LIBS结合拉曼技术实现种子活力与种质质量评价新维度

LIBS结合拉曼技术实现种子活力与种质质量评价新维度

种子活力是种质资源保存、种子质量检验与牧草、油料作物良种繁育中的核心评价指标，直接决定种子出苗能力、田间建植成效与种质长期保藏的安全性。传统种子活力检测以发芽试验、加速老化、TTC 染色等方法为主，试验周期长、人工耗费大，部分手段具有破坏性，难以满足种质库大批量活体种质快速筛查的需求。

拉曼光谱依托种子内类胡萝卜素、蛋白、多糖等有机代谢物的分子指纹，捕捉种子老化劣变过程中代谢组分的动态变化；激光诱导击穿光谱(LIBS)技术则通过矿质元素等离子体发射信号获取离子组特征，反映活力衰退伴随的元素稳态改变。这两种技术凭借其无需前处理、检测快速等优势，为种子活力高通量评价开辟了新路径。

臂形草，也称为乌什草是热带地区重要的饲用牧草，种子活力是决定田间建植效果、牧草种质保藏质量的核心指标。传统种子活力鉴定依赖发芽试验、四唑染色、加速老化等方法，试验周期长、操作繁琐，且部分检测方式具有破坏性，难以满足牧草种质大批量快速筛查需求。本文实验将 LIBS 与试验设计（DOE）、机器学习相结合，开展臂形草种子高活力、低活力样本判别研究，为牧草种子活力快速评价建立了标准化光谱分析方案。

试验材料包含 2 个不同栽培品种共 120 份种子样本，按标准活力检测结果划分为高活力（HV）、低活力（LV）两组。原始光谱经归一化、异常样本剔除后，借助 PCA 完成降维，采用留一法交叉验证优选有监督机器学习模型参数，再利用独立外部数据集开展验证；外部验证集中，无论采用哪一种分类算法，均可实现 100% 的高低活力种子区分，且判别效果不受品种基因型干扰，证明种子活力衰退伴随稳定、可被 LIBS 捕捉的元素指纹变化。

上图为得分图中高活力组与低活力组样本形成聚类。(a) 紫外波段，(b) 可见光波段。说明该数据集具备组间分类潜力。高、低活力种子 LIBS 跃迁谱线间的微弱差异可通过主成分载荷图更好地体现。

种子活力衰减与老化是种质资源长期保存中普遍面临的难题，种子新鲜度、活力快速检测是种质入库、定期活力监测的重要环节。传统种子活力鉴定以发芽试验为金标准，检测周期长达数天，工作量大、无法实现无损前置筛查；电导率、TTC 染色等生化检测手段大多属于破坏性检测，不适用于珍贵活体种质。

本文针对向日葵种子建立了基于拉曼光谱扫描的原位快速评价方法，以胚轴组织中类胡萝卜素的拉曼特征信号作为标志物，采用 1525 cm⁻¹ 与 1268 cm⁻¹ 两处特征峰的强度比值（I₁₅₂₅/I₁₂₆₈）表征类胡萝卜素相对含量，实现种子新鲜度与萌发活力的同步表征。研究发现，种子吸水萌发 0–24 h 过程中胚轴类胡萝卜素含量逐步上调，新收获种子的类胡萝卜素水平显著高于储藏多年的陈种子；该拉曼指标可有效区分当年新种子、多年储藏老化种子以及经高温加速老化处理的种子，判别准确率高于 90%，且特征峰比值与种子发芽率存在稳定的线性相关关系（R²＞0.95）。

该研究进一步印证了拉曼分子光谱在种子活力表型检测的潜力。与 LIBS 元素指纹技术形成互补：LIBS 侧重元素、离子稳态相关抗性表型，拉曼光谱擅长捕获类胡萝卜素、多糖、蛋白等代谢组分差异，为种质资源多维度质量评价提供组合方案。

文中实验可采用北京澳作生态仪器有限公司自主研发的EcoChem Pro激光光谱元素分析系统。该系统采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术和拉曼散射技术(Raman)，分别用于元素和分子信息的测量。LIBS激光能量200mJ@1064nm，能量输出0-100%可调。拉曼激光波长785nm，可有效的避免荧光的干扰。系统内置高精度全自动三维工作台；样品室可通入氦气或氩气，排除空气的干扰、提高实验效果。

通过本文，我们了解了拉曼光谱与 LIBS 技术在种子活力快速检测上各有优势。未来，通过拉曼‑LIBS 融合检测体系，搭配标准化试验设计与算法优化，有望进一步提升种子活力分级精度，构建适配种质资源库入库检验、中期活力监测、良种纯度筛查的一体化高通量检测平台，助力种质资源精准保存与高效利用。LIBS与拉曼技术的结合作为一种新兴的、快速的分析模式，有着传统仪器所不具备的更多功能。随着这一技术的发展，它必将在元素和分子同步分析领域发挥越来越重要的作用。