棉花种质资源贮藏研究进展

2016-01-08李国荣孟庆忠宋志红张涛

湖北农业科学 2015年23期

李国荣+孟庆忠+宋志红+张涛

摘要：棉花（Gossypium hirsutum L.）种质资源的保存方法很多，不同的贮藏方式对棉花种子活力的影响不一致，从而影响所贮藏种质资源的寿命。阐述了温度、水分、气体组分等因素对棉花种子耐贮性的影响以及棉花种质资源贮藏研究的进展情况。

关键词：棉花（Gossypium hirsutum L.）;种质资源;贮藏;种子寿命

中图分类号：S339.3+2;S562 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）23-5804-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.003

Research Progress of Cotton Germplasm Resources Storage

LI Guo-rong， MENG Qing-zhong， SONG Zhi-hong， ZHANG Tao

（Institute of Industrial Crops， Hubei Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Cotton Biology and Genetic Breeding in the Middle Yangtze River， Ministry of Agriculture， Wuhan 430064， China）

Abstract： There are many methods to keep the cotton germplasm resources. The effects of different storage methods on the activity of cotton seed are different， which affects the seed longevity. This paper expounded the influence of temperature， moisture， gas components on cotton seed storability and progress in the study of cotton germplasm storage.

Key words： cotton （Gossypium hirsutum L.）; germplasm resources;storage;seed longevity

棉花（Gossypium hirsutum L.）作为主要经济作物之一，在中国国民经济中占有极其重要的地位。良种在农业科技中的贡献率稳定在43%以上，而棉花种质资源则是培育高产优质棉花新品种的物质基础。中国现保存棉花种质资源6 800多份，主要包括栽培棉、野生种和遗传材料，类型丰富多样。其中，陆地棉5 050份，海岛棉490份，亚洲棉350份，非洲棉17份，野生种41份，半野生种系400份，种间杂种50多份，收集保存的遗传材料200份[1]。妥善保存好现有棉花种质资源，深入研究其保存技术，以期为棉花育种及其他研究不断提供原始材料。

1 棉花种子的寿命

棉花种子的寿命是棉花种子从完全成熟到丧失生活力为止所经历的时间，或者说在一定的环境条件下所能保持生活力的期限。贮藏条件不同，棉花种子的寿命不一样。在一般贮藏条件下，棉花种子的寿命可以维持3～5年，农业利用年限1～2年[2]。但在低温、干燥和密闭的条件下，棉花种子的寿命可以维持10年甚至更长的时间。

2 影响棉花种子贮藏的主要因素

影响种子耐贮性的因素很多，但总的来说可分为种子的遗传因子、休眠特性、成熟度、硬实度、含水量、成分及活力等内在因素和贮藏环境的温度、湿度、物理因素、化学因素等外界因素[3]。水分和贮存温度是影响种子贮藏寿命的主要因子，适当降低种子含水量和贮藏温度均可有效延长种子的寿命。有关温度、种子含水量与种子寿命关系的研究指出：在0～50 ℃范围内，种子贮藏环境温度每降低5.6 ℃，种子寿命就提高1倍;在种子含水量为5%～14%的范围内，每降低1%的含水量，种子寿命就提高1倍。种子理想贮藏的条件是种子含水量4%～6%，温度-20 ℃或更低，相对湿度15%，适度的低氧，高CO2，贮藏室黑暗无光，避免高能射线等。种子含水量为1%～5%时在-18 ℃的温度中贮藏，种子的生活力可达1个世纪以上[4]。

2.1 水分

水分对种子耐贮性的影响有2个方面，一是种子本身的含水量，二是贮藏环境的湿度。如果种子含水量低于10%，可安全贮藏;高于14%时，种子在较短的时间内就会变质。水分对种子变质极其重要，种子的变质过程随着水分的增加而愈趋严重。种子含水量少，生理活性微弱，呼吸缓慢，能量消耗维持在最低水平。棉花种子贮藏过程中，当种子含水量较高或贮藏湿度较大时，种子内的游离水会使一些水解酶的活性升高，种胚内的生化反应加快，代谢作用增强，游离脂肪酸及游离氮基酸在种子内积累，直接威胁到种子的活力。此外，膜透性增大，大量糖分、氨基酸、无机盐及脂肪酸等外渗量增多;加之棉子含水量高时，呼吸作用增强，易使种子发热，霉菌蔓延，进而变质，丧失活力。种子含水量越高，呼吸代谢作用越强，生活力丧失越快[5]。

