盐胁迫下玉米种子萌发过程低场核磁共振研究

岳 霞，白雨禾，王昭懿，宋 平

盐胁迫下玉米种子萌发过程低场核磁共振研究

岳 霞，白雨禾，王昭懿，宋 平※

（1. 沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳 110866；2. 辽宁省农业信息化工程技术研究中心，沈阳 110161）

为探究盐胁迫对玉米种子萌发过程中水分的分布和种子活性的影响，以非糯性玉米郑单958种子为检测对象，对不同NaCl浓度（0、50、100、150、200 nmol/L）环境下试验样本进行低场核磁共振成像以及核磁共振波谱试验。结果表明：玉米萌发过程中，胚乳和胚部位的含水率均在0～2 d迅速增加，2 d之后胚乳水分波动增长，而胚部位水分则出现水平波动的现象。随着盐胁迫程度上升，种子发芽率从90%降至0，盐浓度在50 nmol/L及以下时，不同相态水信号幅值变化趋势受盐胁迫影响较小，达到100 nmol/L时自由水信号幅值被抑制在低水平，达到150 nmol/L时结合水和半结合水信号幅值的变化速率均被大幅延缓。2弛豫谱图中结合水主峰左侧出现信号微弱且弛豫时间为0.1～1 ms的副峰，副峰的出现和玉米种子发芽密切关联，是一种标志着种子发芽的结合水。试验结果为玉米种子萌发过程对盐碱胁迫的反应机制后续研究提供理论支持和数据参考。

种子；水分；盐胁迫；玉米萌发；低场核磁共振技术；核磁共振图像

0 引 言

盐渍化是土地恶化的一种现象，也是限制当前农业生产的主要环境因子。各类盐渍土分布在100余个国家，类型包括原生盐渍土、次生盐渍土和灌区盐渍土[1]。中国耕地中盐渍化面积达920.9×104hm2，占全国耕地面积的6.62%，其中西部六省区（陕、甘、宁、青、蒙、新）盐渍土面积占全国的69.03%[2]。

玉米是重要的粮食作物，为饲料和粮食兼用，对于土壤和气候的适应性较强[3]。玉米耐盐能力存在临界值[4]，低浓度的盐对玉米萌发生长具有促进作用，但浓度过高对其有毒害作用[5]，即高浓度的Na+和Cl-对玉米造成萌发期的渗透胁迫和植株发育阶段的离子毒害[6]。

玉米萌发过程中，水分变化影响淀粉和蛋白质等生物大分子的活力，大分子的水合状态进一步影响酶的活性[7]。目前低场核磁共振技术（LF-NMR，LowFieldNuclearMagneticResonance）已广泛应用于研究食品与作物内部水分相态、分布和迁移等，LF-NMR以氢核为检测对象、永磁体强度小于0.2 T，相比于传统检测手段，具有非破坏性、取样量精准、能够保持样品完整性等优点。目前国内外学者利用LF-NMR进行了食品加工以及存储过程的监测、掺假鉴定[8-13]，页岩资源油气开发[14]，植物种子和水果的无损检测[15-16]。研究盐胁迫对玉米种子影响的传统方法多基于室内砂培及大田试验，监测种子的发芽指数和质量变化[17]，更多注重种子外在的宏观特征表达[18]，宋平等[19]通过低场核磁共振技术手段，对不同萌发时间和不同温度下玉米种子进行水分分布和流动规律的探究，本文进一步探讨盐胁迫对玉米种子萌发过程中水分的分布和种子活性的影响。

本试验通过人工模拟自然环境下的盐胁迫环境，划分4个浓度梯度的NaCl溶液，与对照组的种子样本进行统一培养萌发，从种子内部水分变化的角度分析不同浓度NaCl溶液对种子吸胀、萌动、发芽3个阶段的影响，以期为后续研究玉米种子萌发对盐碱胁迫的响应机制提供更多的理论基础支持和数据参考。

