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種子處理技術之現況與未來發展
發文日:2010-06-11
種子處理技術之現況與未來發展
種苗改良繁殖場
黃玉梅
一、前言:
早期種子調製技術發展之前,採收後種子經乾燥、簡單清選隨即販售,使農民多使用劣質發芽率低落的種子。隨著種子處理技術之進步,種子生產者在販售前,對種子進行藥劑、物理機械及生理性處理,被處理種子具有較高之淨度、純度、發芽率及適宜水分含量,可維持種子良好的品質種子,對種苗生長達到最大的保障。
種子處理為現代農業重要的加工技術,未來種子處理將是各種技術之綜合應用,種子處理之流程朝機械化及多元化發展,商品化的種子必須提昇種子本身的附加價值,使其同時具治病、防蟲、促進生長等功能,對種苗生長達到最大的保障,並提高種子公司之信譽及競爭力。
二、種子處理技術現況
由於農業生產機械化與自動化,改變原有的作物生產模式,農民對種子品質要求除了要發芽率高外,還要發芽快速、整齊,甚至於播種後必須可以忍受田間逆境。種子處理技術亦隨著科技進步不再只是解除休眠、拌藥等種子預措工作而已,近代種子處理技術應包含:為避免種子帶病或蟲及發芽時發生病害對種子進行之藥劑處理;為使利於機械化操作對於細小或不規則形狀種子進行之粉衣或造粒處理;為提高種子發芽能力對於種子進行物理或生理上處理,另外,為維持種子品質及避免處理後種子對環境之汙染,對種子包裝要求相對提高,其標準化包裝技術亦屬於種子處理技術之一環。
(一)、種子分級技術
採收後種子經清潔、乾燥、調製後,再加以分級使所生產之種子維持一定品質,一般種子分級技術可根據種子不同之物理性狀,如:大小、形狀、密度、外表構造等,以重力分級機、比重分級技術、風選機..等加以分級。另外更可利用電眼顏色分級技術、以雷射檢測種皮含葉綠素程度進一步將種子分級,提高種子品質。
(二)、種子活力鑑定技術
種子活力測定可協助瞭解調製後批次種子之活力狀況,藉以控制種子品質,並避免提供劣等種子給農民,造成栽培上之損失。發芽試驗是估算種子產生健康種苗之發芽結果,決定一批種子之最大發芽潛能,協助估計田間種植密度。
生化的試驗為一快速檢測種子活力之方法,如TTC,可協助判斷是否具有活力及種子是否處於休眠狀態。X光或近紅外線檢測也提供快速、非破壞性之方法,以瞭解胚內部是否有裂痕或蟲害發生。另外,更可由種子浸潤液之導電度或sinapine含量測定分析種子活力,導電度值高或螢光反應強顯示種子活力低,此為敏感性更高之測定方法,將可售種子之活力表現進一步分級。
(三)、化學藥劑處理
種子以化學藥劑處理主要是提供種子、種苗、植株保護,以避免病害及蟲害發生,殺菌劑可殺死或抑制種子所攜帶之胞子或菌絲,系統性殺蟲劑或殺菌劑可分佈於植體內,對於種子發育之植物具保護作用。簡單的化學藥劑處理方法可將種子與粉劑、溶液、可濕性粉劑、乳劑直接拌合,目前除原藥外更可加入輔助劑,使其具良好貯藏性、抗凍性、懸浮性、吸附性、種子表面分佈性等。化學藥劑處理時可能對種子發芽試驗時有毒害影響,症狀如:莖或根部變粗、扭曲、矮化,此影響如若於栽培介質上進行會較不明顯。
化學藥劑種子處理使用技術基本上可分為三種:粉衣法、造粒法及膜衣法,由於部分藥劑主要成分影響種子發芽,因此種子以造粒處理時,藥劑與拌合物質混合或置於表層以避免直接傷害種子。種子處理需注意藥劑無過量使用隱憂,藥效於貯藏時可維持至播種。
(四)、種子披衣(seed coating)技術