冯胜利等[6]研究认为棉花种子安全贮藏时的含水量应不超过12%，含水量过高，棉花种子呼吸旺盛，养分消耗加快，同时代谢过程产生的酮类和醛类物质不断积累对棉花种子产生毒害，导致棉花种子发芽率降低，生活力丧失。且棉花种子含水量过高易受冻，也会导致棉花种子发芽率降低。陈建华等[7]研究表明，湿度是棉花种子安全贮藏的关键因子。尹经章等[8]将新疆地区16份棉花品种的棉子装入布袋，置于普通平房木架上贮藏，结果显示16份棉花品种保存20多年后平均发芽率仍超过90%。这是因为新疆地区相对湿度小，平均为44.5%，同样印证了湿度在棉子贮藏过程中的关键作用。

2.2 温度

贮藏温度是影响种子寿命的另一个重要因素。温度越高，种子的呼吸作用越强，消耗的营养物质越多，生活力下降速度越快[9]。低温则有利于种子活力保持。一般认为，当贮藏温度在0 ℃以上时，温度每增高10 ℃，代谢强度提高2～3倍，每增高5 ℃，种子的贮藏寿命减少一半。

张传云等[10]对常温密封、低温密封和常温开放条件下保存的棉花种质资源进行了种子活力测定，研究表明，低温密封条件下贮存的种质资源的种子活力最高;常温密封下贮存的种质资源的发芽势和发芽率最高，但成苗率结果显示，种子活力已呈现下降趋势;常温开放状态下存放的种子活力最低。在低温下贮存的种子，由于温度比较低，种子呼吸作用较微弱，营养物质几乎没有消耗，因而种子保持了较高的活力，种子在该条件下可贮存15年以上。陈永清等[11]认为，低温贮藏既能促进棉子发芽率和活力提高，又可保持棉子原有的播种品质。

周大云等[12]通过对常温、0 ℃和-18 ℃ 3种温度条件下密闭贮藏4年后的棉花种子进行分析比较，认为0 ℃及以下的低温能长期保持棉花种子的休眠状态，可用于棉花种子长期贮藏。休眠的存在延长了棉花种子的寿命，低温能显著减缓棉花种子休眠的解除，延缓了劣变的发生。

同时，温度和水分对种子贮藏的影响又是相互关联的。较低含水量的种子可以忍耐一定时间的高温，而在低温下，较高水分的破坏作用也较小。在同样的温度条件下，棉子含水量越低寿命保持越长;含水量相同时，贮藏温度低的比温度高的种子寿命长。赵同芳[13]报告指出，含水量为7%的棉子在33 ℃中贮藏3年半无明显变质;高水分棉子（13%）在较低温度（21 ℃）中贮藏，发芽力维持了半年，以后迅速衰变，在33 ℃中则半年内全都失去发芽力。朱秀玉等[14]研究发现，种子在干燥条件下，一定范围内的不同储存温度对种子发芽力无明显影响;种子含水量过高对种子发芽力能产生明显的不利影响。含水量过高，在高温状态下因呼吸强度提高导致缺氧并产生有害物质，在低温结冰状态下种胚组织因结冰遭受破坏。因此，棉花种子在储存期间必须保持干燥（含水量12%以下）。

2.3 贮藏环境的气体

贮藏环境的气体是影响种子贮藏寿命的环境因子之一，但贮藏环境的气体组分及比例对种子耐贮性的影响因种子的种类而异。一般来讲，氧气有利于种子内部氧化作用发生，加速老化;二氧化碳、氮气则起相反的作用，延缓衰老。国外有研究认为，室温和贮藏在氧气中的种子生活力丧失最快;贮藏在二氧化碳、氮气或真空中的种子生活力变化没有显著差异，在5 ℃和-5 ℃的低温下，各种气体对生活力影响没有显著差别[15]。通过人为控制贮藏环境内的气体组成，使其氧分压约为大气含量的1/4～1/3，从而抑制贮藏种子的呼吸作用，减缓其新陈代谢速率和生命过程，可以达到长期贮藏种子的目的[16]。