1 材料与方法

1.1 试验设备与材料

仪器设备：Sartorius BSA124S-CW分析天平（最大称量：120 g，赛多利斯工业称重设备北京有限公司）；MGC-1500HP-2人工气候箱（控温范围：有光照10～50 ℃，光照强度：0～40 000 lx，光照方式：隔板式，上海一恒科学仪器有限公司）；MiniMR-60核磁共振仪（磁体类型：永磁体，磁场强度：（0.5±0.05）T，射频脉冲频率：12.2 MHz，磁体温度：32 ℃，探头线圈直径：15 mm，上海纽迈电子科技有限公司）；另玻璃试管、发芽纸、锥形瓶、双头不锈钢药匙、圆形培养皿、方形培养盒、镊子、滴定管若干。

化学试剂：NaCl固体、次氯酸钠（NaOCl）溶液、蒸馏水。

试验对象：玉米种子（非糯性玉米郑单958，种子粗蛋白质量分数9.33%，粗脂肪3.98%，粗淀粉73.02%，呈半马齿状，发芽率88%～90%）。

盐浓度梯度划分为5组，对照组样本采用蒸馏水培养（NaCl浓度为0），4组试验组采用浓度由低到高，分别为50、100、150、200 nmol/L的NaCl溶液培养样本。

1.2 试验方法

1.2.1 样品制备处理

探究盐胁迫对玉米种子萌发的影响试验整体分为3部分，包括种子萌发指标检测试验，核磁共振波谱试验和核磁共振成像（MRI，Magnetic Resonance Imaging）试验。

核磁共振波谱试验采集样本核磁信号时采用CPMG（Carr-Purcell-Meiboom-Gillsequence）脉冲序列，通过反演信号数据，得到2弛豫谱图；核磁共振成像试验目的是采集质子密度加权图像。试验分组和检测具体内容如下：

1）核磁共振波谱试验，挑选籽粒均匀、饱满的郑单玉米种子共90粒，每组18粒，共5组。

2）MRI试验，取种子15粒，每组3粒，共5组。

3）标准发芽指标检测试验，取250粒种子，每组50粒，共5组，置于圆形培养皿中。

以上3个部分试验的样本均被划分为5组，分别置于对照组和50、100、150、200 nmol/L的NaCl溶液环境下培养。

进行标准发芽试验的玉米种子需测得其胚芽与胚根长度，具体方法为：第6 天时，测量胚芽基部到顶部的距离，计算已发芽种子的平均胚芽长度。测量胚芽基部到顶部的距离，计算已发芽种子的平均根长。计算种子的发芽势（GE，Germination Potential）、发芽率（GR，Germination Rate）及发芽指数（GI，Germination Index），具体公式如下所示：

发芽势=第4天内发芽种子/50×100%（1）

发芽率=总发芽数/50×100 %（2）

发芽指数=∑/%（3）

式中为第天种子发芽数；为对应发芽的天数。

试验前先配置质量分数3%的NaOCl溶液，对种子做消毒处理，浸泡试验样本3 min，然后用蒸馏水冲洗3～5次，并用吸水纸吸干表面水分，均匀放置于铺有滤纸的培养盒中，分别用等量的蒸馏水和50、100、150、200 nmol/L的NaCl溶液对种子进行培养，以浸湿滤纸和种子为宜，将5组样本（核磁共振信号每个梯度下设置18个平行样本，核磁成像每个梯度下设置3个平行样本）置于温度为（28±1）℃、相对湿度80%的人工气候箱中培养，为排除缺乏光照可能对种子萌发产生的影响，设置12 h光照和12 h无光照交替的模拟自然环境，每隔24 h对每个核磁波谱信号样本重复采样4次，并测定其质量，每个核磁成像样本采样1次，试验总时长为6 d。

1.2.2 核磁共振波谱试验

首先进行FID（Free Induction Decay）脉冲试验，利用标准油样寻找核磁共振的中心频率及脉冲宽度，参考宋平等试验结果[19]，CPMG脉冲序列的主要参数设置如下：重复采样次数NS=16，硬脉冲90º脉宽P1=17.52s，重复采样等待时间TW=2 000 ms，后段180º脉宽NECH=6 000，射频信号频率偏移量O1每次设置存在偏差。