由於穴盤育苗的逐漸被廣泛使用,需要利用自動播種機來進行播種,而使用這類機器的前提是:種子要足夠的重量或大小,才能單粒真空被吸取,種子披衣(seed coating)技術即可將種子經過處理來增加重量、大小或者減少種子互相糾成一團的性質。處理後之種子增加重量比例一般約2~50倍,但依披衣物質及處理之大小而異,如:萵苣為30-35:1、菾菜為2:1。另可在批衣過程加入各種農藥、肥料等物質,減少過度使用農藥,間接減輕對環境的污染。目前種子披衣(seed coating)技術已被廣泛應用而成為「種子工業」,其加工處理方法包括:粉衣和膜衣處理(coating and film coating)、造粒處理(seed pelleting)、種子團(seed granules)、種子帶(seed tapes )、種子片(seed mats)等。
1.粉衣和膜衣處理(Coating and Film coating):
粉衣和膜衣處理均保持種子原來形狀和大小,粉衣處理乃於種子外部加入殺蟲劑、殺菌劑、營養劑、生長調節劑甚至於殺草劑等材料混合,可增加種子發芽率及萌芽後對環境的抵抗能力。而膜衣處理則在粉衣處理材料中加上聚合物粘著劑來處理種子。
膜衣處理技術起源於歐洲發展近約15年,其主要目的在於減少粉衣殺菌、殺蟲劑處理後之脫落現象,此現象不僅浪費處理藥劑且對環境造成污染以及使用上對人健康之維害。膜衣處理除了可避免藥劑脫落之現象,並提供每粒種子一定量之包覆物質,減少種子之機械傷害發生。聚合物緊密附著於種子表面不易脫落,增加種子1~10%重量。由於聚合物價格較高,未大規模使用,目前使用於較貴之種子上。此技術更可將染料、黏著物及其他添加物於機器內與種子混合,增加種子附加價值及可區別性,目前機械已商業化,每小時可連續處理3~35噸種子。
種子披衣技術為採用現代化種子造粒技術、生產效率高、劑量標準分佈均勻、操作安全及價格上較便宜,小粒豆類種子為一主要進行披衣技術之作物,目前披衣技術已朝向處方研究即以每作物及田間環境以特殊配方滿足其所需。種子披衣技術可被用來調節種子吸水及提供氧氣,促進種子萌芽。吸水性物質改進種子與土壤之接觸,促水分移動,polyethylene glycol處理於菾菜種子,可改進於潮濕土壤之萌芽情形。忌水性物質則使種子吸水速度緩慢,減少吸水傷害或吸水時寒害,如外界環境不適合種子發芽但可提早播種,如於秋末播抑制吸水膜衣處理之canola越冬者較春天播者可提早成熟及高產;聚合物有溫度影響水分通透性之特性,種子可提早種植,待土壤回溫後,種子開始吸水;可利用聚合物影響種子吸水特性於雜交種子生產上調整親本種子發芽時間促同時開花。大多數種子發芽需氧氣,黏土成分之披衣物質抑制種子對氧氣吸收而有礙發芽,過氧化鈣或鎂加入可提供淹水環境下更多氧氣。
2.造粒處理(seed pelleting):
造粒技術發展於美國始於1940年末,造粒處理乃將小、輕、形狀不規則或不定形之種子,如萵苣、菾菜;芹菜、洋蔥、胡蘿蔔、番茄等,不易整齊及單粒機械化播種,因此在播種前先行造粒處理,使種子成為圓形或一致之形狀。通常以黏著劑、填充劑、色素、微生物及殺蟲劑等處理種子,亦可在材料中加入保護劑、營養劑或其它化學物質以改進發芽或幼苗萌芽能力。
3.種子團(seed granules):
某些種子播種時需要同一穴多粒種子,可以將多粒種子用黏著劑及其他材料裹成一團,稱為種子團。
4.種子帶(seed tapes):
