水稻是世界上最重要的粮食作物,为我国60%的人口提供了主粮,水稻安全生产为我国粮食安全提供了重要保障。受自身遗传因素与环境作用的共同影响,部分品种生产种子活力不高、贮藏种子活力衰退制约了水稻种子质量的进一步提升,成为影响水稻种业发展的难题。开展个体水平的水稻种子活力研究,提升种子质量保障种子活力,是应对耕作制度演化、气候变化加剧等系列挑战的有效措施。在本研究探索了光学理论与技术在种子生物学中的应用,开发了一套单粒种子活力评价模型,实现了单粒水稻种子活力预测,为优化此种模型,使之适应种子生产加工的实际需求,利用组学技术挖掘了影响种子活力的关键物质及关键调控途径,为后续特征活力相关光谱的识别提供了潜在的研究对象。本研究主要结果如下:（1）通过对日本晴、9311等共计21份品种（材料）的单粒种子活力表型进行了评价,发现了广泛存在与群体中的个体种子活力差异,增重比、根长、芽长在个体中具有较大的变异系数,综合分析单粒种子活力各项指标,确定增重比是最能体现单粒种子活力差异的指标,采用增重比用于后续活力评价的主要考察指标。（2）基于红外光谱检测理论与超连续激光光谱技术,采用偏最小二乘回归分析法构建了一套“光谱—活力”的日本晴单粒种子活力评价模型;通过对各参数的筛选,确定光强15 K Hz、积分时间50 ms、光谱平均重复5次为最适的测量条件。通过对日本晴有活力及无活力种子光谱的差异分析,推断具有氨基N-H、羟基O-H和羰基C=O等基团的化合物可能是造成光谱差异的主要原因。（3）为评价“光谱—活力”评价模型的准确性,对该模型展开了仿真验证、日本晴发芽验证及模型的普适性验证。仿真验证显示该模型对不同活力梯度的种子都具有较好的评价识别效果;分别对78%与85%原始发芽率的日本晴种子进行了评价筛选,判定为有活力的种子群体发芽率均为98.96%,极大地提高了种子发芽率;对93-11级建两优117的评价筛选结果显示该模型对其他品种也具有一定程度的适用性。（4）应用“光谱—活力”评价模型,对有活力与无活力种子进行了蛋白质组与代谢组分析,结果显示差异蛋白功能多为生化代谢途径和信号转导途径中的关键分子,差异代谢物主要为肌氨酸、磷酸肌醇、柠檬酸、核糖醇等物质,这些蛋白质和代谢物大多与细胞膜结构与功能、信号传导、电子传递、能量供应、酶活维持功能相关,糖代谢和氨基酸合成是保持种子活力的主要通路。（5）对差异蛋白功能模块及代谢物功能模块进行基因共表达网络分析,挖掘到景天酸代谢途径、脂肪代谢、嘌呤代谢、磷酸戊糖途径、TCA循环等多个同时影响蛋白质与代谢物的调控途径,挖掘了乙二酸、腺嘌呤、烟酸、D-葡萄糖-6-磷酸、天竺葵酸等关键代谢物,发现烟酸外施能显著提高日本晴种子活力。