第二章种子生物学和生理生化基础 本章教学时数：10学时（第3-12讲) 第四节种子休眠及调控 (第8讲) 一、休眠的概念和意义 1.休眠的概念 种子休眠：凡是具有生活力的种子，在适应萌发的条件下不能萌 发的现象。 休眠种子：凡处于休眠状态有生活力的种子。 静止种子：具有发芽能力的种子，由于处于不适当的条件而不能 发芽的现象。 2.休眠的意义 1.生物学上的意义：植物休眠对植物本身有利。长期自然选择 中所形成的抵抗不良环境条件的适应性，有利子种质的延续。 2.农业生产上意义： (1)有利方面： 防止穗发芽。 有利于种子储藏。 有些作物种子成熟后的休眠，还有后熟作用，可以增加产量。 (2)不利方面： 降低了种子利用价值 造成根除杂草困难。 休眠期：表示种子休眠程度，指种子从收获那天起至发芽率达 80%的时间，这是因植物种类、休眠原因不同而异。 二、休眠的原因 种子休眠的原因多种多样，概述以下几个方面
(一)胚休眠 有些植物果实收获后，但其种子还不具备发芽能力，需在一定条 件经过一段时间的后熟，主要原因是种胚尚未成熟，常见的有两种情 况： 1.形态未成熟（形态后熟） 一个完整的种胚由子叶、胚芽（芽）、胚轴和胚根组成。有一些 植物的种子（果实）虽然已表现成熟，并且脱离了母体，但种胚还没有 完全发育成熟，甚至还停留在仅仅超过受精卵阶段的发育水平，胚仅 是一团未完全分化的细胞：另有一些牧草种子的胚虽然已分化，但胚 的体积还未长到足够大。这些种子的胚仍需要从胚乳中吸收养分，进 行细胞组织的分化或继续生长，直到最后完成生理成熟阶段，种胚才 有发芽能力。种子脱离母体后，尚未成熟的种胚可能需经数周至数月 才能发育完全 属于种子采收时胚未形成的休眠植物还有很多，如草莓、人参、 西洋参、冬青、香框等。 2.生理未成熟（生理后熟） 有些植物种子的胚虽然已完成形态分化，种子各器官在形态上己 达完备，但还没有通过一系列复杂的生物化学变化，胚体还缺少萌发 时需要的代谢物质，贮藏物质分解所需的水解酶和呼吸作用所需的氧 化还原酶尚处于迟钝状态。只有通过低温层积或干层积之后，种子的 吸水力、呼吸强度、酶促作用、氨基酸含量等均有增高，生长激素含 量增加、抑制物质降低，这时给予合适的发芽条件才能正常萌发。许 多果树种子（如桃、苹果、梨等）、三叶草以及某些杂草种子属于这 休眠类型。 低温层积促进后熟：很多植物种子的胚分化成熟后需要经过数周 或数月的低温与潮湿条件才能完成生理后熟。 干层积促进后熟：还有很多种类的植物种子，主要是禾本科植物， 其生理后熟不是在潮湿低温条件下完成的，而是在干燥贮藏中进行 2
传 (二)皮层障碍 有些种子充分成熟以后，皮层往往成为种子萌发的障碍，一般有 下列几种情况。 1.皮层不透水有些种子的皮层非常坚韧，在细胞中还具有一些 疏水性物质，阻碍水分渗入，使种子不能吸胀。如豆科植物的硬实，就 是常见的例子。 种皮不透水的部位因植物种类不同，有些植物控制透水的关键部 位是脐部，有的则主要是内脐和发芽口，另一些种子则无特殊部位。种 皮不透水的所在层次也很复杂，有着各种不同的情况和类型。影响不 透水的化学成分种类很多，如果胶、木栓、角质及一些胶类物质。 2.皮层不透气有些种子的皮层虽能吸收水分，但对气体的通透 性差，尤其在含水量高的情况下，气体更难透过潮湿的皮层。如白芥、 菠菜等的种皮存在粘胶而不透气：椴树、美洲艾的种皮内有一层珠心 周膜，它是限制气体交换的主要障碍，苹果、黄瓜、小麦、大麦等的种 子的皮层含有很多酚类物质与酚氧化酶，消耗了进入皮层的02，导致 种胚缺氧休眠。除了氧气供给障碍外，也可能二氧化碳又无法排出， 以致气体交换受阻，妨碍种胚的正常生长发育，如欧白芥等种子。 3.皮层的机械束缚作用有些种子的皮层透水性和透气性都较 好，但由于皮层的阻力较大，限制了种胚向外伸展。这在木本植物的蔷 薇科、山龙眠科和苦槛兰科等许多核果类种子中普遍存在，也在禾本 科、苋科和十字花科等许多杂草种子中较常见。 (三)抑制物质的存在 许多植物种子中存在一些抑制发芽物质，因而影响种子的发芽 这些抑制物质可存在于稃壳（水稻、大麦、野燕麦）、果皮（向日葵、 荞麦)、果肉（苹果、梨）、果汁（番茄、忍冬）、种胚（桃、苜蓿）等部 分，也可能各部分都有。 抑制物质的种类很多，目前认识的主要有8类