对于核磁共振波谱试验的样品，将5组试验样本的玉米种子装入玻璃试管，置于试管底端，将试管竖直放入低场核磁共振仪线圈中央，利用CPMG脉冲序列采集核磁共振信号，获取萌发初始状态（干种子状态，记做0），1～6 d（萌发阶段）的试验数据。将采集到的重复数据导入核磁共振反演软件，用同时迭代重建算法（SIRT，Simultaneous Iterative Reconstruction Technique）进行反演运算。参考以往试验结果[20]，反演软件主要参数设定如下：分组形式为多分组，反演参数为2弛豫时间，开始时间为0.01 ms，迭代次数为100 000，截止时间为10 000 ms，参与反演点数为200个。

1.2.3 核磁共振成像试验（MRI试验）

得到2弛豫谱之后，继续进行核磁共振成像试验。核磁共振成像采用多层自旋回波（MSE，Multi-slice Spin Echo）脉冲序列，对样本冠状面（纵向）进行扫描。参数设置为：90º软脉冲回波时间TE=5.885 ms，重复采样等待时间TR=300 ms，每次成像时间为30 min。

1.3 数据处理

将反演得到的2弛豫谱数据导入SPSS软件，进行质量归一化处理，再计算每个样本归一化处理之后的弛豫谱数据均值，将均值作为试验样本的核磁信号幅值，导入Origin2018软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同NaCl浓度对种子萌发的影响

玉米种子发芽指数统计结果，如表1所示。在盐胁迫和对照组的培养条件下，玉米种子萌发期的外在特征出现差异：对照组最终发芽率达到90%，平均根长和芽长分别达到0.678 cm和0.309 cm。随着盐浓度的增加，种子的萌发率、发芽指数、发芽势不断下降。外源NaCl胁迫对根和芽的生长造成明显胁迫。当NaCl浓度达到200 nmol/L时，种子样本不发芽，发芽率和平均根长、平均芽长下降到0。

表1 盐胁迫对种子发芽指标的影响

2.2 图像分析

2.2.1 感兴趣区域平均灰度值统计

对核磁共振质子密度图像先进行统一映射得到灰度图，再提取感兴趣区域（Region of Interest，ROI）的平均灰度值，ROI区域包括胚和胚乳两部分，如图1所示。灰度图中某区域越亮越白，表示灰度值越大，整体含水率越大、活性越强，反之整体含水率越小且活性越弱[21]。因此灰度值也可以表示种子整体或者局部含水率。

玉米种子萌发过程中胚部位、胚乳灰度值即含水率变化如图2所示。胚部位的平均灰度值在种子吸胀阶段（0～2 d）迅速增加，在2 d之后增速下降；胚乳水分在2 d之后出现波动增长的趋势，而胚部位水分则出现水平波动的现象。此外，0、50、100 nmol/L 3组，胚和胚乳的平均灰度值比值的变化趋势为先增加后减少，在1 d达到峰值，而150、200 nmol/L两组比值在0～2 d递减，2 d后分别出现波动递减和水平波动的现象。

图1 玉米种子胚乳和胚感兴趣ROI区域

图2 玉米种子胚乳和胚部位ROI区域平均灰度值

2.2.2 伪彩图像分析

对质子密度图像进行伪彩处理，可以直观看到种子内部水分变化。种子的核磁共振信号主要来源于种子内部水分的氢质子，红色（高亮度）代表该区域氢质子密度大、含水率高，蓝色（低亮度）说明该区域氢质子密度小、含水率低[22]。图像的亮度反映种子萌发过程中氢质子密度，可推断水分迁移和分布[23]。玉米种子萌发涉及一系列的生化反应和形态改变，并受到周围环境条件的影响。根据一般规律，玉米种子萌发过程可以分为3个主要阶段：吸胀阶段、萌动阶段、发芽阶段[24]。

