牧草種子老化生理與修復(fù)研究進(jìn)展

馬曉云 （青海省海東市平安區(qū)草原站 810600）

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牧草種子老化生理與修復(fù)研究進(jìn)展

馬曉云 （青海省海東市平安區(qū)草原站 810600）

牧草種子作為人工草地建設(shè)、退化草地改良以及植被恢復(fù)等牧草生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境改良的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，牧草種子的質(zhì)量狀況是關(guān)系到草地建植和牧草生產(chǎn)成敗的首要因素。通過(guò)對(duì)種子老化現(xiàn)象概述，分別從老化引起的各方面牧草種子生理變化進(jìn)行了分析闡述。圍繞化學(xué)藥劑處理、滲透調(diào)節(jié)、超干處理、吸濕-回干處理等修復(fù)和提高牧草種子活力的研究進(jìn)行比較分析。另外，根據(jù)牧草種子老化生理和修復(fù)研究的發(fā)展和現(xiàn)狀，提出未來(lái)牧草種子活力與老化生理機(jī)制的研究趨勢(shì)及發(fā)展方向。

種子生理成熟后出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的質(zhì)量下降變化總稱為種子老化，具有不可逆、不可避免和群體間不同等特點(diǎn)[1]。種子老化常有如下外在表現(xiàn)：種子變色、生活力下降、發(fā)芽率下降、發(fā)芽遲緩，在萌發(fā)過(guò)程中對(duì)不良條件的適應(yīng)性減弱，對(duì)不良貯藏條件的耐受力下降，幼苗生長(zhǎng)弱且畸形率高等[2]。種子老化速率受環(huán)境因素和自身因素的影響，種子本身的含水量，貯藏環(huán)境的溫度、濕度及氧氣濃度等都是決定種子老化和劣變的主要因素。

1958年，Kalogereas 首次提出種子劣變的一個(gè)直接原因可能是脂質(zhì)的過(guò)氧化。McDonald[3]在總結(jié)了最近15年種子劣變研究的結(jié)果后，認(rèn)為種子劣變是由于種子內(nèi)部氧化和由于氧化酶的催化作用產(chǎn)生的自由基攻擊脂類物質(zhì)，造成脂類物質(zhì)過(guò)氧化的結(jié)果，該模型解釋了種子在貯藏過(guò)程的老化生理以及吸脹過(guò)程的修復(fù)作用。種子中氧化產(chǎn)生的自由基主要有超氧離子(O2－)、過(guò)氧化氫(H2O2)和氫氧根(OH－)。這些自由基的形成，將對(duì)膜系統(tǒng)造成進(jìn)一步的攻擊，并誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的新自由基，使細(xì)胞器膜和核膜受損，最終導(dǎo)致破壞性結(jié)果[3]。

1 牧草種子老化生理研究

1.1 膜結(jié)構(gòu)與功能的變化 膜系統(tǒng)在細(xì)胞的各種生理及生化作用上起著非常重要的作用。種子老化時(shí)，細(xì)胞膜生理機(jī)能衰退，對(duì)膜的修補(bǔ)能力越低，而且種子的滲透作用也隨之減弱。當(dāng)種子發(fā)生老化膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化之后，種子的活力降低，各種可溶性物質(zhì)的滲透量會(huì)增加，相應(yīng)地浸提液的電導(dǎo)性也增加，因?yàn)榧?xì)胞膜系統(tǒng)的完整性對(duì)正常的生理生化反應(yīng)起著重要的作用，有些酶只有附著在膜上才起作用，一旦與分離則作用大減或者失去作用[3]。

1.2 酶活性變化 酶是具有生物活性的特殊蛋白質(zhì)。種子老化發(fā)生時(shí)，許多酶的活性發(fā)生變化。一般認(rèn)為，參與細(xì)胞正常生理代謝的酶類的活性越高，則種子活力越高；但參與種子老化的酶類活性高，則種子活力變低[3]。在代謝作用中起主要作用而受老化影響最深的酶是脫氫酶，脫氫酶活性的下降幾乎與種子的生命力的下降平行。目前，關(guān)于種子老化與酶活性關(guān)系的研究主要集中于脫氫酶、酸性磷酸酯酶、自由基清除酶如超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)等，此外還有一部分研究關(guān)注參與合成和能量代謝的酶。由此可知，隨著老化程度加深，物質(zhì)能量代謝受到影響，種子活力下降。

