淺談超干貯藏對種子生理及其超微結構的影響

李維靜 蘇衍菁 蘇相亭 卜仕金*

（①揚州大學獸醫(yī)學院 江蘇 揚州 225009 ②上海光明荷斯坦牧業(yè)有限公司）

淺談超干貯藏對種子生理及其超微結構的影響

李維靜①蘇衍菁②蘇相亭①卜仕金①*

（①揚州大學獸醫(yī)學院 江蘇 揚州 225009 ②上海光明荷斯坦牧業(yè)有限公司）

種子超干貯藏是近些年提出的種子貯藏的新方法，目的在于通過降低種子含水量使種子能在室溫下密閉貯藏以取代或部分取代傳統(tǒng)低溫庫，目前多方面研究已經(jīng)證實了種子超干貯藏的可行性。種子超干貯藏(Ultra-dry seed storage)，又稱超低含水量貯藏(Ultra-low moisture seed storage)，是指將種子含水量降至5%以下，密封后在室溫條件下(或稍微降溫的條件下)貯藏種子的一種方法[1]。種子水分和貯藏溫度是影響種子壽命的最為關鍵，國際植物遺傳資源委員會(IBPGR)曾推薦(5±1)%的含水量和(-18±2)℃的低溫作為長期保存種質(zhì)的理想條件[2]。但是這種方法需要巨額的建庫投資和維持費用，在發(fā)展中國家應用有較的困難。因此，在探明貯藏溫度與種子含水量之間存在某種程度上的互補關系時，即降低種子含水量可以在提高溫度條件下，達到較高含水量在低溫貯藏下的同樣效果，國際植物遺傳資源委員會又于1985年首先提出了超干貯藏的設想[3]。

目前已經(jīng)從各個方面論證了種子超干貯存的可行性，在實際應用方面種子超干貯存也已經(jīng)開始被廣泛運用。本文主要就超干貯藏對種子生理及其超微結構的影響做一個簡要概述。

1 超干貯藏對種子生理的影響

Ellis等研究發(fā)現(xiàn)將芝麻種子含水量從5%降至2%，種子壽命提高了40倍[4]。Ellis等報道亞麻等種子的含水量降低到5%以下，得到提高種子耐貯藏性的顯著效果，并用細胞染色體的畸變率加以驗證[5]。程紅炎(1994)的研究結果也肯定了超干處理對若干蕓苔屬種子、甜菜、杜仲、大豆、榆樹、高粱等種子的萌發(fā)和活力并無損傷，超干種子和對照種子經(jīng)同等老化處理后，在對照種子的活力完全喪失或大幅度下降的情況下，超干種子的活力仍保持在很高水平，即耐貯性大大提高[6]?；ㄉ?、油菜、芝麻、洋蔥種子經(jīng)同等條件老化處理，超干種子活力顯著高于未超干種子[7]。研究總結發(fā)現(xiàn)油料種子可忍耐極度的脫水，如油菜種子含水量降低至1.5%以下，仍保持種子活力[7]；蛋白質(zhì)類種子如大豆種子的耐超干能力在品種間存在很大差異[6]；淀粉類種子耐超干能力在種間差異也很大，如高粱、大麥、小麥種子耐脫水能力較強，而高粱、水稻種子耐脫水能力差[5、6]。

2 超干貯藏對種子內(nèi)水分狀態(tài)的影響

種子內(nèi)水分按其存在狀態(tài)可分為自由水、束縛水和中間過渡類型。細胞中水分的物理狀態(tài)與其作用是相互聯(lián)系的，水分由于親水和疏水的相互作用，可以影響大分子如膜脂、核酸及蛋白質(zhì)的結構排列，因此水分的物理狀態(tài)對干種子內(nèi)能否發(fā)生生化反應有著決定性作用。種子內(nèi)水分存在的狀況及各種狀態(tài)水分之間的比例與種子本身固有特性有著直接的關系，水分脅迫時種子中束縛水對有機體的耐干性起著關鍵性作用，即超干種子能否存活以及效果如何取決于細胞對束縛水的保持能力[8]。

紅花種子經(jīng)超干處理后，自由水/束縛水的比率隨含水量下降而降低，在超干狀態(tài)下種子中大部分束縛水仍然保持著，這為超干種子保持高活力提供了有利的內(nèi)部環(huán)境條件[9]。另在水稻種子中發(fā)現(xiàn)，吸濕回干處理可以提高種子的熱力學K’和K值，增加種子對等溫線上第一吸附區(qū)域水分的束縛能力，對吸濕回干處理提高水稻種子耐干性提供了理論依據(jù)。這說明種子對束縛水的保持能力越大，其超干貯藏的效果越好。

