棉花种质贮藏过程中活力影响因素的研究进展

2016-03-29现代生物育种河南省协同创新中心河南科技学院棉花研究所河南新乡453003

种子 2016年10期

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·综述·

付远志，单长卷，李成奇，董娜，张金宝，王清连
(现代生物育种河南省协同创新中心/河南科技学院棉花研究所，河南新乡 453003)

棉花种子是我国重要的农业生产物资，棉花种质资源的安全有效保存对棉花品种的改良和生产具有重要意义。种子在收获后的贮藏过程中，即使在较低的温度下，仍然会发生缓慢的新陈代谢活动，最终导致种子活力下降直至死亡。本文综述了近年来棉花种子在贮藏过程中活力影响因素的研究进展，主要包括棉花种子的休眠、活力衰退及影响贮藏过程中活力的主要因素温度和水分。此外，我们提出了棉花种质保存所面临和亟待解决的问题。

棉花；种质资源；休眠；活力衰退；温度；水分

植物种质资源的保存，尤其是利用种子库保存种质资源，对减缓物种灭绝和利用生物多样性具有重要的作用[1]。棉花是我国重要的纤维作物，棉花种质资源的保存对棉花品种的改良和生产具有重要意义[2]。种子收获后，随着保存时间延长，种子内部则发生一系列的生理生化变化，包括生物膜、细胞器、酶活性、贮藏物、合成代谢等各个方面[3]，导致种子活力下降和死亡，最终对生产造成不可估量的损失。因此，研究贮藏过程中种子的活力变化，具有重要的经济意义和实际应用价值。

1 棉花种子贮藏过程中的主要变化

1.1 休眠

新收获的棉花种子发芽率不高，但贮藏一段时间后，其发芽特性大大改善，正常贮藏条件下，贮藏4～6年后的种子仍然具有较高的发芽率[4]。周大云等[5]认为，休眠是刚收获的棉花种子的常见现象，尤其是在生产过程中使用了化学调控剂，或者在棉花植株生长后期遇到低温多雨等不利天气，种子休眠现象更为严重。陈建华等[6]对棉花种子休眠与发芽的关系做了研究，发现存放4个半月的棉籽发芽率高于新收获种子，而存放8个月的棉籽发芽率几乎达100%。一般认为，对休眠种子进行发芽试验应该采取变温或者低温处理，或延长其发芽时间1周左右，或采用其他破除休眠的方法。

1.2 种子活力的衰退

1978年美国种子检验协会(AOSA)将种子的活力定义为：“种子在广泛的田间条件下，种子本身具有的决定其迅速而整齐出苗及长成正常幼苗的全部潜力的所有特性”。种子活力的衰退，是种子在贮藏过程中发生的最主要的事件。即使是在理想条件下，如低温库中贮存的种质资源，随着时间的延长，种子活力仍然在缓慢衰退[3,7]。这种随着贮藏时间的增加，种子内部发生的不可逆的自然生命现象称为种子的老化(Aging)或劣变(Deterioration),前人对这方面的研究已有较多报道[8-10]。但到目前为止，人们对棉花种子衰退的研究较少，楚现周等[11]研究表明，棉花种子在干燥低温条件下保存，起始发芽率可以保持4年，4年后种子的发芽率明显下降。

2 种子活力衰退的学说

种子的衰老是种子生命过程中的重要特性之一，它与种子的贮藏寿命和劣变等生理生化过程有密切关系[12]。种子活力的衰退可以导致种子发芽特性减弱，最终影响植物生长发育、产量及品质。因此，深入研究种子的衰退机理，延缓种子衰退，是确保种质安全高效保存的重要途径。1956年，Harman提出了有关种子活力衰退的自由基学说，自由基游离在细胞内，有较强的氧化作用，能引发细胞内不饱和脂肪酸产生过氧化反应，最终产生有害物质[13]。目前，该学说已被普遍认可。1980年，Miquel等[14]提出了衰老的线粒体学说，该学说认为：种子的衰老是因为线粒体的活性氧增加，导致线粒体内部的大分子物质的氧化损伤，引起器官、组织及细胞的异常，最后导致衰老死亡。已有研究证明，线粒体是种子活力衰退最先损伤的部位[15-18]。

