植物生理学通讯第36卷第5期，2000年10月 265 超干处理种子的某些生理生化特性 任晓米朱诚曾广文（浙江大学生命科学学院，杭州310029） 景新明（中国科学院植物研究所，北京100093） Some Physiological and Biochemical Characteristic of Utra-dry Seeds REN XiarMi,ZHU Cheng,ZENG Guang Wen (College of Life Science.Zhejiang University.Hangzhou 310029) JINGXim Ming(Imstitute of Botany.The Chinese Academy of Sciencs.Beijing 100093) 提要就种子超干处理后细胞中水分状态变化、膜结 力 构和功能膜脂过氧化自由基和其清除系统等问趣的研究 据报道，红花种子经不同程度的超干处理后 讲展作了介绍。 种子含水量下降的同时，自由水/束缚水的比率也 关键词种子超干处理膜结构和功能自由基和 其清除系统束缚水 随之下降，在超干状态下种子中大部分束缚水仍然 保持着，这对超干种子保持高活力无疑是一个有 利的内部环境条件。程红卷对不同类型的种子 经典的种子生理学理论认为5%是种子贮藏 的安全含水量下限，种子含水量若低于5%，种子 (包括淀粉类油料类蛋白质类、耐干品种及对水 分敏感的品种)进行水分的热力学分析表明，对干 活力将受到影响。但随着种子吸胀过程中膜物理 修补理论和技术的完善，人们开始意识到5%这 燥较敏感的榆树和大豆种子束缚束缚水的能力比 耐干性强的油菜、艺麻和花生等种子低，即在相同 经典的种子含水量并非不可逾越至少在某些正常 型种子中是不适用的1刀。s等8早期研究发 干燥条件下比较容易丢失关键性的束缚水。这说 明种子对束缚水的保持能力越大，其超干贮藏的效 现芝麻种子含水量从5%降至2%，种子寿命提高 果越好。 了40倍，并用细胞染色体的畸变率加以验证。种 2 超干处理种子的细胞结构 子种质超干节能保存技术的研究是80年代末在种 细胞结构的完整性是种子活力的基础，若膜受 子学与保护生物学领域兴起的研究热点，超干保存 到损伤，细胞器发生畸变与解体，各种大分子酶遭 主要是通过降低种子含水量(MC<5%)在常温下 到破坏将导致种子活力下降。 贮藏达到高含水量种子在低温下贮藏相同的效果 2.】超干处理种子的细胞膜结构和功能细胞代 通过近十年的研究，各困科学家对种子超干处理提 谢活性伴随着种子活力的下降而降低，在调控细 高耐藏性的效果已基本取得共识并从生理生化特 代谢的各因子中，代谢组分的空间分隔以及代谢复 性等方面开始探讨超干处理提高耐藏性的原因。 合物的正确组合是非常重要的，而膜对于细胞内的 1超干处理种子中束缚水的保持力 区域化具有极其重要的作用，一旦膜系统遭到破坏 种子内水分按其存在状态可分为自由水、束缚 即引起代谢异常加速种子生活力和活力丧失5。 水和中间过渡类型。细胞中水分的物理状态与其 生物膜的完整性基于极性和非极性部分的整齐排 作用是相互联系的，水分由于亲水和疏水的相互作 列，在膜两侧水相的“压迫”下形成双片层状，从而 用，可以影响大分子的结构，如膜脂、核酸及蛋白质 保证了膜结构和功能的完整性。当种子含水量下 的结构排列，因此水分的物理状态对干种子内部能 降时磷脂的排列发生转向，膜的连续性界面不能 否发生生理反应有着决定性作用。种子水分存在 保持，待种子吸胀时，膜结构又恢复原状161，在吸 的状况及各种状态水分之间的比例与种子本身固 有特性有直接关系，水分胁迫时种子中束缚水对有 收稿2000-02-17 定20000628 机体的耐干性有关键性作用，即超干种子能否存活 1973项日、国家(39970474利和浙江省(399252)自然科学基金 以及效果如何？则取决于细胞对束缚水的保持能 项目资助。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Dise Co..Ld.All rights reserved
收稿 2000202217 修定 2000206228 1 973 项目、国家(39970474) 和浙江省(399252) 自然科学基金 项目资助。 超干处理种子的某些生理生化特性1 任晓米 朱 诚 曾广文 (浙江大学生命科学学院 , 杭州 310029) 景新明 (中国科学院植物研究所 , 北京 100093) Some Physiological and Biochemical Characteristic of Ultra2dry Seeds REN Xiao2Mi , ZHU Cheng , ZEN G Guang2Wen ( College of L if e Science , Zhejiang U niversity , Hangz hou 310029) J IN G Xin2Ming ( Institute of Botany , The Chinese Academy of Sciences , Beijing 100093) 提要 就种子超干处理后细胞中水分状态变化、膜结 构和功能、膜脂过氧化、自由基和其清除系统等问题的研究 进展作了介绍。 关键词 种子 超干处理 膜结构和功能 自由基和 其清除系统 束缚水 经典的种子生理学理论认为 5 %是种子贮藏 的安全含水量下限 ,种子含水量若低于 5 % ,种子 活力将受到影响。