1.3 貯藏物質(zhì)的變化 可溶性糖是細(xì)胞呼吸的重要底物，隨著種子貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，可溶性糖不斷被分解，其總含量即隨貯藏時(shí)間的增加而下降，毛培勝等[4]在對(duì)無(wú)芒雀麥種子發(fā)育過(guò)程中的生理生化變化的研究中也證實(shí)了這一點(diǎn)。但也有研究表明，在種子老化過(guò)程中其可溶性糖含量隨老化時(shí)間增加先升高后下降。種子中的貯藏蛋白是種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的氮素來(lái)源，對(duì)于種子正常代謝起著重要的作用，并且與種子活力密切相關(guān)。一般研究認(rèn)為，種子活力低時(shí)，貯藏蛋白合成量低。

1.4 細(xì)胞器膜系統(tǒng)完整性的變化 老化的種子在細(xì)胞學(xué)上首先表現(xiàn)為細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷。當(dāng)種子發(fā)生老化時(shí)，膜的完整性受到破壞，透性增加?？琢铉鱗5]用透射電鏡對(duì)燕麥種子進(jìn)行細(xì)胞膜系統(tǒng)超微結(jié)構(gòu)觀察，發(fā)現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)的變化是一個(gè)漸變的過(guò)程，經(jīng)老化處理的種子膜系統(tǒng)受損，質(zhì)膜透性增加，該過(guò)程中線粒體最為敏感，老化程度加劇，會(huì)引起其他細(xì)胞器的普遍解體。李玉榮、王玉紅[6]對(duì)不同種類牧草種子進(jìn)行老化生理變化的研究結(jié)果顯示，隨老化程度加深，種子浸出液電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)。

1.5 染色體和DNA的變化 隨著種子的老化程度的加劇，種子的活力降低，發(fā)芽過(guò)程中對(duì)DNA、RNA和蛋白質(zhì)前體的吸收和合成大分子的能力下降。種子經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期儲(chǔ)藏而至老化、劣變，染色體畸變及基因突變的頻率增加。一般含水量越高或者溫度越當(dāng)種子含水量及貯藏溫度高時(shí)，種子的壽命必然縮高，種子的老化更加容易發(fā)生，在單位時(shí)間內(nèi)染色體的損害程度越大[3]。

1.6 呼吸代謝的變化 當(dāng)種子老化、劣變時(shí)，其呼吸代謝發(fā)生失調(diào)，此現(xiàn)象遠(yuǎn)出現(xiàn)在發(fā)芽速度減緩之前。由于種子的老化，線粒體損傷及效能的衰退，使三羧酸循環(huán)及細(xì)胞色素氧化酶的代謝途徑不能暢通而引起代謝途徑的變化，ATP的合成能力下降。當(dāng)種子老化、劣變時(shí)，伴隨產(chǎn)生不同的揮發(fā)性化合物，包括膜的脂肪過(guò)氧化作用產(chǎn)生的乙醇、乙醛、戊烷、戊醛及呼吸代謝所產(chǎn)生的乙醇和乙醛。當(dāng)老化的種子放出大量的揮發(fā)性物質(zhì)特別是醛類，往往能進(jìn)一步導(dǎo)致微生物感染而引起損傷[2]。

1.7 合成能力的變化 種子萌發(fā)時(shí)利用貯藏物質(zhì)合成新的大分子化合物，當(dāng)種子發(fā)生老化時(shí)，合成生命大分子的能力下降。Halmer和 Bewley研究發(fā)現(xiàn)，在種子老化初期，受損的染色體可以在DNA修復(fù)酶的作用下被修復(fù)，但隨著老化進(jìn)一步加重，DNA聚合酶和DNA連接酶活性下降，DNA則無(wú)法被完整修復(fù)。DNA的損傷會(huì)進(jìn)一步影響RNA和蛋白質(zhì)的合成。