3 贮藏过程中影响棉花种子活力的主要因素

3.1 温度

贮藏环境的温度是决定种子安全保存的主要影响因素之一，现在，普遍认为低温干燥是种子安全贮藏的必要条件[6,19]。因此，建立低温种质库(0 ℃左右)是世界各国主要保存种质资源的重要途径之一。截止到2009年，全球保存了740万份种质资源，其中666万份(约占90%)以种子的形式保存在低温种质库中[20]。周大云等[5]研究表明，0 ℃种质贮藏条件下的各种种子指标优于-18 ℃和室温，低温显著延长休眠时间，推迟劣变的发生。随着科学技术的发展，超低温保存研究不断深入，应用也不断扩大。超低温保存一般是在液氮(-196 ℃)的超低温条件下保存植物材料，在如此低的温度条件下，生物体内部的各种代谢酶类活性被抑制，处于“生机停顿”或“假死”状态，使用时经过复苏，这些“假死”的材料仍能恢复正常的生长活性，理论上能够长期甚至无限期保存植物资源[21]。由于超低温保存具有安全可靠，程序简单等优点，目前已在农作物[22]、经济植物[23]和林木[24]等近千种植物资源上进行了应用。但到目前为止，有关棉花种质资源超低温保存的研究报道较少。

3.2 水分

种子水分在不同的贮藏条件下不断地发生变化，影响着种子的新陈代谢活动，从而对种子的活力产生重要的影响，最终关系到安全贮藏的成败[6,19]。但到目前为止，有关棉花种子贮藏过程中水分方面的研究较少，如陈建华等[6]认为，棉花种子含水量在10%以下比较安全。其余的报道均集中在其它物种的研究上，袁秀萍等[25]研究指出，在稳定的低温条件下，种子的初始发芽率和含水量是影响种子贮藏质量的主要因素，种子库的种质贮藏一段时间后，其发芽率与含水量有较高的负相关(r=-0.277 8)。Ellis等[26]研究表明：含水量从5%降到2%，其贮藏寿命增加40倍，而增加同样长的寿命需要将贮藏温度从20 ℃降到-20 ℃。孙爱清等[27]研究认为,超干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。大量实验证明，种子超干贮藏能够在相同的温度下，更好地提高种子的耐贮性，保持较高的种子活力。超干贮藏作为一种经济实用、简便易行的种子保存技术已经在多种植物进行了应用研究，如油菜、小麦、大豆、水稻、玉米、芝麻、黄瓜、辣椒和洋葱等[28-36]。而有关棉花种子超干贮藏的研究报道较少。

4 结语

我国各个棉区和棉花研究所分布较广，不同的地区、不同的季节或不同的贮藏条件，其温、湿度条件差别较大。种子的来源复杂，其质量也参差不齐，入库后，如何采用有效、安全、低成本的贮藏方法是目前亟待解决的问题。目前正在完善的种子质量标准新体系[37]要求，棉花种子(光籽)的发芽率不低于85%，含水量不超过12%，对于不同保存条件下棉花种子贮藏的质量标准还有待进一步研究。目前国内外研究者多及集中在对其他作物种子活力的研究，特别是种子活力的测定方法、影响因素和提高种子活力等方面，而对棉花种子活力形成及其影响因素等内容研究较少。深入研究影响棉花种子安全贮藏各种影响因素，探究棉花种子活力衰退机理，经济有效地监测种子活力水平，将是棉花工作者继续研究的课题。

[1]Li D Z,Yang X Y,Pritchard H W.Strategies and challenges in plant germplasm conservation [J].Plant Diversity and Resources,2011,33(1):11-18.

[2]杜雄明,孙君灵,周忠丽,等.棉花资源收集、保存、评价与利用现状及未来[J].植物遗传资源学报,2012,13(2):163-168.

[3]田茜,辛霞,卢新雄,等.植物种子衰老与线粒体关系的研究进展[J].植物遗传资源学报,2012,13(2):283-287.

[4]董合忠,李维江,张晓洁,等.棉花种子学[M].北京：科学出版社,2004:41-46.

[5]周大云,杨伟华,徐红霞,等.棉种贮藏过程中温度对发芽率和休眠的影响[J].棉花学报,2009,21(5):405-409.

[6]陈建华,杨继良,杨伟华,等.棉花种子活力及其影响因素探讨[J].棉花学报,1995,7(3):134-140.