但随着种子吸胀过程中膜物理 修补理论和技术的完善 ,人们开始意识到 5 %这一 经典的种子含水量并非不可逾越 ,至少在某些正常 型种子中是不适用的[1 - 7 ] 。Ellis 等[8 ]早期研究发 现芝麻种子含水量从 5 %降至 2 % ,种子寿命提高 了 40 倍 ,并用细胞染色体的畸变率加以验证。种 子种质超干节能保存技术的研究是 80 年代末在种 子学与保护生物学领域兴起的研究热点 ,超干保存 主要是通过降低种子含水量 (MC < 5 %) 在常温下 贮藏达到高含水量种子在低温下贮藏相同的效果。 通过近十年的研究 ,各国科学家对种子超干处理提 高耐藏性的效果已基本取得共识 ,并从生理生化特 性等方面开始探讨超干处理提高耐藏性的原因。 1 超干处理种子中束缚水的保持力 种子内水分按其存在状态可分为自由水、束缚 水和中间过渡类型。细胞中水分的物理状态与其 作用是相互联系的 ,水分由于亲水和疏水的相互作 用 ,可以影响大分子的结构 ,如膜脂、核酸及蛋白质 的结构排列 ,因此水分的物理状态对干种子内部能 否发生生理反应有着决定性作用。种子水分存在 的状况及各种状态水分之间的比例与种子本身固 有特性有直接关系 ,水分胁迫时种子中束缚水对有 机体的耐干性有关键性作用 ,即超干种子能否存活 以及效果如何 ? 则取决于细胞对束缚水的保持能 力。 据报道 ,红花种子经不同程度的超干处理后 , 种子含水量下降的同时 ,自由水/ 束缚水的比率也 随之下降 ,在超干状态下种子中大部分束缚水仍然 保持着[9 ] ,这对超干种子保持高活力无疑是一个有 利的内部环境条件。程红焱[10 ]对不同类型的种子 (包括淀粉类、油料类、蛋白质类、耐干品种及对水 分敏感的品种) 进行水分的热力学分析表明 ,对干 燥较敏感的榆树和大豆种子束缚束缚水的能力比 耐干性强的油菜、芝麻和花生等种子低 ,即在相同 干燥条件下比较容易丢失关键性的束缚水。这说 明种子对束缚水的保持能力越大 ,其超干贮藏的效 果越好。 2 超干处理种子的细胞结构 细胞结构的完整性是种子活力的基础 ,若膜受 到损伤 ,细胞器发生畸变与解体 ,各种大分子酶遭 到破坏将导致种子活力下降。 2. 1 超干处理种子的细胞膜结构和功能 细胞代 谢活性伴随着种子活力的下降而降低 ,在调控细胞 代谢的各因子中 ,代谢组分的空间分隔以及代谢复 合物的正确组合是非常重要的 ,而膜对于细胞内的 区域化具有极其重要的作用 ,一旦膜系统遭到破坏 即引起代谢异常 ,加速种子生活力和活力丧失[15 ] 。 生物膜的完整性基于极性和非极性部分的整齐排 列 ,在膜两侧水相的“压迫”下形成双片层状 ,从而 保证了膜结构和功能的完整性。当种子含水量下 降时 ,磷脂的排列发生转向 ,膜的连续性界面不能 保持 ,待种子吸胀时 ,膜结构又恢复原状[16 ] 。在吸 植物生理学通讯 第 36 卷 第 5 期 , 2000 年 10 月 562 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
266 植物生理学通讯第36卷第5期.2000年10月 胀过程中，膜上的磷脂分子重新组合成双片层结 减少、多核糖体的合成减缓等现象。在劣变严重的 构，膜相调整的这段时间内不可避免地有一部分细 情况下膜结构肿胀且无序、圆球体破裂，在细跑内 胞内溶物质渗漏到细胞外川。因而膜相调整即修 融合成团并沿壁排列、质体内淀粉粒分裂，有的则 复过程所需时间的长短以及最终整合的完善程度 消失2.13) 决定着种子活力的水平 张明方等14用诱射电镜观察经老化的洋葱未 膜结构的稳定首先体现在膜的选择透性上，种 超干种子胚根尖的亚细胞超微结构时见到细胞核 子活力下降过程中胞内大量电解质外渗是生物膜 膜界限不清晰，有的细胞核有胞饮现象有的细跑 受害的一个重要标志。油菜、花生、榆树 核呈解体状，线粒体变形，脂质体融合成团且排列 高粱201、洋葱21等超干种子若直接浸种会引起胞 不规则，出现电子致密物质（脂肪消耗后的我留 内大量物质外渗，而经严格回水处理后胞内电解厨 物)。而老化的超干种子其细胞器仍发有正常，与 的外渗量即隆低表明回水对招干种子隙的物理修 劣变种子胚根尖细胞的超微结构特征区别明显，细 补有很好的效果，超干本身并不会对膜产生伤害 胞核发育正常，核膜界限清晰，内质网发育正常而 经时一定时间贮藏后超干种子胞内申解质的外参 丰富脂质球沿壁呈环状排列无中空的电子致密 量比未经超干的种子明显低，这表明在贮藏过程中 物质。程红焱在油菜、花生、大豆和小麦等超干 超干种子膜的选择透性比未超干种子保持的完善 种子中也见到类似的结果。张明方14用扫描电钱 另一个反应生物膜物理状态的是膜流动性 它是细 观察种皮细胞外部结构时见到超干处理后种皮细 胞进行生命活动的必要条件。大白菜、榆树种子经 跑的排列发生改变但回水后能恢复正常，虽然某 超干处理后，无论在人工或在自然贮藏条件下，膜 些种子如大豆有裂种现象，但超干前经吸湿回干或 流动性在一定程度上得以保持9，。这可能是超干 以聚乙二醇(PEG等处理时，此现象可以避免.从 贮藏维持了膜上磺脂双层中碳氢链分子的随意转 而保证了细胞外部结构的完整性。从内部到外部 动，而使分子排列的固有特性得以保持，阻止膜脂 超干对种子结构完整性的保持并无不良影响，且利 形成凝胶相因而膜流动性能够保持 环细胞的抗老化能力增强」 嵌合在膜脂内的膜蛋白实现膜的功能，膜脂的 上述种子超干贮藏过程中，其膜结构和功能以 物理状态对膜蛋白具有调控作用22！