简单的小分子物质如氯化钠、氯化钙、氰化氢、氨、乙烯等。 醇醛类如乙醛、苯甲醛、胡萝卜醇等。 有机酸类 如阿魏酸、水杨酸、咖啡酸、脱落酸(ABA)等。 生物碱类如咖啡碱、可可碱、烟碱等。 芥籽油类如丙烯异硫氰酸等。 香豆素 酚类如苯酚、儿茶酚、间苯二酚等。 苷类如苦杏仁苷。 近年来大量研究证明，这些抑制物中以ABA最重要，存在也最普 遍，香豆素次之。 抑制物质对种子发芽的抑制作用没有专一性，它不仅影响本身的 正常发育，对其他种子也能发生抑制作用，如马铃薯和大蒜放在一起 贮藏，马铃薯发芽就会受到抑制。抑制物质对萌发的抑制作用也不是 绝对的，在一定条件下可转化为刺激作用，如乙烯在低浓度时起萌发 促进作用，高浓度时起抑制作用。 (四)环境条件的影响 有些原来不需休眠或己通过休眠期的种子，由于处在不适宜的环 境中，而重新陷入休眠状态，这时即使再给予适宜条件，也不能使种子 萌发，这种休眠称次生休眠、二次休眠或诱发休眠，而原来就有的休眠 (从植株上采收后即存在的休眠)称为原生休眠或一次休眠。 次生休眠的产生是由一些因素如水、温、气、光等的诱导产生。 表2.10诱导二次休眠的因素及实例 诱导因素 植物种类 诱导因索 植物种类 过高温度 早芹 过低温度 蒲公英 莴苣 小窃衣 蒲公英 婆婆纳 过长川照射 莴苣 黑暗 豚草 黑种草 柳叶 厌氧条件 苍耳 莴苣
二氧化碳 欧白芥 酸 次生休眠具有重要的生态意义，它不仅可以阻碍种子的发芽，使 之逃避不良条件的影响，有利于种的繁衍，而且有利于延长种子的寿 命。许多野生植物种子在土壤中长期保持吸胀状态，其寿命却比干藏 条件下更长。 (五)综合休眠 由多种原因引起的休眠现象，可以称之为综合休眠。茭白种子的 休眠是综合休眠的一个典型例子。这种种子的休眠有3方面原因： 是内外稃中有抑制物质：二是种皮不透水：三是胚中没有激素。如果去 除内外稃，种子仍不能发育或仅有少量种子萌发（如用稃壳的浸出液 处理小麦，可以抑制小麦萌发)，如再刺破果种皮，则可略为提高种子 发芽率（剥去果种皮可使发芽率进一步提高）。如经上述两种处理后再 加上赤霉素，则能较好地发芽，不过发芽仍不完全。假如在此基础上再 施加细胞分裂素，发芽就可以达到完全。 三、种子休眠的机理 关于种子休眠的机理或种子休眠解除的机理，曾提出过许多假 说。 (一)内源激素控制学说 在这方面，美国学者khan提出了代表性的论点一三因子学说， 即内源激均衡论。学说要点是：①种子的休眠与萌发，是赤霉素(GA) 细胞分裂素(CK)和脱落酸(ABA)三种激素相互作用的结果：②GA是种 子萌发的必要激素，起原初作用。没有GA,种子就处于休眠状态。③ ABA起抑制GA的作用，从而引起种子休眠。④CK起抵消ABA的作用 即解抑作用。如果不存在ABA,则CK对萌发也就成为不必要的。这 种激素的水平、调节种子的休眠与发芽，可以从图2.17得出
GA CK ABA 4 萌发 -3 一4 休眠 一7 图2.17三因子假说模式图 三因子学说虽还不够完善，而且忽略了乙烯等激素对休眠的调控 作用，但提出萌发促进物质与抑制物质共同调节种子的休眠和发芽， 并从激素间的相互制约关系来说明问题，无疑地可引导我们对种子休 眠的实质得到更深入的理解。 (二)光敏素调控学说 光敏素，又叫光敏色素，是由蛋白质与色素基团组成的一种光可 逆物质，分子量3.6一4.2万。色素基团是感光部分，由四个吡咯环构 成。光敏素有两种分子结构形式，即Pr与Pr,前者对红光的吸收峰 在600nm处，吸收红光后，分子结构变为Pfr。Pfr对远红光的吸收峰 在730nm。Pr是不起催化作用的形式，Pfr是起作用的，但经远红光照 射后，Pfr可以转变为Pr。 R(纯化) 暗转变 活化 PrL光(6&ml 红光(730m 合 A(前体) 逆暗转变