图3是不同浓度NaCl处理下郑单958种子萌发过程中0、1、2、3、4、5、6 d时伪彩图。初始时，各组种子胚部位亮度明显高于胚乳，这是因为干种子休眠期生理反应微弱，胚乳中主要贮藏淀粉，而胚中蛋白质和脂肪含量较高，各部分组织坚实紧密，细胞内物质呈干燥的凝胶状态，因而胚比胚乳中的氢质子密度大。由于人工放置样品，种子纵面会和机器磁场角度产生偏差，导致图像出现一定偏差；但是质子密度分布图中，胚部位的红色时有时无，最主要的原因是种子的发育过程中，生长细胞持续增生需要大量营养物质，在图2b中表现为灰度平均值“水平波动”。对于对照组1～2 d的图像，可以看出，种子体积逐渐增大，各部位亮度骤然升高，胚乳部位水分面积扩大，其亮度呈现出由胚边缘向种皮递减的趋势，这是因为种子胚乳中的淀粉粒等物质吸水膨胀，直到细胞内部的水分达到一定的饱和程度，这也可以解释胚乳和胚灰度平均值比值在1 d达到峰值后逐渐下降。高浓度NaCl溶液对种子照成的影响首先是阻碍种子的吸胀。

对照组经过3 d的培养，种子普遍开始萌动，在农业生产上俗称为露白。3 d图像中显示为各部位亮度继续升高，胚根尖端突破种皮向外延展。此时吸水暂时停滞，酶开始活动，种子内部代谢加强，胚乳中的淀粉粒等营养物质被分解成葡萄糖等可溶性物质，同时种胚吸收这些被分解的物质，从休眠状态恢复的细胞器活性提高，种胚细胞恢复生长[25]。

4 d后，对照组试验样本开始长出胚芽，胚根继续生长，种子进入发芽阶段，种胚细胞开始或加速分裂和分化，种胚的新陈代谢极为旺盛，在图像中显示为种胚部位水分面积持续扩大，亮度高。

对于50～200 nmol/L组，3 d之后的图像变化明显迟缓，随着NaCl溶液浓度上升，盐胁迫对种子的露白以及根和芽的生长的抑制作用增强，这可能是因为盐分抑制了种子中淀粉酶的活性，阻碍淀粉转化为蔗糖和可溶性糖[26]。

注：伪彩值越大说明样品中氢质子密度越大。

2.3 盐胁迫对不同相态水的影响

虽然图像可直观展示种子萌发过程，但是还需要更精准的数据支撑。核磁共振2弛豫谱反映了水分子的动力学特性。一般地，与淀粉或蛋白质等生物大分子紧密结合的水分具有极短的横向弛豫时间，而细胞内液泡以及维管束导管中的游离水分则具有较长的横向弛豫时间。核磁共振2弛豫谱信号幅值与活体组织的水分质量成正比[27-28]。活体植物器官内不同相态的水分的核磁共振2弛豫谱特性差异较大，表现为2弛豫谱的多组分特征[29]。

分析玉米萌发不同阶段的核磁共振2弛豫谱，发现2弛豫时间主要分布范围为1～10 000 ms，所有试验对象的2弛豫谱均有3个明显的主峰，从左到右依次代表结合水（0.1 ms <21<10 ms）、半结合水（10 ms <2< 100 ms）和自由水（100 ms <22<1 000 ms），以及1个在结合水左侧的副峰（0.1ms <23<1 ms），副峰代表游离性比结合水弱的水。核磁共振2弛豫谱峰面积（无量纲单位）与样品中氢质子的数量成正比，2弛豫谱中各个峰面积也可以反映各相态水分的含量，代表总水分含量，21为结合水，22为半结合水，23为自由水，则有=21+22+23。不同盐胁迫处理下郑单958玉米种子2弛豫谱，如图4所示，种子总体活性增强，表现为2弛豫谱峰后移。不同处理下玉米种子单位质量2峰面积数据统计，如表2所示。