1.8 內(nèi)源激素及有毒物質(zhì)的變化 種子老化時(shí)，內(nèi)源激素常發(fā)生量的變化，而老化后細(xì)胞及生理系統(tǒng)也會(huì)喪失對(duì)激素的反應(yīng)能力。種子在貯藏過(guò)程中生活力和活力逐漸下降的同時(shí)，也伴隨著植物體內(nèi)激素的變化，在5種內(nèi)源激素中，乙烯與種子劣變的關(guān)系最為密切。付華等[7]以紫花苜蓿、光葉紫花苕、老芒麥和蘇丹草種子為材料，探討了不同老化處理對(duì)種子萌發(fā)過(guò)程中乙烯釋放量的影響及乙烯釋放量和發(fā)芽率的關(guān)系，結(jié)果表明，35℃高溫、10%含水量條件下，不同貯藏時(shí)間的老化處理對(duì)4 種牧草種子已烯釋放量有顯著影響。所有供試種隨種子劣變，乙烯釋放量下降，且釋放高峰推遲，老化導(dǎo)致種子中有毒物質(zhì)逐漸積累，影響正常生理活動(dòng)的進(jìn)行，甚至導(dǎo)致細(xì)胞、種子死亡。

2 修復(fù)種子老化和提高種子活力的方法

2.1 化學(xué)藥劑處理 王廣東等[8]研究表明，研究發(fā)現(xiàn)硫脲能保護(hù)種子膜結(jié)構(gòu)的完整性，減少膜脂質(zhì)過(guò)氧化作用，因此能減輕膜損傷.修復(fù)和更替劣變種子的受損的膜從而提高種子的生活力，說(shuō)明藥劑處理方法對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)具有一定的保護(hù)作用。唐祖軍等[9]用維生素 C處理大白菜種子達(dá)到了提高種子活力的效果。就數(shù)量而言，關(guān)于牧草種子此方面的報(bào)道較少。Eisvand[10]報(bào)道稱，激素引發(fā)可以提高老化高羊茅種子在干旱條件下的生理品質(zhì)。申玉華等[11]的研究結(jié)果表明，維生素C浸種可以提高紫花苜蓿種子在不同鹽分梯度處理下的萌發(fā)，增強(qiáng)苜蓿種子抗鹽能力。此外，硒也常用來(lái)提高種子抗氧化能力。Helin[12]的試驗(yàn)表明，施用低濃度硒處理黑麥草可提高其谷胱甘肽過(guò)氧化物酶活性。

2.2 滲透調(diào)節(jié) 種子在快速吸水時(shí)細(xì)胞會(huì)迅速膨脹，這會(huì)在一定程度上造成細(xì)胞膜的破壞，種子滲透調(diào)節(jié)處理是目前種子生理學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。滲調(diào)處理促發(fā)種子的原因有：一是促使種子提前萌動(dòng)，完成種子發(fā)芽前相應(yīng)的生理生化準(zhǔn)備；二是種子在滲調(diào)處理過(guò)程中有機(jī)會(huì)修復(fù)損傷；三是上述2種作用同時(shí)進(jìn)行處理[13]。大量研究表明，PEG滲調(diào)處理可改善種子的萌發(fā)狀況和種子活力，種子中 SOD、POD活性增加，脯氨酸含量增加，抗逆性增強(qiáng)，丙二醛含量明顯低于對(duì)照[14]。經(jīng)PEG滲透調(diào)節(jié)后，結(jié)縷草種子萌發(fā)過(guò)程中的代謝過(guò)程有一定變化，酸性磷酸酶和過(guò)氧化物酶的活性、ATP的含量均高于對(duì)照。劉杰等[15]在羊草萌發(fā)期間用 PEG處理，種子中O2－濃度下降，SOD、POD等酶活性升高，MDA積累下降，說(shuō)明經(jīng) PEG引發(fā)的羊草種子活力升高與其中活性氧的代謝存在一定關(guān)系。

