本研究由Ping Song、Xia Yue、Ying Gu和Tao Yang*（*通讯作者）合作完成，作者单位包括沈阳农业大学信息与电气工程学院（College of Information and Electrical Engineering, Shenyang Agricultural University）、辽宁省农业信息技术工程研究中心（Liaoning Engineering Research Centre for Information Technology in Agricultural），以及三亚学院信息与智能工程学院（School of Information and Intelligence Engineering, University of Sanya）。研究成果发表于期刊《Biosystems Engineering》2022年第220卷（135-145页），在线发表于2022年6月8日。
学术背景
玉米作为全球重要的粮食和饲料作物，其种子萌发状态直接影响产量。盐碱（saline-alkali stress）和干旱（drought stress）是制约玉米生产的主要非生物胁迫因素，可导致减产20%-30%。传统种子活力检测方法存在破坏性、耗时等问题，而低场核磁共振技术（Low Field Nuclear Magnetic Resonance, LF-NMR）通过检测氢质子弛豫信号，能够无损、动态地分析种子内部水分状态与分布。本研究旨在利用LF-NMR结合误差反向传播人工神经网络（Error Backpropagation Artificial Neural Network, BP-ANN）模型，建立盐碱和干旱胁迫下玉米种子活力的快速预测方法，为农业生产提供理论支持。
研究流程
1. 实验材料与分组
- 样本：793粒玉米种子（品种：先玉335），分为4类实验：
- LF-NMR光谱测试：117粒（13组×9粒）
- 磁共振成像（MRI）：26粒（13组×2粒）
- 标准发芽试验：650粒（13组×50粒）
- 扫描电镜（SEM）：12粒（胁迫解除后取样）
- 胁迫处理：采用正交试验设计，盐碱胁迫（NaHCO₃:NaCl:Na₂CO₃:Na₂SO₄=1:1:1:1，浓度25-175 mmol/L，pH≈9.2）和干旱胁迫（PEG-6000溶液，体积分数2.5%-20%），共12个处理组+1个对照组（蒸馏水）。
2. LF-NMR数据采集与分析
- 设备：NMI20-015V-I型核磁共振仪（磁场强度0.5±0.08 T，射频频率21 MHz），采用CPMG脉冲序列（参数：TE=0.25 ms，NS=16，NE=18000）。
- 弛豫谱反演：通过MRI反演软件获取横向弛豫时间（T₂）谱，识别4种水分状态：
- 结合水（Bound water, T₂₁：0.1-10 ms）
- 半结合水（Semi-bound water, T₂₂：10-100 ms）
- 自由水（Free water, T₂₃：100-1000 ms）
- 副峰水（Parabolic water, T₂₄：0.01-1 ms）
- 参数优化：通过Pearson相关性分析筛选出9个与种子活力显著相关的T₂参数（如T₂a₁、T₂a₂、A₂₂等，|r|≥0.7）。
3. 种子活力指标测定
- 发芽试验：在人工气候箱（27±1°C，湿度80%）中培养8天，每日记录发芽数、胚根和胚芽长度，计算发芽势（Germination energy, GE）、发芽率（Germination percentage, GP）和发芽指数（Germination index, GI）。
- 胁迫解除实验：培养8天后转移至清水，观察复苏发芽能力。
4. 电子显微镜分析
- 样本处理：取胁迫组（盐碱175 mmol/L + PEG 20%）和对照组种子，切片冻干后通过场发射电镜（Regulus 8100）观察种子表皮、胚乳和胚的微观结构。
5. BP-ANN模型构建
- 输入层：9个优化后的T₂参数
- 输出层：胁迫等级（无胁迫、轻度、重度）
- 性能：训练集准确率91.30%，预测集准确率92.50%，显著优于未优化参数的模型（75.01%）。
主要结果
水分状态动态变化：
- 盐碱/干旱胁迫抑制种子吸水，表现为结合水（T₂₁）比例升高（p₂₁↑），自由水（T₂₃）信号减弱。
- 副峰水（T₂₄）仅在萌发期出现，其面积与胁迫程度正相关（r=0.814）。
活力指标相关性：
- 半结合水峰值时间（T₂a₂）与发芽指数（GI）呈显著正相关（r=0.885），表明水分流动性是活力关键指标。
微观结构破坏：
- 电镜显示：胁迫组胚乳细胞排列紧密，胚细胞结构崩解，与LF-NMR检测到的吸水能力丧失一致。
模型预测效能：
- BP-ANN模型通过T₂参数可准确区分胁迫等级（R²=0.92，RMSE=0.724），实现小样本大规模预测。
结论与价值
科学价值：
- 首次将LF-NMR与BP-ANN结合用于玉米种子胁迫响应研究，揭示了水分相态与活力的定量关系。
- 提出T₂₂（半结合水）是评估胁迫敏感性的关键参数。
应用价值：
- 为种子质量无损检测提供新方法，可指导盐碱/干旱地区的玉米种植策略。
研究亮点
- 方法创新：开发了基于T₂弛豫谱参数的优化算法，将预测准确率提升17.49%。
- 多尺度验证：结合宏观（发芽率）、介观（LF-NMR）、微观（电镜）数据，全面解析胁迫机制。
- 实际意义：模型可在种子萌发早期（2天内）预测活力，优于传统发芽试验（需8天）。
其他发现
- 胁迫解除后种子无法复苏，表明盐碱/干旱造成不可逆细胞损伤，这与电镜观察到的胚乳分离现象吻合。