，膜脂状态的 及细胞器超微结构与种子本身活力变化是一致的 变化会引起膜蛋白结构和功能的改变。H*AT 这从细胞学上解释了超干种子抗老化能力增强的 酶是位于质膜上的专一酶，在种子萌发时的能量转 原因同时也表明用超干方法贮藏种子是可行的。 换中起着十分重要的作用，其活性的高低与种子活 3 超干处理种子中的自由基和膜脂过氧化及其清 力密切相关，高活力种子具有较高的H-ATP酶 除系统 活力。实验表明贮藏过程中超干种子的H-ATP 在种子劣变机理的种子学说中，自由基学说越 酶的含量和活力能够很好的保持而未超干种子 来越引起人们的注意，这一学说认为生物细胞以至 H-ATP酶的含量和活力均受到影响1。线粒体 整个生命的衰老是与自由基代谢的失调相关联的 中的Na-KATP酶也有同样的结果1。膜蛋白 自由基游离在细胞内，有较强的氧化作用，能引发 的这种变化反过来说明贮藏过程中超干种子膜的 膜上不饱和脂肪酸产生过氧化反应，以致生物膜受 物理状态比未超干种子完整， 到严重破坏。在正常生理状态下，自由基的产生和 2.2超干处理种子的细胞器超微结构 种子者 消除处于平衡状态，只有当种子处在不利的物理和 化、劣变的原因是错综复杂的。 一般认为种子发生 化学因素下，产生的自由基得不到消除，或者内源 劣变时，细胞代谢活性随着种子活力的下降而降 性白由基的产牛和消除失去了正常平衡时白由基 低，细胞学上的劣变现象也随之发生，首先表现在 对机体常常会造成损伤2]。脂质是所有细胞膜系 胚根尖分生组织的超微结构变化上。一般轻度 统的主要组成成分当种子含水量低至1%一5 老化但仍具有萌发力的胚常呈现细胞核的局部泡 时，包围着大分子（如酶）的单层水膜变成不连续 状隆起：线粒体和质体变形、高尔基体变形且数量 这样座等大分子就可与脂质直接接触，导致脂质自 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co..Ld. All rights reserved
胀过程中 ,膜上的磷脂分子重新组合成双片层结 构 ,膜相调整的这段时间内不可避免地有一部分细 胞内溶物质渗漏到细胞外[17 ] 。因而膜相调整即修 复过程所需时间的长短以及最终整合的完善程度 决定着种子活力的水平。 膜结构的稳定首先体现在膜的选择透性上 ,种 子活力下降过程中胞内大量电解质外渗是生物膜 受害的一个重要标志。油菜[11 ] 、花生[18 ] 、榆树[19 ] 、 高粱[20 ] 、洋葱[21 ]等超干种子若直接浸种会引起胞 内大量物质外渗 ,而经严格回水处理后胞内电解质 的外渗量即降低 ,表明回水对超干种子膜的物理修 补有很好的效果 ,超干本身并不会对膜产生伤害。 经过一定时间贮藏后 ,超干种子胞内电解质的外渗 量比未经超干的种子明显低 ,这表明在贮藏过程中 超干种子膜的选择透性比未超干种子保持的完善。 另一个反应生物膜物理状态的是膜流动性 ,它是细 胞进行生命活动的必要条件。大白菜、榆树种子经 超干处理后 ,无论在人工或在自然贮藏条件下 ,膜 流动性在一定程度上得以保持[19 ] 。这可能是超干 贮藏维持了膜上磷脂双层中碳氢链分子的随意转 动 ,而使分子排列的固有特性得以保持 ,阻止膜脂 形成凝胶相 ,因而膜流动性能够保持。 嵌合在膜脂内的膜蛋白实现膜的功能 ,膜脂的 物理状态对膜蛋白具有调控作用[22 ] ,膜脂状态的 变化会引起膜蛋白结构和功能的改变。H + 2A TP 酶是位于质膜上的专一酶 ,在种子萌发时的能量转 换中起着十分重要的作用 ,其活性的高低与种子活 力密切相关 ,高活力种子具有较高的 H + 2A TP 酶 活力。实验表明贮藏过程中超干种子的 H + 2A TP 酶的含量和活力能够很好的保持 ,而未超干种子 H + 2A TP 酶的含量和活力均受到影响[19 ] 。线粒体 中的 Na + 2K + A TP 酶也有同样的结果[19 ] 。膜蛋白 的这种变化反过来说明贮藏过程中超干种子膜的 物理状态比未超干种子完整。 2. 2 超干处理种子的细胞器超微结构 种子老 化、劣变的原因是错综复杂的。一般认为种子发生 劣变时 ,细胞代谢活性随着种子活力的下降而降 低 ,细胞学上的劣变现象也随之发生 ,首先表现在 胚根尖分生组织的超微结构变化上[11 ] 。一般轻度 老化但仍具有萌发力的胚常呈现细胞核的局部泡 状隆起 ;线粒体和质体变形、高尔基体变形且数量 减少、多核糖体的合成减缓等现象。在劣变严重的 情况下膜结构肿胀且无序、圆球体破裂 ,在细胞内 融合成团并沿壁排列、质体内淀粉粒分裂 ,有的则 消失[12 ,13 ] 。 张明方等[14 ]用透射电镜观察经老化的洋葱未 超干种子胚根尖的亚细胞超微结构时见到细胞核 膜界限不清晰 ,有的细胞核有胞饮现象 ,有的细胞 核呈解体状 ,线粒体变形 ,脂质体融合成团且排列 不规则 ,出现电子致密物质 (脂肪消耗后的残留 物) 。而老化的超干种子其细胞器仍发育正常 ,与 劣变种子胚根尖细胞的超微结构特征区别明显 ,细 胞核发育正常 ,核膜界限清晰 ,内质网发育正常而 丰富 ,脂质球沿壁呈环状排列 ,无中空的电子致密 物质。程红焱[10 ]在油菜、花生、大豆和小麦等超干 种子中也见到类似的结果。张明方[14 ]用扫描电镜 观察种皮细胞外部结构时见到超干处理后种皮细 胞的排列发生改变 ,但回水后能恢复正常 ,虽然某 些种子如大豆有裂种现象 ,但超干前经吸湿回干或 以聚乙二醇 (PEG) 等处理时 ,此现象可以避免 ,从 而保证了细胞外部结构的完整性。