2.3 超干處理 種子安全貯藏期間生活力和活力保持的關(guān)鍵因素是含水量和貯藏溫度，含水量和溫度在某種程度上可以互補(bǔ)，即通過(guò)降低種子含水量可以在提高環(huán)境溫度的情況下貯藏種子。種子的超干貯藏應(yīng)運(yùn)而生。所謂超干貯藏就是將種子含水量降到通常的安全含水量(5%)以下，在常溫下進(jìn)行貯藏。大量研究表明，經(jīng)超干處理后的種子脫氫酶活性明顯高于同等老化條件下的對(duì)照種子，丙二醛含量低于對(duì)照種子，電導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果亦優(yōu)于對(duì)照種子。華北駝絨藜種子在超干燥(含水量4.2%~4.5%)室外溫度條件下貯藏，與低溫貯藏效果基本相同，能顯著延長(zhǎng)種子壽命。霍平慧等[16]的研究結(jié)果顯示，5.72% 種子含水量的超干處理可使苜蓿種子活力保持在較高狀態(tài)，有利于苜蓿種子的長(zhǎng)期保存。

2.4 吸濕-回干處理 吸濕-回干處理即當(dāng)種子吸收一定的水分后再令其脫水干燥到原始含水量的過(guò)程。除用水浸種外，蘋果酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉等藥劑亦可使用。吸濕-回干處理的一些研究表明，該處理方法可控制種子的生理劣變，提高大分子物質(zhì)的合成能力，提高種子保護(hù)酶活性，有利于維護(hù)質(zhì)膜完整性，提高老化種子的活力[17]。王麗娟等[18]的研究表明，老芒麥和披堿草種子經(jīng)吸濕-回干后抗高溫能力提高，說(shuō)明吸濕-回干處理能夠在一定程度上提高種子的抗性。

2.5 其他方法 夏華麗研究了磁場(chǎng)處理番茄種子及育苗用營(yíng)養(yǎng)土對(duì)種子活力、苗期長(zhǎng)勢(shì)的影響。結(jié)果表明，濕種子經(jīng)磁場(chǎng)處理后，種子活力明顯提高[19]。作物種子經(jīng)紅外線處理后，可改變種子的通透性，加速內(nèi)部的生化變化，提高發(fā)芽率，刺激幼苗生長(zhǎng)和增加產(chǎn)量。

3 小結(jié)

種子自成熟后生活力下降產(chǎn)生不可逆變化，這些不可逆的變化的綜合效應(yīng)稱為劣變或老化現(xiàn)象，劣變的結(jié)果導(dǎo)致了種子生活力下降 亦即發(fā)芽率、幼苗生長(zhǎng)勢(shì)及植株生產(chǎn)性能的下降。目前對(duì)于種子老化方面的研究向深層發(fā)展，從種子的發(fā)芽率、到種子老化生理生化變化再到老化對(duì)物種遺傳完整性的影響，但是在牧草種子如何提高適應(yīng)性方面的研究較少，在解決牧草其他問(wèn)題的同時(shí)也應(yīng)該去著手研究牧草種子的適應(yīng)性。當(dāng)前牧草的價(jià)值逐漸被重視，牧草種子活力的保持和提高成為關(guān)注的重點(diǎn)。目前關(guān)于貯藏蛋白的研究主要集中在作物、蔬菜種子，對(duì)于牧草種子內(nèi)貯藏蛋白的變化研究較少，在未來(lái)可增加對(duì)牧草種子老化過(guò)程中貯藏蛋白變化的研究。對(duì)于老化種子酶活性的研究多著眼于酶活性變化的本身，至于酶的活性是如何因種子老化而發(fā)生變化，目前還不得而知，亦存在著許多解釋。加強(qiáng)牧草種子老化的研究，為牧草種子活力控制提供理論基礎(chǔ)，不僅可以在種質(zhì)資源保存和利用方面發(fā)揮重要作用，更能為整個(gè)行業(yè)發(fā)展帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)的有利影響。

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（2019–02–22）

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