草皮種子可以用長條的紙張,或其他可以分解的材料,將種子均勻地黏鋪於上,稱為種子帶。
5.種子片(seed mats):
將種子以固定之行株距,均勻地或成條狀地黏鋪於兩片紙張或其他質材之間,則稱為種子片。
(五)、滲調處理(Priming):
利用各種方式處理種子,讓種子緩慢而且有限地吸水,得以進行發芽的生理生化準備工作,卻又得不到足夠的水分來讓胚根發芽。這種控制種子吸水速率與吸水量,使種子迅速而且整齊發芽的處理稱為滲調處理(Priming)。觀念起源於1973年由Heydecker等提出,滲調處理之目的乃是希望種子發芽過程藉由浸潤溶液之滲透潛勢調節,以延長種子吸水第二階段之停滯期,使種子能有充足的時間進行生理與生化之反應,共防止第三階段胚根突破種皮的發生,待除去試劑回乾後再行種植時,可縮短種子發芽過程在第二階段停滯期所準備的時間,得以獲得快速且整齊的出苗現象或可延伸發芽的溫度範圍,甚至促進老化種子活力的恢復。除了迅速、整齊以外,滲調處理尚有提高發芽率,以及使得種子可在逆境下播種時,如缺水、低溫、高溫、或鹽分等,仍能發芽的好處。
1.液體滲調法(osmotic priming或osmotic conditioning)
液體滲調法乃在通氣的狀況下,將種子浸潤於化學惰性但具滲透性,可以調節子吸水速度之高分子量化合物如:聚乙二醇(Polythylene glycol,PEG)溶液中,在一定的溫度下對種子進行一定期間的處理,以調節種子的吸水速度,處理時所使用化學惰性物質之濃度,必須要低到足以帶動種子的各種代謝活動進行,但也必須要高到可以抑制種子處理過程中發芽,將種子帶到發芽邊緣,然後用清水洗去種子表面之化學物質,處理後可直接播種或將其乾燥至原種子含水量後再予播。處理所使用滲透溶液濃度、溫度與時間因作物種類之不同而不同,效果亦因作物種類不同而異。例如:甜椒以-0.7--1.3Mpa之PEG6000溶液中,溫度17-23℃處理4-7天(因品種而異),在網室與試驗室之萌芽速率比均不處理者為快(林,1995)。萵苣種子以-1.0Mpa之PEG6000於15℃下處理3天,在高溫(34℃)下發芽率可達89.3%,但回乾影響高溫環境之發芽能力(黃,1995)。又如甘藍種子以1.5Mpa之PEG6000溶液於20℃處理7-14天後亦證明可以提早發芽,縮短發芽天數及提高田間萌芽率,對於老化之種子有促進恢部份活力之效果(劉,1988)。其它如芹菜、番茄、辣椒、花椰菜、胡蘿蔔、蘆荀等種子經PEG處理後,均有促進發芽以及縮短發芽時間之功效。
PEG溶液氧的溶解度低,種子缺氧會導致處理無效,因此需要打入高氧氣體來增加溶液的氧濃度。打入的氣體通常為75%氧 / 25%氮,每分鐘打入0.6 l。滲調處理時加入殺菌劑有助於種子病害的預防。
其他的試劑如KNO3、K3PO4、MgSO4等無機鹽,甚至於合成海水,皆有效果(Pill, 1995)。使用無機鹽溶液時,由於種子會吸收離子,因此可能導致溶液滲透勢的變化,某些離子有時也可能對酵素或細胞膜有不良的作用,即使如此仍有若干的試驗結果顯示鹽溶液有更好的處理效果。
2.固體滲調 (matric priming或solid matric conditioning)