图4 不同处理下郑单958玉米种子反演谱（弛豫谱）

2.3.1 盐胁迫对结合水的影响

通过分析表2，发现在0～2 d的吸胀阶段，随着盐浓度的增加，结合水的增速随着盐浓度增加依次递减，对照组和50 nmol/L组的结合水峰值出现在2 d，100 nmol/L组的结合水峰值则推迟到3 d，3组种子的结合水在达到峰值之后逐渐下降，下降速率从小到大依次是50、100 nmol/L、对照组，而150、200 nmol/L两组种子的结合水在3 d达到一个小峰值之后并没有出现下降趋势，而是小范围水平波动变化。这可以解释为，种子吸胀结束后开始萌动，内部生化反应主要在解除休眠的种子胚乳中进行，淀粉分子的链状结构伸展，淀粉粒吸水，在淀粉酶的催化作用下开始降解。因此种子内部结合水量先增加后减少。盐胁迫程度越厉害，种子内部淀粉颗粒吸水越慢，淀粉酶活性受到抑制，分解转移淀粉的速度越慢[30]。此外，种子贮藏的生物大分子还包括脂肪和蛋白质，大分子降解不只与淀粉有关。

表2 单位质量T2峰面积统计表

2.3.2 盐胁迫对半结合水的影响

0～1 d种子从休眠状态苏醒，体内半结合水信号幅值剧增；随着试验进行，半结合水的增长趋势逐渐减缓。1 d之后，5组试验对象的半结合水增长出现差异，对照组、50、100 nmol/L 3组的半结合水峰面积增速依次为957.79/d、626.19/d、736.04/d，而150、200 nmol/L两组的增长速率分别为289.69/d、254.23/d，均低于对照组、50、100 nmol/L组增速。以上数据表明NaCl胁迫程度在100 nmol/L及以下时对半结合水的影响较小。

2.3.3 盐胁迫对自由水的影响

自由水对盐胁迫最敏感。对照组和50 nmol/L组自由水峰面积分别在1和2 d达到最小值后出现大幅回升现象；100 nmol/L的自由水峰面积在2 d达到最小值后小幅上涨，但低于其初始状态；150、200 nmol/L组自由水2弛豫谱峰面积一直在600以下，并出现下降现象。

自由水代表细胞内液泡和细胞间水。植物细胞在盐胁迫条件下有无机渗透调节和有机渗透调节两种形式[31]。在盐胁迫过程中，植物可以通过对无机离子的选择性吸收或隔离来维持细胞内外的离子平衡，从而在盐环境中维持正常生长状态。参与渗透调节过程的离子中，Cl-作用存在较大争议，有学者认为它被动进入细胞，只作为离子电荷的平衡物质，在调节渗透势方面作用不大；而另一些学者认为在胁迫初级阶段时，玉米可以通过对Cl-快速吸收来增强植株的耐盐性，因此种子在低浓度（50 nmol/L）NaCl环境下表现出一定的耐盐性。

较高浓度的无机离子环境下，植物平衡细胞内外的渗透势还需要借助有机分子。非盐生植物若需减轻盐胁迫，则借助外源物质诱导积累渗透调节物质，从而调节体内渗透压的动态平衡，这样可以从根本上保护酶活性，对于生物膜的结构更可以发挥出稳定的作用[32]。玉米属于非盐生植物，其主要渗透调节物质以有机小分子为主，主要包括脯氨酸、多元醇等，本试验没有增加外源物质诱导试验对象产生足够有机小分子调节渗透压，致使玉米种子在较高浓度（200 nmol/L）NaCl环境下，细胞膜功能遭到破坏。以上分析可以说明玉米种子在低浓度的盐环境中通过无机渗透和有机渗透两种形式调节体内渗透压，从而保持正常生长，但两种调节渗透压的形式在高浓度盐环境下均遭到破坏。

2.3.4 盐胁迫对副峰水的影响

除了上述变化明显的主峰，试验发现，在对照组、50、100、150 nmol/L 4组2弛豫谱图中，结合水左侧均出现小面积的副峰，出现时间为1～6 d，其弛豫时间在结合水范围之内，占总体水分的比例在10%以下；当盐溶液浓度达到200 nmol/L，种子不发芽且无副峰出现。组内副峰随时间变化不具有明显规律。副峰信号出现，可能由于某些活性基团和水形成的氢键比淀粉中的氢键稳定性更强[33-34]。副峰的出现说明了种子在吸胀阶段并不完全是物理现象，此过程中的化学反应为后续萌动、露白做了准备。副峰的出现和种子发芽有密切关联，是一种标志着种子发芽的结合水。