从内部到外部 , 超干对种子结构完整性的保持并无不良影响 ,且种 胚细胞的抗老化能力增强。 上述种子超干贮藏过程中 ,其膜结构和功能以 及细胞器超微结构与种子本身活力变化是一致的 , 这从细胞学上解释了超干种子抗老化能力增强的 原因 ,同时也表明用超干方法贮藏种子是可行的。 3 超干处理种子中的自由基和膜脂过氧化及其清 除系统 在种子劣变机理的种子学说中 ,自由基学说越 来越引起人们的注意 ,这一学说认为生物细胞以至 整个生命的衰老是与自由基代谢的失调相关联的。 自由基游离在细胞内 ,有较强的氧化作用 ,能引发 膜上不饱和脂肪酸产生过氧化反应 ,以致生物膜受 到严重破坏。在正常生理状态下 ,自由基的产生和 消除处于平衡状态 ,只有当种子处在不利的物理和 化学因素下 ,产生的自由基得不到消除 ,或者内源 性自由基的产生和消除失去了正常平衡时 ,自由基 对机体常常会造成损伤[23 ] 。脂质是所有细胞膜系 统的主要组成成分 ,当种子含水量低至 1 %～5 % 时 ,包围着大分子 (如酶) 的单层水膜变成不连续 , 这样酶等大分子就可与脂质直接接触 ,导致脂质自 662 植物生理学通讯 第 36 卷 第 5 期 , 2000 年 10 月 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
植物生理学通讯第36卷第5期，2000年10月 267 动氧化，产生自由基和过氧化氢及丙二醛(MDA) 聚不饱和脂肪酸的氧化作用。程红焱2测定不同 等，引起一系列复杂的连锁反应，最终导致种子劣 含水量油菜种子内的VC、VE和GSH含量的结果 变而丧失生活力24,251。 表明，VC和GSH的含量与种子脱水程度无关，在 丙二醛是种子在贮藏过程中随着劣变的发生 超干贮藏过程中二者含量以相同的隔度下降.而超 而逐渐积累的有毒的脂质过氧化产物，其含量常 干种子中的VE含量无论是贮藏前后都比未超干 用以表示种子中脂质讨氧化程度·辉发性醛类物 种子高。张明方等在洋葱中见到超干种子经 质释放是种子脂质经过各种途径氧化的综合结果 定时间人工老化后，还原态VCVE含量明显高 可以反映脂质过氧化导致的劣变程度。超干种子 于未超干种子，而且在吸胀过程中仍然保持较高水 在贮藏过程中的丙二醛及挥发性醛类物质释放量 平。这表明超干贮藏的种子含有高水平的抗氧化 都低于未超干种子，这是超干种子耐藏性得到很 剂和自由基整合剂，对种子进一步劣变可能有高的 大改善的一种反映10,11,1419262器]。外源抗每剂处 清除活性氧的潜在能力，从而延缓种子老化，提高 理对超干种子贮藏也有增效作用，这表明超于 种子贮藏寿命 藏讨程中虽仍然有脂质过氧化的存在，但从 脂质在招干状态下表现较程的自卫能力其原 MDA积累量减少来看，超干贮藏过程中种子脂质 因可能是由于缺乏化学反应介质，以致包括脂氧合 过氧化程度显然已有成强。超干处理可增高种子 酶介导在内的脂质过氧化反应受抑制，反过来超干 中稳定态自由基水平，而回水处理和吸胀过程中 种子中脂质过氧化程度的减弱又可以降低非酶类 这种稳定态自由基可以得到明显有效的清除)。 自由基清除剂的消耗，形成一种良性循环。尽管超 Priestley等2四认为种子中自由基在高水分下由于 干状态下自由基与敏感区域的接触机会增加 分子运动的加制常变得极不稳定，且攻击力强，但 SOD、POT和CAT等在种子极干煤状态下不能启 在低水分下自由基运动受阻，攻击力减弱 ,据此他 动，但仍然能有效地避免脂质自动氧化。另外在极 们认为，超干贮暖种子内高水平的自由基对种子 干燥条件下，种子内SOD等酶类自由基清除剂并 无甚伤害 未受破坏，一旦种子吸水萌动，它们就可以协同抗 也有人认为超干种子能保持高活力水平与其 氧化剂共同清除由贮藏期间劣变积累的自由基等 体内自由基清除系统有关。这 一系统有两种：(1) 毒害物质，阻止膜脂的自动氧化，维持膜的完整性 清除自由基的酶促系统。据报道，种子活力与脱氢 因而种子能保持高活力状态。 酶活性之间的关系十分密切，超氧歧化酶(S0D)、 4结调 过氧化物酶(POT)及过氧化氢酶(CAT)是种子自 综上所述，可以认为种子在适度超低水分状态 身抵制活性氧，清除自由基有害物质的“清除剂”。 下贮藏不仅种子白身基本不受脂质讨氧化的危 经过一定时间贮藏的白菜，油菜，0 、黄瓜 害，可以保持组织与细胞形态学上和种质遗传学上 等超干种子吸胀后仍能保持较高的脱氢酶活性与 的完整性而且种胚内部代谢绥慢甚至处于几乎 低温贮藏的种子并无明显的差异，而未超干种子的 停顿的状态，因而物质消耗量极低，自身代谢产生 脱氢活性则大部分丧失。必藏过程中超干种子 的有毒物质积累减少种子耐藏性大幅度提高。目 的SOD.POT及CAT的活性均比未超干种子保 前对超干贮藏的效果已得到公认，可以降低种质资 得好这对以后黄发过程中洁除细陶中因脂质过氧 源保存的费用33引但在超干保存种质的实际应用 化产生的毒物是有利的 。(2)清除自由基的非酶 上还存在许多问题，如对超干保存种子种质最佳含 系统。已经证明种子内存在一些非促反应讨时程 水量及其与藏温度之间关系的认识尚存在分歧 的自由基清除剂0,,11，如a-生育酚(VE)是超 然而查明各种种子贮藏的最适含水量是 个繁琐 自由基和脂过氧基的有效清除剂2：抗坏血酸虽 而重要的工作。目前人们对种子耐超干能力尚封 没有抗氧作用，但可以与-生有酚协同作用而增强 乏规律性的认识，如油料种子耐超干，淀粉类种子 抗氧性：抗氧剂维生素C(VC)B胡萝卜素和谷胱 的耐超干能力在种间差异很大，高粱、大麦和小麦 甘肽以及其它酚类物质等均能阻止脂氧化酶对多 种子耐超干能力较强，水稻种子耐超干能力差，大 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co..Ld. All rights reserved