固體滲調(Solid matrix priming, SMP)為解決液體滲調之通氣問題,於1988年由Kubik et al.及Talor et al.等研究者提出,利用固體介質取代液體滲調方法,固體滲調之原理是藉固體介質之保水能力調節種子之含水量。滲調介質之選擇須(1).無毒性。(2).在水中的溶解度很小。(3).化學活性低。(4).保水力佳(5).吸水後不易碎(6).容易與種子分離者。於胡蘿蔔、芹菜、萵苣、甜玉米、菜豆、洋蔥、甜椒、番茄及胡瓜等以蛭石、矽膠、頁岩、黏土或水苔等為滲調介質、並於其中添加殺菌劑、殺蟲劑及生長調節物等。大粒種子尤其適於進行固體滲調,因此類種子不易進行液體滲調,且於回乾過程中易受傷害,發芽時易發生浸潤傷害而影響種子發芽能力,利用固體滲調可避免此現象。
種子滲調於濕潤介質內進行,添加水量依介質吸水量而異。介質、水及種子依適合之比例混合,置於容器內一段時間,一般滲調溫度保持於15~20℃。滲調後種子與介質篩選分開或混合一起,種子回乾至原含水量,對於大種子須注意乾燥條件,以免降低滲調後種子之品質。固體滲調之優點如:適於大粒及小粒之種子,處理過程無通氣之問題,一次可進行大量種子之滲調;於介質內易加入添加劑,可減少操作過程,促進種子發芽及不會對環境造成污染等。
3.氣調法(drum priming):
新的滲調方式,氣調法已於1991-2年得到英國與美國的專利。這套新系統的精神是緩慢地控制給水量,使種子達到一般萌調處理所達到的種子含水率;純粹用水來處理,而不必借用PEG或其他介質。
4.膜調法(membrane priming):
利用透析膜,內裝polyethylene glycol所調配成的低滲透壓溶液,讓種子附著在膜外。整個系統在密閉的環境下進行,種子的水勢會逐漸升高,直到與膜內相等,在此可以進行滲調處理,而沒有氧氣不足的困擾。
(六)、流體播種(Fluid drilling):
流體播種是讓種子在實驗室內,給予最適當之發芽條件預先催芽,期能使種子克服苗床或田間之不利發芽條件,以促使田間萌芽快速整齊,特別是在乾旱的惡劣環境下,可藉膠體吸附水分而能順利發芽及增加作物產量之理念。
方法:將種子經不同方式處理如滲調處理或打破休眠等處理後,在理想的發芽條件下發芽,再將已發芽的種子加上膠質作成種子懸浮混合液,再以流體播機直接播種於田間或苗床。目前已有作物證明可利用流體播種技術,提早或改善幼苗成株狀況並提高產量。
(七)、人工種子 (Synthetic seeds; Artificial seeds)
人工種子的概念是1978年由Murashige在加拿大舉行的第四屆國際植物組織、細胞培養會議上首次提出。人工種子是指以組織培養的方式進行大量無性增殖所得到的體胚(somatic embryo)(具有胚芽、胚根、胚軸等結構的植物胚狀體),用適當方法將體胚包裹起來,代替天然種子進行繁殖的一種結構。人工種子技術包括:體胚生産、提供發育所需營養的人工胚乳、包裹體胚之保護性外殼-人工種皮以及人工種子貯藏、人工種子製造機械等技術。
人工種子充分利用了快速繁殖技術的優勢,具有以下優點:1.繁殖速度快:人工種子中的體胚是通過組織培養法生産,故能以很快的速度繁殖生産體胚。人工種子的包裹層是通過化學方法生産的,不存在生物生産的任何限制。2.可獲得整齊一致的種苗,利於農業生産的規格化、標準化和機械化管理,不存在任何遺傳變異問題。3.縮短育種周期、加速良種繁育速度;4.可在人工胚乳中添加附加成分,如固氮細菌和植物生長調節劑等物質,利於幼苗生長,提高作物産量5.便於貯藏和運輸,適合機械化播種。