2.3.5 盐胁迫对总水分的影响

5个浓度梯度的种子总体水分的变化趋势均表现为：吸胀阶段前期（0～1 d）剧增，2 d之后放缓速度。随着盐胁迫的加剧，单位质量的总体水T弛豫谱峰面积依次下降。总体水峰面积的增速以及截至到6 d的积累量的排列顺序为：对照组、50 nmol/L组、100nmol/L组、150 nmol/L组、200 nmol/L组。这和胚和胚乳灰度值的统计结果一致。

2.3.6 个体内部3种相态水比例

根据表2，玉米种子休眠状态时，21>23>22，经过6 d的培养，对照组3种相态水的最终含量为22>23>21，结合水占总体比例从83.05%降到20.62%，半结合水比例从4.38%增加到56.83%；50 nmol/L组3种相态水的最终含量为22>21>23，结合水占总体比例从82.31%降到28.56%，半结合水比例从4.35%增加到47.57%；100 nmol/L组3种相态水的最终含量为22>21>23，结合水占总体比例从84.5%降到34.45%，半结合水比例从4.77%增加到57.81%；150 nmol/L组3种相态水的最终含量为21>22>23，结合水占总体比例从83.84%降到55.92%，半结合水比例从5.51%增加到36.47%；200 nmol/L组3种相态水的最终含量为21>22>23，结合水占总体比例从83.76%降到55.14%，半结合水比例从6.03%增加到39.92%。

此外，对照组吸胀1 d后，自由水比例从12.92%骤降至2.9%，1～6 d匀速增加到23.79%。50 nmol/L组自由水比例在2 d出现最小值，从13.77%骤降至3.51%，随后缓慢增加到21.58%。100 nmol/L组较特殊，自由水比例初始值为10.65%，同样在2 d达到最小值2.16%，随后缓慢增加到31.51%，但是2弛豫谱峰面积和150、200 nmol/L两组峰面积同样保持在600以下，种子活性受到严重胁迫。150 nmol/L组自由水比例呈现不断下降的趋势，从11.42%降到1%。200 nmol/L组和150 nmol/L组类似，自由水比例从11.45%持续降到1.8%。

5组试验对象的结合水占总体水比例的变化趋势均为持续下降，半结合水比例持续上升，盐胁迫程度加剧则会延缓下降或上升的速率，当NaCl浓度达到150 nmol/L水平时，二者比例变化均被大幅延迟；自由水对NaCl比较敏感，盐浓度达到100 nmol/L，自由水含量受到严重抑制。

3 结 论

1）通过对质子密度图像进行ROI提取并统计感兴趣区域的平均灰度值，发现胚乳部分和胚部位的平均灰度值在种子吸胀阶段迅速增加，在2 d之后增速下降；胚乳水分在2 d之后出现波动增长的趋势，而胚部位水分则出现水平波动的现象；随着盐浓度从0增至200 nmol/L，水分变化速率减缓。伪彩图像可以直观展示种子萌发过程，解释总体水分的分布和迁移，但还需要更精准的数据分析不同相态水分的划分和变化规律。

2）随着盐胁迫程度上升，种子发芽率从90%降至0。盐浓度在50 nmol/L及以下时，不同相态水信号幅值变化趋势受盐胁迫影响较小，达到100 nmol/L时自由水信号幅值被抑制在低水平，达到150 nmol/L时结合水和半结合水信号幅值的增速均被大幅延缓；但是50 nmol/L是否可以当做盐胁迫的阈值，值得进一步划分浓度梯度探究。此外，2弛豫谱图结合水左侧出现副峰，弛豫时间为0.1 ms<23<1 ms。对照组（0）、50、100、150 nmol/L各组内副峰随时间变化不具有明显规律，当盐溶液浓度达到200 nmol/L，种子不发芽且无副峰出现。因此副峰的出现和种子是否发芽有密切关联，是一种标志着种子发芽的结合水。

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Low-field nuclear magnetic resonance of maize seed germination process under salt stress

Yue Xia, Bai Yuhe, Wang Zhaoyi, Song Ping※

(1,,110866,;2,110161,)