动氧化 ,产生自由基和过氧化氢及丙二醛 (MDA) 等 ,引起一系列复杂的连锁反应 ,最终导致种子劣 变而丧失生活力[24 ,25 ] 。 丙二醛是种子在贮藏过程中随着劣变的发生 而逐渐积累的有毒的脂质过氧化产物 , 其含量常 用以表示种子中脂质过氧化程度 ; 挥发性醛类物 质释放是种子脂质经过各种途径氧化的综合结果 , 可以反映脂质过氧化导致的劣变程度。超干种子 在贮藏过程中的丙二醛及挥发性醛类物质释放量 都低于未超干种子 , 这是超干种子耐藏性得到很 大改善的一种反映[10 ,11 ,14 ,19 ,26～28 ] 。外源抗氧剂处 理对超干种子贮藏也有增效作用[10 ] , 这表明超干 贮藏过程中虽仍然有脂质过氧化的存在 , 但从 MDA 积累量减少来看 , 超干贮藏过程中种子脂质 过氧化程度显然已有减弱。超干处理可增高种子 中稳定态自由基水平 , 而回水处理和吸胀过程中 这种稳定态自由基可以得到明显有效的清除[9 ] 。 Priestley 等[29 ]认为种子中自由基在高水分下由于 分子运动的加剧常变得极不稳定 , 且攻击力强 ,但 在低水分下自由基运动受阻 , 攻击力减弱 , 据此他 们认为 , 超干贮藏种子内高水平的自由基对种子 无甚伤害。 也有人认为超干种子能保持高活力水平 ,与其 体内自由基清除系统有关。这一系统有两种 : (1) 清除自由基的酶促系统。据报道 ,种子活力与脱氢 酶活性之间的关系十分密切 ,超氧歧化酶 (SOD) 、 过氧化物酶 (PO T) 及过氧化氢酶 (CA T) 是种子自 身抵制活性氧、清除自由基有害物质的“清除剂”。 经过一定时间贮藏的白菜[8 ] 、油菜[11 ,30 ] 、黄瓜[31 ] 等超干种子吸胀后仍能保持较高的脱氢酶活性 ,与 低温贮藏的种子并无明显的差异 ,而未超干种子的 脱氢酶活性则大部分丧失。贮藏过程中超干种子 的 SOD、PO T 及 CA T 的活性均比未超干种子保持 得好 ,这对以后萌发过程中清除细胞中因脂质过氧 化产生的毒物是有利的。(2) 清除自由基的非酶促 系统。已经证明 ,种子内存在一些非酶促反应过程 的自由基清除剂[10 ,11 ,14 ] ,如α2生育酚 (V E) 是超氧 自由基和脂过氧基的有效清除剂[32 ] ;抗坏血酸虽 没有抗氧作用 ,但可以与α2生育酚协同作用而增强 抗氧性 ;抗氧剂维生素 C(VC) 、β2胡萝卜素和谷胱 甘肽以及其它酚类物质等均能阻止脂氧化酶对多 聚不饱和脂肪酸的氧化作用。程红焱[2 ]测定不同 含水量油菜种子内的 VC、V E 和 GSH 含量的结果 表明 ,VC 和 GSH 的含量与种子脱水程度无关 ,在 超干贮藏过程中二者含量以相同的幅度下降 ,而超 干种子中的 V E 含量无论是贮藏前后都比未超干 种子高。张明方等[14 ]在洋葱中见到 ,超干种子经 一定时间人工老化后 ,还原态 VC、V E 含量明显高 于未超干种子 ,而且在吸胀过程中仍然保持较高水 平。这表明超干贮藏的种子含有高水平的抗氧化 剂和自由基螯合剂 ,对种子进一步劣变可能有高的 清除活性氧的潜在能力 ,从而延缓种子老化 ,提高 种子贮藏寿命。 脂质在超干状态下表现较强的自卫能力 ,其原 因可能是由于缺乏化学反应介质 ,以致包括脂氧合 酶介导在内的脂质过氧化反应受抑制 ,反过来超干 种子中脂质过氧化程度的减弱又可以降低非酶类 自由基清除剂的消耗 ,形成一种良性循环。尽管超 干状态下自由基与敏感区域的接触机会增加 , SOD、PO T 和 CA T 等在种子极干燥状态下不能启 动 ,但仍然能有效地避免脂质自动氧化。另外在极 干燥条件下 ,种子内 SOD 等酶类自由基清除剂并 未受破坏 ,一旦种子吸水萌动 ,它们就可以协同抗 氧化剂共同清除由贮藏期间劣变积累的自由基等 毒害物质 ,阻止膜脂的自动氧化 ,维持膜的完整性 , 因而种子能保持高活力状态。 4 结语 综上所述 ,可以认为种子在适度超低水分状态 下贮藏 ,不仅种子自身基本不受脂质过氧化的危 害 ,可以保持组织与细胞形态学上和种质遗传学上 的完整性 ,而且种胚内部代谢缓慢 ,甚至处于几乎 停顿的状态 ,因而物质消耗量极低 ,自身代谢产生 的有毒物质积累减少 ,种子耐藏性大幅度提高。目 前对超干贮藏的效果已得到公认 ,可以降低种质资 源保存的费用[33 ] ,但在超干保存种质的实际应用 上还存在许多问题 ,如对超干保存种子种质最佳含 水量及其与贮藏温度之间关系的认识尚存在分歧。 然而查明各种种子贮藏的最适含水量是一个繁琐 而重要的工作。目前人们对种子耐超干能力尚缺 乏规律性的认识 ,如油料种子耐超干 ,淀粉类种子 的耐超干能力在种间差异很大 ,高粱、大麦和小麦 种子耐超干能力较强 ,水稻种子耐超干能力差 ,大 植物生理学通讯 第 36 卷 第 5 期 , 2000 年 10 月 762 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