但不同气体对棉花种子寿命的影响也有研究[3]表明，水分为7%的棉花种子密闭贮藏在空气、氧气、二氧化碳或氮气中，在21 ℃和32 ℃下仍保持其原始生活力;水分为13%时，种子在所有贮藏条件下发芽率降至原始的1/2～2/3;贮藏在氧气中的种子发芽率的丧失不比贮藏在二氧化碳或氮气中更严重。这不仅说明气体组分的影响，也说明了气体与水分的综合作用。

3 棉花种子的保存方法

3.1 自然贮藏

目前大批量商业棉花用种多在种子库内常温贮藏。相对于粮食作物种子，棉花种子因有厚厚的种皮保护而比较耐贮藏，在常温条件下种子隔年贮藏仍能保持较高的发芽率[5]。

赵丽芬等[17]研究发现棉花包衣种子在自然贮藏条件下放置3年后，种子的发芽势、发芽率每年以1.26%～5.78%的速率递减。第一年发芽率在80%以上的种子放置3年后发芽率仍达78.25%以上，出土率也达68.50%以上，仍可作为种子用。该试验中，种子用PET塑料袋包装，防潮性能好，种子库夏季干燥度也较好，质量好的种子能够在常温下多年保存。张香桂等[18]则认为自然贮藏的种子发芽势、发芽率均低于冷藏的，播种品质自然贮藏的均远低于冷藏的，因而自然贮藏二年或一年的棉花种子均不能正常使用。

吴立强等[19]从自然条件下贮存的种质材料中选取了1997—2000年贮存的42份棉花种质材料，每年6份材料，其中高酚棉、低酚棉各3份。对连续7年所保存的棉花种质材料进行生活力测定，结果表明，种质资源材料在其收获第二年生活力最高，以后随着年限的增加生活力逐年下降，自然条件保存到第七年生活力降至较低水平。李国荣等[20]2004年6月检测常规挂藏的毛棉子，发现2003年收获的“109”发芽率为65.0%，2002年收获的鄂1213发芽率为59.1%，2001年收获的SGK321和“109”发芽率分别为12.0%和6.7%，表明武汉地区春夏多高温高湿，常规挂藏的棉花种子贮藏年限不能超过3年。

3.2 常温密闭干燥贮藏

少量棉花种质的保存通常采用常温密闭干燥贮藏方法。开渭清等[21]用不同的包装方式在常温条件下保存包衣棉花种子，一年后发芽试验结果表明，塑膜袋包装的棉花种子发芽率未有明显变化，贮藏棉花种子的出苗率和新鲜包衣棉花种子的出苗率相当。宋益明等[22]研究证实了塑膜袋包装贮藏棉花种子短期内种子发芽率不受影响。宋玉萍等[23]利用坛贮法贮藏棉花种子，在室内常温条件下可保存8年之久。

笔者2003年对课题组1973—1987年不同年份用干燥器保存的一批材料进行取样测定发芽率，并在大田播种种植观察。研究发现，在湖北武汉地区的室内常温干燥条件下，棉花种子利用干燥器贮藏16年后，发芽率仍可达到87.3%，1974年贮藏种子的最高发芽率仍达80.4%，且棉花种子播种后，仍能正常发芽并长成植株，进而成铃吐絮收获种子[20]。

3.3 低温保存

低温种质库是保护种子体植物种质资源的最佳途径。世界上已收集到的610万份植物种质资源中，约90%是以种子体形式保存于上千座低温库中。棉花有6 768份种质资源保存在我国国家低温种质库[24]。

低温种子库依据其库内温度高低分为3类：长期库（-18～-10 ℃），种子寿命 50～70年，甚至超过100年;中期库（0～5 ℃），种子寿命15～20 年;短期库15～20 ℃，寿命为3～5 年。利用低温种子库，种子在保存前还需经过生活力检测以及干燥、密封包装等一系列保存前处理，以保证种质资源长期安全保存[25]。低温保存中，棉花种子以20～25 ℃、相对湿度对30%的条件下自然干燥再进行保存为好[26]。

低温下棉花种子的耐贮藏性明显增强。据Stewart等[27]报道，在低温条件下，干燥的棉花种子经过25年贮藏仍有生活力。王芙蓉等[28]1999年对低温保存2年的种子进行了发芽试验，结果表明低温贮存条件下棉花种子的发芽率均在80%以上，优于在常温下保存的棉花种子。