Taking the non-waxy corn Zhengdan 958 seeds as the test object, a Low-Field Nuclear Magnetic Resonance (LF-NMR) experiment was performed under different NaCl concentrations (0, 50, 100, 150 and 200 nmol/L), in order to explore the influence of salt stress on the water distribution and activity during the germination of corn seeds. Two parts were included in the LF-NMR experiment, Magnetic Resonance Imaging (MRI) and nuclear magnetic resonance signal test. The proton density image was obtained by the Multi-slice Spin Echo (MSE) pulse sequence, and the nuclear magnetic signal was obtained by Carr-Purcell-Meiboom-Gill sequence (CPMG) pulse. The samples were incubated for 6 days at 28℃, providing for the analysis of nuclear magnetic resonance proton density images and NMR relaxation spectrum. The results showed that: The germination of maize had undergone the swelling (0-2 d), sprout (3-4 d), and budding (5-6 d) during the entire experimental period. Specifically, the overall moisture content increased, while the activity became stronger, as the gray value increased, where the grayscale image became brighter and whiter in a certain area. Therefore, the gray value of images can be used to represent the overall or local moisture content of seeds. Furthermore, the Region of Interest (ROI) of proton density image was extracted further to count the average gray value. It was found that the moisture content of endosperm and embryo part increased rapidly during the seed swelling stage, whereas, the growth rate decreased after 2 d. There was also a fluctuating increase in the moisture content of endosperm, whereas, the water in the embryo site fluctuated horizontally. The rate of water decreased as the salt concentration increased. Since the pseudo-color images can be used to visually show the germination process of seeds, they were used to explain the distribution and migration of overall moisture. However, more accurate data was needed to analyze the division and change rules of moisture in different phase states. The germination rate of seeds decreased from 90% to 0, as the degree of salt stress increased. When the salt concentration was 50 nmol/L and even below, the water signal amplitude of different phases was less affected by the salt stress, but when the salt concentration reached 100 nmol/L, the content of free water was suppressed at a low level. Particularly when it reached 150 nmol/L, the rate of change was greatly delayed in the content of bound and semi-bound water. After the 1thd, the2relaxation spectra showed that, a small area of the side peaks which did not have obvious regularities with time appeared on the left of the bound water, the relaxation time was within the range of bound water, and the proportion of total moisture was below 10%; the seeds would not germinate and no side peaks appeared when the salt solution concentration reached 200 nmol/L. Side peak signal represents water whose hydrogen bond is more stable than in starch, and the special hydrogen bond might come from the biochemical reaction that occurred after the seed was released from the dormant state. The appearance of the side peaks closely related to whether the seeds germinate showed that the swelling stage is not completely a physical phenomenon, and the chemical reaction in this process prepares for the subsequent germination and exposure. Side peaks indicate a kind of bound water that marks the germination of seeds. The findings can provide the theoretical reference for the follow-up research on the response mechanism of maize seed germination to salt-alkali stress.The LF-NMR test can be used to simulate the salt-alkali environment, futher to quickly identify the salt-tolerant ability of seeds or plants.

seeds; water; salt stress; corn germination; low field nuclear magnetic resonance technology; magnetic resonance imaging

岳霞，白雨禾，王昭懿，等. 盐胁迫下玉米种子萌发过程低场核磁共振研究[J]. 农业工程学报，2020，36(24)：292-300.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.034 http://www.tcsae.org

Yue Xia, Bai Yuhe, Wang Zhaoyi, et al. Low-field nuclear magnetic resonance of maize seed germination process under salt stress[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(24): 292-300. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.034 http://www.tcsae.org

2020-07-25

2020-12-06

国家自然科学基金资助项目（31701318）；辽宁省教育厅基础研究项目（LSNJC201916）；国家自然科学基金委员会与韩国国家研究基金会联合资助合作交流项目（31811540396）

岳霞，从事精准农业方面的研究。Email：13220819559@163.com。

宋平，博士，教授，从事精准农业方面的研究。Email：songping_1010@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.24.034

S351.5+1

A

1002-6819(2020)-24-0292-09