268 植物生理学通讯第36卷第5期，2000年10月 豆种子的耐超干性有品种间差异等等。这些迹象 士论文1.浙江大学，1999 似乎表明，种子的超干能力及保存效果与种子内贮 15 Bewley JD.A physiological perspective on seed vigour testing. Seed Technol 1984 12:561~575 藏的内含物种类有关但这只是表面现象还有待 16 徐是雄，唐锡华，傅家瑞种子生理的研究进展广州：中山 深入深讨时。另外，明确超干保存的最佳含水量与 大学出版社，1986.116一117 藏温度的关系对进一步查明种子耐干机理和完善 17 Van Bilsen DGL.Hoekstra FA et al.Altered phase behavior in 超干技术也十分重要，这样就可以对不耐超干的种 membranes of aging dry pollen may cause imbibitional leakage 子进行超干或萌发前预处理，提高种子经受过度失 Plant1994104-193-1199 水和快谏吸水过程中的胁迫能力从而扩大超干技 18 林坚，郑光华，张庆昌。日湿预处理助护超低含水量花生种于 术的应用范围。 吸胀损伤的效果。见：郑光华主编.种子生理论文选编。北京 北京市新闻出版社，1995.153~157 参考文献 19汪晓蜂.超干保存种质的种子活力控制问题的研究.中国科 学院植物研究所（博士论文）.1999 isRH.HnTD.Roberts EH Low misture 20林坚，郑光华，高梁种子的超干研究植物生理学报 ongevity and misture. 1993,29(60:435-436 1990.6493-50 21张明方，朱诚，胡家恕等，洋葱种子种质超干保存的效果及 2 Hlis RH.Hong TD.Survival of dry and ultradry sceds of carrot 其对膜系统的影响.浙江农业大学学报，1999.25(3)：252~ groundnut,lettuce,oilluce rape,and onion during five year's her 2 HeyesJA.Seaey DF.Vre de LA.Plasma m ivity duning pepino Splanum m uricatun)npening.Plrysio 3 Elis RH.Hong TD,Roberts EH.Moisture content.storage,viar Plant,1997.101:570576 bdlity and vigor.Seed Sci Res.1991.1:275~277 23 Droillard M,Paulin A.Massot JC.Free radical production. 4 Hlis RH.Hong TD.Roberts EH.Survival of lettuce and sunflow catalheandspeoadcdsmutaeactiwitng and membrane inte ty during n Plant Physio 76521-594 987,71:197-20 5 Ellis RH.Longevity of seeds stored hermetically at low moisture 24傅家瑞，种子生理.北京：科学出版社，1985,358-366 contents.Sord Sci Res,1998 8(1):9~10 25 Harrington JF.Biochemical basis of seed longevity.Seed Sci d 6 Hu C.Zhang Y.Tao M er al.The effect of low water content on Thm.1g73L:4s346 26胡家，朱诚，曾广文等。超干红花种子抗老化作用及其机 7Walters C..The ee 理，植物生理学报，199925(2)：171~17元 dry conditions.Seed Sci Res,1998,8(1):3~8 27朱诚陶月良，曾广文等.超干处理对油料种子活力的影响 8 Ellis RH,Hong TD,Roberts EH.Ligarutgnic relationship be- 及与其脂质过氧化的关系.中国油料，1994,16(4)：10一14 tween moisture content and longevity in sesame seeds.Am Bo. 28朱诚.曾广文，郑光华.超干花生种子耐藏性与脂质过氧化作 198657:499-503 用.作物学报，20026(2)：235一238 9曾广文，朱诚.胡家恕等红花种子超干期间自由恭和水分 Priestley DA,Wetner BG,Leopold AC et al.Organic free radica 状态的研究.浙江农业大学学报，198242)：11一11 and pollen:The effects of hydration and aging 10程红张，种子超干保存种质的研究[博士论文]中国科学院 al.1985.64:8894 箱物研究所1994 30周祥胜，毕辛华.