图2.18光敏素的转化 表2.11光照处理发芽（莴苣 (Borthwick等，1952) 处理 发芽率% R(红光) 98 R+FR(远红光 54 R+FR+R 100 R+FR+R+FR R-FR+R+FR+R 99 对照 8 因之对于促进需光种子的萌发决定于最后光照的性质： 对于Pr的作用机理，一般认为Pfr有调节核酸代谢的作用。Pr 可以消除休眠种子中抑制物对DNA模板作用的阻抑，顺利的产生RNA, 从而有可能进行蛋白质与酶类的合成。实验结果表明，抑制NA合成 与运转的物质也抑制喜光种子的光敏素，同时光敏素也有可能和细胞 内的膜层结构起反应而改变其功能。Smith(1975)提出的光敏素与膜 结合的作用机理模式，在这个模式里，膜起极为重要而关键的作用。 总之，光解除休眠的机理即通过光敏素的转变，改变细胞膜的状 况，从而导致GA与CK的合成，调整内源激素平衡。同时，基因活化调 节核酸代谢，促进蛋白质和酶合成，使种子萌发。 (三)PP途径调控学说（呼吸代谢均衡论） Roberts(1969)提出调控种子休眠与萌发的PP途径假说，其大意： 种子发芽的顺利与否必须以PP途径运转的情况而定。休眠种子的呼 吸代谢以一般的EMP-TCA途径为主，PPP进行不力。要使休眠转为非 休眼眠则必须使EP-TCA转为PPP途径。施加一般呼吸抑制剂或增加种 子内氧气分压等处理，均可促进NADPH的氧化，使PP途径顺利运转， 从而解除休眠
磷酸戊糖途径与休眠 TCA 休眠保拉 PPP NADP 0, 末端氧化 NADPH 休眠打破 TC PPP NADP 02 末端氧化 NADPH- 图2.19休眠与萌发的代谢调控机 (四)分子膜的物相变化假说 很多植物种子的休眠与温度有密切关系，改变温度，即能导致休 眠解除，例如园艺和林业生产常用的低温层积处理。有关种子在低温 层积过程中所发生的系列生理生化过程的变化，大致可概括为大分子 的贮藏物进行降解，转化为可溶性的各种为胚代谢，生长过程所需的 物质。在层积初期，伴随水解过程各种水解酶，过氧化氢酶和过氧化 物酶等活性显著增强，进原糖及其他可溶性糖和氨基酸等大量增加， 呼吸作用加强，酸性增强。同时提高种子持水力。这些变化不太引人 注目，但对种子休眠解除，是至关重要的。 另外一些种子如欧洲卫茅，在低温层积全过程中都忌高温，否则 导致出现明显的二次休眠现象，而酸模不仅对层积温度要求苟刻，还 与光敏色素的作用有密切关系。因此有人提出低温层效应与机理和分 子膜的结构和功能有关，即分子膜的物相变化假说。 在一般情况下，温度较低时，分子的脂蛋白双层片状结构处于相 对稳定，排列有序的拟晶体状态，随温度上升，膜的物相发生变化
温度超出某一范围，可能会发生骤急性的变化，成为一种杂乱富于流 动性的液晶状态。当然，这种物相变化与膜脂种类，非极性酰基键的 长度及这些键的不饱和程度和分子吸水程度密切相关。因为在膜体系 中各个部位的上述膜脂情况的差异存在，所以不可能在物相变化时显 现整齐一致，由此必然导致膜层各部位排列紊乱，厚薄不均，追使其 中的蛋白体向垂直或横向移位。 AAAANOAO 升温 W0》y 降退 1拟晶态 099r69986001 冠相对度 2 XAiNiAAC/ wN青于经容器 U 图2.20分子膜的物相随温度而变化（按Armond和Stahlein,1972) 除此之外，还有两个观点颇引为重视，一个是han和曾广文 (1984)提出能量调控种子休眠、萌发的模式；二是Come等(1973)提出 的02水平控制学说
四、种子休眠的控制途径 种子休眠的控制包括休眠期的缩短和延长两个方面！ (一)延长种子休眠期 1.品种选育：休眠期是植物种子在长期系统发育中所形成的遗传 特性，而且这些遗传特性在同一作物不同品种间存在显著差异。因此 采用一定的育种方法，选育出休眠期适当的品种，既有利于贮运，又不 影响种植，是改变种子休眠特性最经济有效的办法。 2.药剂调控田间喷药、贮藏过程是调控休眠的一项可行的措 施。 3.环境因子调控根据研究，将休眠种子放在低湿条件或高温 条件下，或缺氧状态，则可将种子休眠期延长。 (二)缩短和解除种子休眠期 1.种子处理 (1)物理处理方法 温度处理：低温处理高温处理变温处理 机械处理擦破种皮高压处理 (2)化学处理方法：无机化学药物处理有机化学药物处理 植物激素处理 2.改变发芽条件 许多作物的休眠种子并非绝对不能发芽，而是其萌发温度不同于 非休眠种子，而且发芽的温度范围偏狹。若将它们置于一定温度条件 下，可以提高其发芽率或使之发芽良好。 如大小麦和油菜种子经过低温预措后再发芽（即将种子置湿润 的发芽床上，保持8-10℃3昼夜，再移置20℃条件下发芽)：油菜用 15-25℃变温发芽（每天中15℃保持16h,25℃保持8h):玉米用35 ℃高温发芽等都是有效的方法