Peleg模型分析水分吸收动力学；使用数字千分尺测定颖壳厚度；采用DCFH-DA荧光法测定溶液与种子表面总ROS；开展浸泡萌发试验与PEG 6000模拟干旱胁迫下的引发萌发试验，并用log-logistic模型拟合萌发过程参数（T₅₀、斜率B）。样本队列来源为日本国立农业与食品研究机构（NARO）提供的世界水稻核心种质库编号WRC01的日本晴种子。

研究结果：
3.1 糙米与未脱壳稻谷的水分吸收行为：两种种子类型的水分吸收行为差异显著，糙米在整个吸胀期间含水率始终高于未脱壳种子，24 h后糙米含水率约高出10–12% d.b.，且糙米k₁值较低表明初期吸水更快；Peleg模型良好描述了所有处理的吸水过程（R²为0.946–0.984，NRMSD为3.75–6.43%）。糙米中各处理间无显著差异，但DW含水率倾向高于UFB；未脱壳稻谷吸水较慢且有限，各时间点处理间无显著差异，但UFB处理后期含水率高于DW，24 h时UFB2最高（36.9%）。基于此，选择糙米3 h、未脱壳稻谷24 h作为引发时长。
3.2 引发处理前后的颖壳厚度：CT与DW颖壳厚度相近（分别为0.0808与0.0837 mm）且无显著差异，而UFB处理降低了颖壳厚度，UFB1（0.0753 mm）与UFB2（0.0702 mm）显著低于其他所有处理。
3.3 种子表面与引发溶液中的总ROS水平：种子表面ROS水平大幅高于相应引发溶液；糙米引发后各处理溶液ROS均升高，UFB1最高（2221.67 ± 62.40 RFU）；未脱壳稻谷各处理溶液ROS均低于对照，UFB2引发后升高至1724.33 ± 39.16 RFU，DW降至1137.33 ± 56.10 RFU。种子表面糙米总ROS高于未脱壳稻谷，糙米中UFB2最高（5674.33 ± 590.61 RFU），未脱壳稻谷中未引发处理最高（3435 ± 374.62 RFU）。
3.4 萌发表现：浸泡萌发试验中两种种子类型最终萌发率均较高，糙米T₅₀显著低于未脱壳稻谷，但无处理效应；未脱壳稻谷UFB处理T₅₀略低、斜率略高，表明萌发更同步。引发萌发试验中，糙米各处理与胁迫水平下最终萌发率为88.3–96.7%，T₅₀随PEG浓度升高而增加，UFB引发在10%与15% PEG下显著降低T₅₀（p < 0.05）；未脱壳稻谷最终萌发率为91.7–100%，T₅₀高于糙米，UFB引发萌发最快，尤其在10% PEG下。非PEG条件下比较显示，糙米各处理T₅₀差异不大，未脱壳稻谷浸泡与引发均降低T₅₀，且引发显著低于未引发与浸泡处理。

讨论与结论：讨论部分指出，水分吸收差异凸显颖壳作为吸胀主要屏障的作用，糙米吸水始于胚、经基部与籽粒外围渗透，UFB可能在这些入口处干扰水分获取从而降低总体吸收；未脱壳稻谷UFB2后期吸水增强与颖壳厚度减小相关，厚度下降可能反映压缩性增加与结构软化而非物质损失，UFB（<1 μm）或可穿透颖壳大孔（5–10 μm），通过羟自由基介导的键断裂增强水分运输与木质纤维素软化，但本研究未鉴定具体ROS种类、未直接观察颖壳微观结构，也未监测引发期间UFB浓度变化。ROS结果显示糙米浸泡后溶液与种子表面ROS均高于未脱壳稻谷，归因于颖壳作为ROS扩散与积累屏障；溶液中ROS随UFB浓度升高而增加，种子表面引发诱导的ROS响应在两种类型间相反，表明颖壳调节外部氧化刺激与种子间的相互作用；本研究仅定量溶液与种子表面ROS，种子组织内源ROS动态及其与抗氧化响应和激素调控的互作仍不清楚。关于水分吸收、ROS与颖壳对干旱条件下萌发的综合作用，种子形态是调控萌发行为的重要因素，可限制水氧吸收或物理约束胚突出；糙米中水分状况与萌发表现的差异表明仅水分吸收不能完全解释种子响应，UFB2在PEG 0%下较高的表面ROS可能促成较早萌发，但严重干旱下UFB2相对UFB1优势减弱表明较高UFB浓度下更强的氧化响应未必带来更快萌发；未脱壳稻谷中所有引发处理萌发加快凸显引发期水合的重要性，UFB处理种子虽引发后含水率相近但萌发快于DW，提示引发期存在额外过程，可能机制包括颖壳厚度减小改善胁迫下水分运输，以及UFB2处理较高的ROS与中等干旱（PEG 10%）下更快萌发相关，提示引发期适当水平的ROS产生可改善萌发；UFB引发效果取决于种子结构、胁迫严重程度与UFB浓度，本研究所有干旱条件下最终萌发率均较高，难以检测UFB引发的额外改善，需在更严重胁迫与更低基线萌发条件下进一步研究。不同水合处理的比较表明，浸泡萌发试验中连续浸没未降低两种种子的生理活力，未脱壳稻谷萌发较慢但更同步，表明颖壳物理约束吸胀与气体交换；非PEG条件下糙米短时引发相对浸泡与未引发仅有边际效应，而未脱壳稻谷对引发响应更明显，但当未脱壳种子需要较长引发时间时总萌发时间与浸泡和未引发相当，提示引发收益部分被延长孵育期抵消；水稻种子在不同水合条件下（包括黑暗连续浸没）表现出相当大的灵活性，颖壳强烈影响萌发动力学并影响种子对水合处理的响应，UFB引发的有效性取决于种子结构与处理时长，需在植物、种子及土壤基质萌发条件下进一步研究其广泛适用性。

研究结论部分翻译：本研究采用连续浸泡与引发后渗透胁迫下萌发两种实验途径，阐明了超微气泡水对水稻种子萌发的影响。结果表明，水稻种子在广泛环境条件下均保持萌发能力，其响应强烈受种子形态与UFB浓度影响。颖壳被确定为调控萌发行为的关键结构因素，其调节水分吸收与ROS积累。这些机制差异进一步反映在引发条件下的萌发表现中，尤其是在干旱胁迫下。在引发种子中，UFB对糙米提供额外促进效果，而对未脱壳稻谷其相对蒸馏水的优势有限，仅在中等胁迫下显现。总体而言，UFB是改善水稻种子萌发的一种有前景的无化学试剂策略，但其有效性取决于种子结构、环境条件与处理参数。