超低水分贮藏对几种高油分种子生理特性 1程红焱，郑光华，陶嘉龄.超干处理对几种芸若属植物种子生 理生化和细胞超微 的影响.种子，19935：12一15 的效应 .植物生理学报，1991,17(3) 31 Zeng XY,Chen RZ,FuJR et al. The effects of water conte 273284 during storage on physiological activity of cucumber seeds.Seed 12 Priestley DA.Seed as dry systems.In:Priestley DA(ed).Seed 3aRs.19988116568 Aging.Ithaca and London:Cornell Univ Press.1986.22~29 ical systems:aging.J Geromtol.198035:45~56 Ithaca and London:Cornell Univ Press,1986.125~165 33 Zheng GH,Jing XM.Too KI.Ultradry seed storage of 14张明方.洋葱和苋菜种子超干保存及其生理生化基础研究[博 gene bank.Nar,198,393:223-224 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co..Lid.All rights reserved
豆种子的耐超干性有品种间差异等等。这些迹象 似乎表明 ,种子的超干能力及保存效果与种子内贮 藏的内含物种类有关 ,但这只是表面现象 ,还有待 深入探讨。另外 ,明确超干保存的最佳含水量与贮 藏温度的关系对进一步查明种子耐干机理和完善 超干技术也十分重要 ,这样就可以对不耐超干的种 子进行超干或萌发前预处理 ,提高种子经受过度失 水和快速吸水过程中的胁迫能力 ,从而扩大超干技 术的应用范围。 参考文献 1 Ellis RH , Hong TD , Roberts EH et al . Low moisture content lim2 its to relations between seed , longevity and moisture. A nn Bot , 1990 ,65 :493～504 2 Ellis RH , Hong TD. Survival of dry and ultra2dry seeds of carrot , groundnut , lettuce , oilluce rape , and onion during five year′s her2 metic storage at two temperatures. Seed Sci & Technol , 1996 , 24 :347～358 3 Ellis RH , Hong TD , Roberts EH. Moisture content , storage , via2 bility and vigor. Seed Sci Res , 1991 ,1 :275～277 4 Ellis RH , Hong TD , Roberts EH. Survival of lettuce and sunflow2 er seeds stored at low and very moisture contents. A nn Bot , 1995 , 76 :521～534 5 Ellis RH. Longevity of seeds stored hermetically at low moisture contents. Seed Sci Res , 1998 ,8 (1) :9～10 6 Hu C , Zhang Y , Tao M et al . The effect of low water content on seed longevity. Seed Sci Res , 1998 ,8 (1) :35～39 7 Walters C , Engels J . The effects of storing seeds under extremely dry conditions. Seed Sci Res , 1998 ,8 (1) :3～8 8 Ellis RH , Hong TD , Roberts EH. Ligarutgnic relationship be2 tween moisture content and longevity in sesame seeds. A nn Bot , 1986 ,57 :499～503 9 曾广文 , 朱 诚 , 胡家恕等. 红花种子超干期间自由基和水分 状态的研究. 浙江农业大学学报 , 1998 ,24 (2) :111～115 10 程红焱. 种子超干保存种质的研究[博士论文] . 中国科学院 植物研究所 ,1994 11 程红焱 , 郑光华 , 陶嘉龄. 超干处理对几种芸苔属植物种子生 理生化和细胞超微结构的效应. 植物生理学报 , 1991 ,17 (3 ) : 273～284 12 Priestley DA. Seed as dry systems. In : Priestley DA (ed) . Seed Aging. Ithaca and London : Cornell Univ Press , 1986. 