80年代美、日、法等國家相繼開展了人工種子的研究,並且在1985年以後陸續發表了有關:胡蘿蔔、苜蓿、芹菜、花椰菜、萵苣等植物獲得成功的人工種子技術。據統計全世界已有近100種植物的人工種子技術被科學家所發表,其中以胡蘿蔔、芹菜等最完整,在美國已有大面積的人工種子芹菜上市。並不是所有的物種均能開發出體胚培養發生技術,不同植物的體細胞培養亦有難易,在生産人工種子時,要求體細胞胚具有與天然種子相比擬的成株率,甚至超過天然種子。而體胚包裹技術關係到人工種子萌發、貯藏和生産與應用等重要環節,對體胚包裹要求必須是:首先是不影響體胚萌發,並提供其萌發與成苗所需的養分和能量,即胚乳之作用;其次是使體胚經得起生産、貯存、運輸及種植過程中的碰撞,並利於播種,即種皮之保護作用;最後,針對植物種類和土壤等條件,滿足對人工種子的特殊需要。
三、種子處理之技術特點及未來發展趨勢:
(一)、處理之技術特點:
1. 種子處理的方法具有多樣性:由於目標不同,材料種類多,規模不同,所採用之方法多樣,依作物種類及成本採用適合方法,才能達到處理之目的。
2. 為多項科技之綜合應用:需種子學、園藝作物學、病蟲害學、農機方面、農藥方面之知識,進行種子品質篩選及保存,種子藥劑處理注意藥效維持及避免環境汙染、人畜危害。依處理方式配合適合栽培管理,使種子於田間萌芽時達處理效果。
3. 持續發展之動態系統:品種更新、栽培技術改進、環境變化及不同病蟲害發生,使需要不斷研究,尋找新方法、技術及藥劑以解決之,因此種子處理技術是隨栽培體系改變不斷發展之技術。
(二)、未來發展趨勢
1. 種子品質測定:
種子活力不是單一種子生理上及物理上品質之特性,而是攸關一批種苗表現數種特性之觀念,檢測種子之活力間接反應其生化上、貯藏物分解利用上、酵素活性或能量上代謝之改變;直接反應於發芽速度、發芽能力、忍受環境逆境或種苗克服機械性逆境。近年來測定種子活力之價值已被種子產業界肯定,影響種子活力檢定因素已被瞭解,使用正確儀器及訓練使用者,使種子活力檢測結果提高。對種子業者而言,目前應積極與ISTA合作,取得官方認可之種子活力而為種子品質檢測之項目。未來訓練分析員鑑定種子活力需積極及實驗室於不同作物種類上及其他活力檢測技術上繼續努力,且需對消費者於購買經活力分級種子提供栽培技術上之資訊。
2.種子滲調技術:
種子滲調對改進種子發芽上扮演二個角色,促發芽過程開始及對受傷害種子加以修補。此技術使種子萌芽整齊且對老化種子有改進活力之效果,許多證明說明滲調使種子有修補機會如粒線體功能失常、酵素不活化、膜構造受不完整及遺傳上受破壞等。已藉由相當多之研究協助瞭解滲調技術之原理,唯對於何時、何處、及如何發生影響仍不確定,吸水及回乾對種子生理影響需更多努力去釐清,不耐貯藏之滲調種子必須進一步分析其失去活力之原因。唯有對滲調生理有更多之瞭解,始有機會促使其技術被改進,增加滲調種子被栽培者利用,使作物萌芽更整齊及快速,增加作物生產上競爭性。
3. 種子披衣技術:
造粒處理、膜衣處理及種子披衣技術提供種子業者有極大機會促進種子品質,造粒種子播種使萌芽整齊且節省間拔之勞力。由於環保觀念及增加成本,促業者積極進行膜衣處理。種子處理藥劑之特點為有效防治病蟲害、對種子及人畜無害、藥效長期及穩定、不易脫落及易識別等,化學公司於科學上及技術上不斷研究生產,使工廠化生產膜衣處理種子,以解決價格問題。
雖然田間成功種苗生長需許多因子配合,非一種披衣技術可完成,唯於最有效、符合經濟上及生態上考量之種子處理劑被研究發展,提供種子及種苗有更明顯利益,使種子業者始能更積極投入此技術。目前環保意識提高,為減少化學藥劑使用,生產有機食品,對於種子生物控制方法之發展將愈來愈受到重視。