3 超干貯藏對種子自由基清除系統(tǒng)的影響

3.1 種子的劣變現(xiàn)理 （1）在種子劣變機理的學說中，自由基學說越來越引起人們的注意。自由基游離在細胞內(nèi)，有較強的氧化作用，能引發(fā)膜上不飽和脂肪酸產(chǎn)生過氧化反應，使生物膜受到嚴重破壞。在正常生理狀態(tài)下，自由基的產(chǎn)生和消除處于平衡狀態(tài)，只有當種子處在不利的物理和化學因素下，產(chǎn)生的自由基得不到消除，或者內(nèi)源性自由基的產(chǎn)生和消除失去平衡時，自由基對機體常常會造成損傷[10]。（2）丙二醛是種子在貯藏過程中隨著劣變的發(fā)生而逐漸積累的有毒的脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物，其含量常用以表示種子中脂質(zhì)過氧化程度;揮發(fā)性醛類物質(zhì)釋放是種子脂質(zhì)經(jīng)過各種途徑氧化的綜合結果，可以反映脂質(zhì)過氧化導致的劣變程度[11]。超干種子在貯藏過程中的丙二醛(MDA)及揮發(fā)性醛類物質(zhì)釋放量都低于未超干種子，這是超干種子耐藏性得到很大改善的反映[11、12]。超干貯藏過程中種子脂質(zhì)過氧化程度的減弱，與大分子水膜失去導致自由基毒害加劇的傳統(tǒng)說法相矛盾，其機理可能是在脫水過程中，特異蛋白質(zhì)以及可溶性糖等物質(zhì)代替水保護了生物大分子，使其免受自由基傷害。（3）種子內(nèi)自由基清除系統(tǒng)與種子活力之間的關系十分密切。已經(jīng)證明，種子內(nèi)存在一些非酶促自由基清除劑，如α-生育酚(VE)是超氧自由基和脂過氧基的有效清除劑，抗壞血酸雖沒有抗氧作用，但可以與α-生育酚協(xié)同作用增強其抗氧性，抗氧劑維生素C，β-胡蘿卜素和谷胱甘肽(GSH)以及其它酚類物質(zhì)等均能阻止脂氧合酶對多聚不飽和脂肪酸的氧化作用[13]。超氧歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)及過氧化氫酶(CAT)是種子自身抵制活性氧、清除自由基的酶促系統(tǒng)[14]。經(jīng)過一定時間貯藏的黃瓜超干種子吸脹萌發(fā)后仍能保持較高的酶活性，與低溫貯藏種子并無明顯的差異，而未超干種子的脫氫酶活性則大部分喪失[15]。說明超干種子內(nèi)SOD等清除自由基的酶促系統(tǒng)并未受破壞，一旦種子吸水萌動，就協(xié)同抗氧化劑共同清除由貯藏期間劣變積累的自由基等毒害物質(zhì)，從而保證超干種子較高活力水平。

3.2 超干貯藏對種子超微結構的影響 （1）種子老化、劣變的原因是錯綜復雜的。一般認為種子發(fā)生劣變時，細胞學上的劣變現(xiàn)象也隨之發(fā)生，首先表現(xiàn)在胚根尖分生組織的超微結構變化上[6]。一般輕度老化但仍具有萌發(fā)力的胚常.呈現(xiàn)細胞核的局部泡狀隆起、線粒體和質(zhì)體變形、高爾基體變形且數(shù)量減少、核糖體合成減緩等現(xiàn)象。在劣變嚴重的情況下膜結構腫脹且無序、圓球體破裂，在細胞內(nèi)融合成團并沿壁排列、質(zhì)體內(nèi)淀粉粒分裂，有的則消失。（2）用透射電鏡觀察經(jīng)老化的洋蔥未超干種子胚根尖細胞，發(fā)現(xiàn)細胞核膜界限不清晰，有的細胞核有胞飲現(xiàn)象，有的細胞核呈解體狀，線粒體變形，脂質(zhì)體融合成團且排列不規(guī)則，出現(xiàn)電子致密物質(zhì)(脂肪消耗后的殘留物)。而經(jīng)同等老化的超干種子細胞器發(fā)育正常，與劣變種子胚根尖細胞的超微結構特征區(qū)別明顯。張明方[13]用掃描電鏡觀察種皮細胞外部結構，發(fā)現(xiàn)超干種子的種皮細胞排列發(fā)生改變，但回水后能恢復正常，雖某些種子如大豆有裂種現(xiàn)象，但超干前經(jīng)吸濕回干或以聚乙二醇((PEG)等處理后，此現(xiàn)象可以避免。從內(nèi)部到外部，超干對種子結構完整性的保持并無不良影響，且種胚細胞抗老化能力增強。

4 問題與展望

目前各國科學家對超干貯藏的效果已得到公認，超低水分常溫貯藏可以降低種質(zhì)資源保存的費用。但在超干保存種子種質(zhì)最佳含水量及其與貯藏溫度之間的關系問題上存在重大分歧。英國研究者考慮保持種子壽命的最佳含水量，認為種子在10～11%RH下達到平衡時的含水量為最佳含水量，適合種子在室溫內(nèi)貯藏，且不隨貯藏溫度的降低而增加(35～60℃范圍內(nèi));而美國研究者側重種子最小劣變含水量，從種子熱力學角度測得引起種子最小劣變的含水量是與17～19%RH相平衡，再干就會增加劣變，且種子貯藏最佳含水量受溫度影響。由于二者考慮角度不同，得出不同的結論，究竟那種結論正確，目前尚無定論。這一問題的解決直接關系到超干貯藏技術的實際應用和推廣。

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