[7]乔燕祥,高平平,王果萍,等.玉米种子老化过程中EST同工酶变化与染色体畸变的研究[J].植物遗传资源学报,2003, 4(2):114-118.

[8]McDonald M B.Seed deterioration:physiology, repair and assessment[J].Seed Sci Res,1999,27:177-237.

[9]Smith M T,Berjak P.Deteriorative changes associated with the loss of viability of stored desiccation tolerant and desiccation- sensitive seeds[C]//Kigel J,Galili G.Seed development and germination.New York: Marcel Dekker,1995:701-746.

[10]Priestley D A.Seed Aging:Implications for seed storage and Persistence in the soil[M].New York:Comstock Publishing Associates:Ithaca,1986:304.

[11]楚现周,陈芳芳,庞万晓,等.储藏年限对棉花种子发芽率的影响[J].中国棉花,2011(3):20.

[12]毕辛华,戴心维.种子学[M].北京:中国农业出版社,2002:62-211.

[13]Harman D.Aging: a theory based on free radical and radiation chemistry[J].Gerontol,1956,11:298-300.

[14]Miquel J,Economos A C,Fleming J,et al.Mitochondrial role in cell aging[J].Exp Gerontol,1980,15:579-591.

[15]陈嘉龄,郑光华.种子活力[M].北京:科学出版社,1991:24-106.

[16]博家瑞.花生种子裂变中超微结构的研究[J]．植物生理学报,1983,9(1):93-99.

[17]赵垦田,李立华.人工老化过程红松种胚细胞物质外渗和超微结构变化[J].东北林业大学学报,2000,28(3):5-7.

[18]Amable R A,Obendorf R T.Soybean seedrespiration during simulated preharvest deterioration[J].Exp Bot,1986,37:1364-1375.

[19]王婧,李晓丽,姜朋,等.不同贮藏条件下小麦和玉米种子的水分变化规律及其建模验证[J].作物学报,2011,37(1):158-164.

[20]Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).Draft second report on the state of the world’s plants genetic resources for food and agriculture[M].Rome: Intergovernmental Technical Working Group on Plant Genetic Resources for Food and Agriculture,2009:51-89.

[21]Ozudogru E A,Previati A,Lambardi M.In vitro conservation and cryopreservation of ornamental plants[M]//Jain S M,Ochatt S J.Protocols for vitro propagation of mrnamental plants.U K:Humana Press,2010:303-324.

[22]白建明,陈晓玲,卢新雄,等.超低温保存法去除马铃薯X病毒和马铃薯纺锤块茎类病毒[J].分子植物育种,2010,68(3):605-611.

[23]李俊慧,何平,陈晓玲,等.香蕉离体茎尖超低温保存研究[J].植物遗传资源学报,2010,11(1):34-39.

[24]邵建柱.苹果等果树种质资源的离体保存研究[D].武汉:华中农业大学,2003.

[25]袁秀萍.影响中期低温库贮存种子生活力因素的研究[J].种子,2008,27(12):38-41.

[26]Elis R H,Hong T D,Roberts E H.Logarithmic relationship between moisture content and longevity in sesame seeds[J].Ann Bot,1986,57:499-503.

[27]孙爱清,高荣岐,尹燕枰,等.超干贮藏对棉花种子活力及生理特性的影响[J].棉花学报,2004,16(1):26-30.

[28]伍晓明,郑普英,黄永菊,等.油菜种子超干燥保存的最佳水量研究[J].中国油料作物学报,2011,23(3):5-8,12.

[29]胡小荣,卢新雄,张云兰,等.AFLP技术运用于小麦超干燥保存遗传完整性的初探[J].植物遗传资源学报,2003(2):162-165.

[30]赵鹏,陆开形,朱诚.超干处理对大豆种子抗老化能力及抗氧化代谢的影响[J].大豆科学,2009,28(3)：450-455.

[31]胡承莲,胡小荣,辛萍萍.超干燥水稻种子贮藏研究[J].种子,1999,18(2):18-21.

[32]严敏.玉米种子超干贮藏最适含水量研究[J].中国粮油学报,2013,28(10):71-73.

[33]弗洛朗,颜启传.芝麻不同品种间超干种子耐藏性的差异[J].中国油料作物学报,2001,23(2):76-78.