陈叔平[29]通过对美国国家种质库实验室长期库中贮藏20年以上的14种作物、650份品种的发芽率变化进行研究分析，认为低温（-10 ℃或-18 ℃）、种子干燥（种子含水量不超过7%）和容器密封是种子长期贮存的3个重要条件，在此条件下，种子可以贮藏50～70年。该长期库中的棉花种子，1960年的发芽率为92.4%，1984年的为81.7%，年下降速率为0.428%，下降速率远低于常温干燥保存的棉种。

3.4 超干燥保存

低温保存虽是目前种质保存的最佳手段，但其建设投资大、技术要求高，运转费用较昂贵，对于欠发达地区和一般种质资源保存，还需要在常温条件下也能达到中长期保存目的的新技术。1980年英国学者Ellis提出了超干燥贮存概念，即先将种子含水量降至5%以下，然后于常温条件下密封保存[24]。

试验证明，种子寿命随含水量下降而延长，当种子含水量低于某一临界值时，种子寿命将不再延长，甚至会出现种子活力下降的现象，并把这一临界含水量称为种子超干最适含水量[30]。目前得到的种子超干临界水分的作物有大麦3.6%、燕麦3.3%、小麦3.6%、水稻3.0%、花生2.0%、谷子3.0%、绿豆4.9%、荞麦3.0%、高梁3.0%、棉花2.0%[31]。

中国对种子超干燥贮藏研究的起步较晚，且主要集中在作物种子上。1989年，郑光华等首先在中国开展了种子超干燥保存研究，并在超干燥种子的生理和细胞学方面取得了一定进展[9]。孙爱清等[32]2003年对棉花种子进行了超干燥贮藏研究，利用氧化钙超干燥使棉花种子含水量降至2.8%。超干燥贮藏后，由于硬实率明显提高，直接发芽测定结果表明，超干种子的发芽力、活力低于常规贮藏种子;而破除种皮限制后，超干种子发芽力、活力高于常规贮藏种子。对生理指标的测定结果表明，超干燥贮藏种子的脱落酸（ABA）含量明显低于常规贮藏种子，而脱氢酶、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性均高于常规贮藏种子。说明超干燥贮藏有利于棉花种子活力的长期保持，但发芽前需要破除种皮。缓湿处理可使棉花超干燥贮藏种子的发芽力、活力显著提高，相对电导率和ABA含量明显降低，对赤霉素（GA3）和异戊烯基腺苷（iPAs）含量亦有明显的提高作用，而对脱氢酶、POD、SOD活性无明显影响。由此认为，棉花种子对超干燥贮藏有良好的适应性，需要长期贮藏的种质、原种可以用超干燥贮藏达到长期保持种子寿命的目的，但应用前应采取有效措施破除硬实。

3.5 超低温冷冻保存

超低温冷冻保存是一种操作简单的保存方法，成本低廉，不需要机械控制设备，没有电力消耗。但由于缺乏稳定的液氮源，且在实际应用中需频繁补充液氮，用该法保存种子不如低温库方便，因此，在中国超低温技术保存作物种子资源的报道较少。

国外有研究者将棉花种子在液氮低温环境中贮存180 d，然后转移到室温条件下测其发芽率，发现贮藏在液氮环境中若不直接与液氮接触，种子发芽率和田间表现不受影响。但直接浸在液氮中贮藏的种子，尽管发芽率不受影响，但出苗后幼苗的叶片受到显著的不利影响[5]。超低温贮藏的种子含水量以4%～12%为好，高于12%会显著影响种子的发芽率。在冷冻条件下干燥的棉花种子经过37年贮藏仍有发芽能力。

综上所述，棉花种质资源的保存方法很多，但各有利弊。低温贮藏在今后一段时间内仍是种子贮存的主要方法，但低温贮藏耗资巨大，运转费用高，欠发达地区难以推行;超干燥贮藏具有投资少、能源省、种子寿命长等特点，有着非常广泛的应用前景，但超干燥贮藏中的超干燥种子吸水损伤问题和脱水技术问题仍是当前需要解决的难题;在常温条件下，通过干燥密封贮藏来延长种子的寿命是可行的，也是一种经济有效的种子保存方法。如何使棉花种质资源既能够得到最好地保存，又能最大限度地省力、省物、省钱，确保育种工作顺利开展，取得更大突破，这是今后工作的又一重点。

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