22～29 13 Priestley DA. Morphological structural and biochemical changes associated with seed aging. In : Priestley DA (ed) . Seed Aging. Ithaca and London : Cornell Univ Press , 1986. 125～165 14 张明方. 洋葱和苋菜种子超干保存及其生理生化基础研究[博 士论文] . 浙江大学 ,1999 15 Bewley JD. A physiological perspective on seed vigour testing. Seed Sci & Technol , 1984 ,12 :561～575 16 徐是雄 , 唐锡华 , 傅家瑞. 种子生理的研究进展. 广州 :中山 大学出版社 , 1986. 116～117 17 Van Bilsen DGJL , Hoekstra FA et al . Altered phase behavior in membranes of aging dry pollen may cause imbibitional leakage. Plant Physiol , 1994 ,104 : 193～1199 18 林坚 , 郑光华 , 张庆昌. 回湿预处理防护超低含水量花生种子 吸胀损伤的效果. 见 :郑光华主编. 种子生理论文选编. 北京 : 北京市新闻出版社 , 1995. 153～157 19 汪晓峰. 超干保存种质的种子活力控制问题的研究. 中国科 学院植物研究所(博士论文) ,1999. 20 林 坚 , 郑光华. 高粱种子的超干研究. 植物生理学报 , 1993 ,29 (6) :435～436 21 张明方 , 朱 诚 , 胡家恕等. 洋葱种子种质超干保存的效果及 其对膜系统的影响. 浙江农业大学学报 , 1999 ,25 (3) :252～ 254 22 Heyes JA , Sealey DF , Vre de LA. Plasma membrane ATPase ac2 tivity during pepino ( S planum m uricat un ) ripening. Physiol Plant , 1997 ,101 :570～576 23 Droillard MJ , Paulin A , Massot J C. Free radical production , catalase and superoxide dismutase activities and membrane integri2 ty during senescence of petals of cut carnations. Plant Physiol , 1987 ,71 :197～202 24 傅家瑞. 种子生理. 北京 :科学出版社 , 1985. 358～366 25 Harrington J F. Biochemical basis of seed longevity. Seed Sci & Technol , 1973 ,1 :453～461 26 胡家恕 , 朱 诚 , 曾广文等. 超干红花种子抗老化作用及其机 理. 植物生理学报 , 1999 ,25 (2) :171～177 27 朱 诚 ,陶月良 ,曾广文等. 超干处理对油料种子活力的影响 及与其脂质过氧化的关系. 中国油料 ,1994 ,16 (4) :10～14 28 朱诚 , 曾广文 , 郑光华. 超干花生种子耐藏性与脂质过氧化作 用. 作物学报 , 2000 ,26 (2) :235～238 29 Priestley DA , Wetner BG , Leopold AC et al . Organic free radical levels in seeds and pollen : The effects of hydration and aging. Plant Physiol , 1985 ,64 :88～94 30 周祥胜 , 毕辛华. 超低水分贮藏对几种高油分种子生理特性 的影响. 种子 , 1993 ,5 :12～15 31 Zeng XY , Chen RZ , Fu J R et al . The effects of water content during storage on physiological activity of cucumber seeds. Seed Sci Res , 1998 ,8 (1) :65～68 32 Leibovitz BE , Siegel V. Aspects of free radical reactions in biolog2 ical systems : aging. J Gerontol , 1980 ,35 :45～56 33 Zheng GH , Jing XM , Tao KL . Ultradry seed storage cuts cost of gene bank. N at ure , 1998 ,393 :223～224 862 植物生理学通讯 第 36 卷 第 5 期 , 2000 年 10 月 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved