超干种子耐贮藏性的细胞学及生理生化基础 程红焱，宋松泉2，朱诚3，郑光华 1中回科学院植物研究所，北京100093：2中国科学院西双版纳热带植物园，云南动腊666303 3浙江大学生命科学学院，浙江杭州310029) 摘要：种子超干贮藏是近年来种子生物学研究和植物种质资源保存领域的研究热点。本文纷 述了种子超干贮藏研究的进展，包括：(1)超干种子的细胞和亚细胞结构变化：(2)超干处 理对种子水分状态的影响以及与劣变反应速率的关系：(3)超干种子中的自由基伤害和有毒 物质的积累；(4)超干种子中的内源抗氧剂：（⑤）糖类物质以及两性物质对极度脱水种子细 胞的保护。此外，还对此领域的研究进行了展望。 关键词：抗氧化剂：细胞和亚细胞结构；生理生化变化；自由基：耐贮藏性，超干种子 中图分类号：0945 文献标识码：A 文章编号：0253.2700(2005)01-0011.08 Cytological,Physiological and Biochemical Basis of Storability of Utradry Seeds CHENG Hong Yan',SONG Song-Quan?,ZHU Cheng?,ZHENG Guang Hua' 66303.China3 hejiang University Hanghou 310029.China) Abstract:Seed ultradry storage is recently a hot research ot in the fieds of seed biology and plant eermplasm resources preservation.Advances in seed ultradry storage research were reviewed in this of ultradry treatment on water state of seeds.and the relationshp between the changes in wate state and reaction rate of seed deteroration:(3)free radical damage and accumulation of toxic products in ultradry seeds:(4)endogenous antioxidants in ultradry seeds.and (5)protective roles tive of resaerch on seed ultradry storage has been made in this paper. Key words:Antioxidant:Cellular and subcellular structure:Physiological and biochemical change Radical:Storability:Ultradry seed 盐金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项1(KSC2.SW.117),国家自然科学基金项目(3070183 日期 和云南省自然科学 究员，主要从事种子生物学的教学和研究 E.mail:hycheng b Td:(01062591431.6049 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Dise Co..Lid.All rights reserved
超干种子耐贮藏性的细胞学及生理生化基础Ξ 程红焱1 , 宋松泉2 , 朱 诚3 , 郑光华1 (1 中国科学院植物研究所 , 北京 100093 ; 2 中国科学院西双版纳热带植物园 , 云南 勐腊 666303 ; 3 浙江大学生命科学学院 , 浙江 杭州 310029) 摘要 : 种子超干贮藏是近年来种子生物学研究和植物种质资源保存领域的研究热点。本文综 述了种子超干贮藏研究的进展 , 包括 : (1) 超干种子的细胞和亚细胞结构变化 ; (2) 超干处 理对种子水分状态的影响以及与劣变反应速率的关系 ; (3) 超干种子中的自由基伤害和有毒 物质的积累 ; (4) 超干种子中的内源抗氧剂 ; (5) 糖类物质以及两性物质对极度脱水种子细 胞的保护。此外 , 还对此领域的研究进行了展望。 关键词 : 抗氧化剂 ; 细胞和亚细胞结构 ; 生理生化变化 ; 自由基 ; 耐贮藏性 ; 超干种子 中图分类号 : Q 945 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 2700(2005) 01 - 0011 - 08 Cytological , Physiological and Biochemical Basis of Storability of Ultradry Seeds 3 CHEN G Hong2Yan1 , SON G Song2Quan2 , ZHU Cheng 3 , ZHEN G Guang2Hua1 (1 Instit ute of Botany , Chi nese Academy of Sciences , Beijing 100093 , China ; 2 Xishuangbanna Tropical Botanical Garden , Chi nese Academy of Sciences , Mengla 666303 , China ; 3 School of L if e Sciences , Zhejiang U niversity , Hangzhou 310029 , China) Abstract : Seed ultradry storage is recently a hot research spot in the fields of seed biology and plant germplasm resources preservation. Advances in seed ultradry storage research were reviewed in this paper , implicated in (1) changes in cellular and subcellular structure of ultradry seeds ; (2) effects of ultradry treatment on water state of seeds , and the relationship between the changes in water state and reaction rate of seed deterioration ; (3) free radical damage and accumulation of toxic products in ultradry seeds ; (4) endogenous antioxidants in ultradry seeds , and (5) protective roles of sugar and amphiphilic molecules against extreme desiccation in seed cells. In addition , perspec2 tive of resaerch on seed ultradry storage has been made in this paper. Key words : Antioxidant ; Cellular and subcellular structure ; Physiological and biochemical change ; Radical ; Storability ; Ultradry seed 云 南 植 物 研 究 2005 , 27 (1) : 11～18 Acta Botanica Yunnanica Ξ 基金项目 : 中国科学院知识创新工程重要方向项目 ( KSCX2 - SW - 117) , 国家自然科学基金项目 (30470183) (D39670058) 和云南省自然科学基金项目 (2003C0068M) 资助 收稿日期 : 2004 - 09 - 05 , 2004 - 11 - 09 接受发表 作者简介 : 程红焱 (1967 - ) 女 , 理学博士 , 副研究员 , 主要从事种子生物学的教学和研究。 E - mail : hycheng @ibcas1ac1cn. Tel : (010) 62591431 - 6049 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
12 云南植物研究 27卷 种子库是植物种质遗传多样性迁地保护的主要形式，如何有效地延长种子的贮藏寿命 和最大程度地减少种子在贮藏过程中细胞的衰老损伤，对于植物种质资源的保存至关重 要。种子作为植物生活史中独立存在的幼小生命个体，在贮藏过程中会发生许多物理和化 学的变化，包括细胞完整性的破坏、酵活性的丧失、脂质氧化和其他劣变反应。目前建议 -180的种子库中产藏种子的含水量为5%。一般队为种子库中保存种子的含水量不得低 于5%这一极限，否则种子会受到损伤并且种子的耐贮藏性(storability)将下降。但近年 来的研究已突破这一传统概念，种子的含水量不仅可以安全地降低到5%以下，而且种子 的耐贮藏性将提高，并提出了超干种子贮藏(ultrdry seed storage)的概念(Zheng等 1998)。超干种子贮藏的研究不仅在种子生理学领域，而且在种质资源保存领域掀起了不 小的热潮，部分研究结果已在Na陀上发表。本文对近年来超干种子耐贮藏性的细胞学 和生理生化基础的研究进展做一综述。 1超干种子的细胞结构变化 细胞结构的完整性是种子活力的基础，种子在贮藏过程中细胞膜的损伤、细胞器的畸 变与解体以及各种大分子的变性将导致种子活力的下降。 1.1超干处理对种子细胞膜的影响 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，而膜系统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则立即引起代谢异常，加速种子活力的丧失。生物 膜的完整性基于极性和非极性部分的整齐排列，磷脂双分子层的结构保证了膜结构和功能 的完整性。一般认为引起脱水敏感细胞的损伤和死亡的原初位点是细胞膜系统，保护细胞 膜组分不受脱水影响的程度可能是脱水耐性的体现。当种子含水量下降时，磷脂的排列发 生变化，电镜观察结果表明，膜结构的变化包括膜磷脂分子由双层排列状态变为六角形构 相，细胞膜从流动相变为凝胶相，从而破坏了细胞膜的渗透调节功能。待种子吸胀时，膜 结构又恢复原状，膜上的磷脂分子重新组合成双分子层结构。膜相变发生时一部分细胞内 容物不可避免地渗霜到细跑外。因而细胞模相变，即膜构相修复过程所需时间的长短以及 最终整合的完善程度，决定着种子的活力水平(Smith and Berjak,1995;Bewley,1997)。 膜结构的稳定首先表现在膜的选择透性上，种子活力下降过程中细胞内大量的电解质外 渗是细胞膜受损害的一个主要标志。油菜(Brasica campestri)、白菜(Brassica pekinensi) (程红焱等，199I)、花生(Arachis hypogoea)、榆树(U1 nus pumila)(程红焱，1994)、高 粱(Sorghum vulgare)(林坚等，1993)、洋葱(Allium cepa)(eyes等，1997等超干种子 若直接浸种会引起细胞内物质的大量外渗，而经严格回水处理后胞内电解质的外渗量会显著 降低，表明回水处理对超干种子细胞膜的物理修复具有良好的效果。经过一定时间贮藏后 超干种子在吸胀时细胞内电角解质的外参量比未经超干处理的种子明显降低，这表明在藏过 程中超干种子细胞膜的选择透性比未超干种子保持得完善（程红焱，1994）。 膜的流动性能较好地反映细胞膜的物理状态，细胞膜处于流动相是细胞进行生命活动 的必要条件。汪晓峰等(1999,2003)应用荧光探针1,6-二苯基-1,3,5-己三烯研 究白菜和榆树种子超干处理对膜流动性的影响，结果表明种子经超干处理后，在人工老化 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Dise Co..Ltd.All rights reserved
种子库是植物种质遗传多样性迁地保护的主要形式 , 如何有效地延长种子的贮藏寿命 和最大程度地减少种子在贮藏过程中细胞的衰老损伤 , 对于植物种质资源的保存至关重 要。种子作为植物生活史中独立存在的幼小生命个体 , 在贮藏过程中会发生许多物理和化 学的变化 , 包括细胞完整性的破坏、酶活性的丧失、脂质氧化和其他劣变反应。目前建议 - 18 ℃的种子库中贮藏种子的含水量为 5 %。一般认为种子库中保存种子的含水量不得低 于 5 %这一极限 , 否则种子会受到损伤并且种子的耐贮藏性 (storability) 将下降。但近年 来的研究已突破这一传统概念 , 种子的含水量不仅可以安全地降低到 5 %以下 , 而且种子 的耐贮藏性将提高 , 并提出了超干种子贮藏 ( ultrdry seed storage) 的概念 ( Zheng 等 , 1998) 。超干种子贮藏的研究不仅在种子生理学领域 , 而且在种质资源保存领域掀起了不 小的热潮 , 部分研究结果已在 N at ure 上发表。本文对近年来超干种子耐贮藏性的细胞学 和生理生化基础的研究进展做一综述。 1 超干种子的细胞结构变化 细胞结构的完整性是种子活力的基础 , 种子在贮藏过程中细胞膜的损伤、细胞器的畸 变与解体以及各种大分子的变性将导致种子活力的下降。 111 超干处理对种子细胞膜的影响 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 , 而膜系统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则立即引起代谢异常 , 加速种子活力的丧失。生物 膜的完整性基于极性和非极性部分的整齐排列 , 磷脂双分子层的结构保证了膜结构和功能 的完整性。一般认为引起脱水敏感细胞的损伤和死亡的原初位点是细胞膜系统 , 保护细胞 膜组分不受脱水影响的程度可能是脱水耐性的体现。当种子含水量下降时 , 磷脂的排列发 生变化 , 电镜观察结果表明 , 膜结构的变化包括膜磷脂分子由双层排列状态变为六角形构 相 , 细胞膜从流动相变为凝胶相 , 从而破坏了细胞膜的渗透调节功能。待种子吸胀时 , 膜 结构又恢复原状 , 膜上的磷脂分子重新组合成双分子层结构。膜相变发生时一部分细胞内 容物不可避免地渗漏到细胞外。因而细胞膜相变 , 即膜构相修复过程所需时间的长短以及 最终整合的完善程度 , 决定着种子的活力水平 (Smith and Berjak , 1995 ; Bewley , 1997) 。 膜结构的稳定首先表现在膜的选择透性上 , 种子活力下降过程中细胞内大量的电解质外 渗是细胞膜受损害的一个主要标志。油菜 ( B rassica campestris) 、白菜 ( B rassica pekinensis) (程红焱等 , 1991) 、花生 ( A rachis hypogaea) 、榆树 ( Ulmus pumila) (程红焱 , 1994) 、高 粱 ( Sorghum vulgare) (林坚等 , 1993) 、洋葱 ( Allium cepa) (Heyes 等 , 1997) 等超干种子 若直接浸种会引起细胞内物质的大量外渗 , 而经严格回水处理后胞内电解质的外渗量会显著 降低 , 表明回水处理对超干种子细胞膜的物理修复具有良好的效果。经过一定时间贮藏后 , 超干种子在吸胀时细胞内电解质的外渗量比未经超干处理的种子明显降低 , 这表明在贮藏过 程中超干种子细胞膜的选择透性比未超干种子保持得完善 (程红焱 , 1994) 。 膜的流动性能较好地反映细胞膜的物理状态 , 细胞膜处于流动相是细胞进行生命活动 的必要条件。汪晓峰等 (1999 , 2003) 应用荧光探针 1 , 6 - 二苯基 - 1 , 3 , 5 - 已三烯研 究白菜和榆树种子超干处理对膜流动性的影响 , 结果表明种子经超干处理后 , 在人工老化 云 南 植 物 研 究 21 27 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
1期 程红焱等：超干种子耐贮藏性的细胞学及生理生化基础 13 和自然老化条件下，与·20C条件下贮藏的种子比较，超干贮藏种子的细胞膜的微粘度无 显著变化，过干贮藏种子的细胞膜的微粘度虽然有所偏高，但也低于高含水量室温贮藏的 种子。这些结果与超干种子具有较高活力水平完全一致，可能是超干贮藏较好地维持了膜 蛋白的完整性及磷脂双分子层中碳氢链分子的流动性。 膜的功能主要靠嵌合在膜磷脂双分子层内的膜蛋白实现，膜脂的物理状态对膜蛋白具 有调控作用，膜脂状态的变化会引起膜蛋白结构和功能的改变(Heyes等，1997)。H, ATP酶位于质膜上，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-ATP酶活力。实验表明，超干种子贮藏 过程中的H-ATP酶含量和活性能够较好地保持，而未超干处理的种子中H-ATP酶的 含量和活性均降低（汪晓峰等，2003）。 1.2超干处理对种子细胞器超微结构的影响 种子发生劣变因时细跑代谢活性下降，细胞学上的劣变也随之发生，首先表现在还根尖 分生细胞超微结构的变化（程红焱等，1991；Cheg等，1990,1997）。 一般轻度老化但 仍具有萌发力的种胚细胞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；多核糖体的形成减缓等现象。在劣变严重的情况下细胞内膜结构肿胀且无 序、圆球体破裂，在细胞内融合成团并沿壁排列、质体内淀粉粒裂解甚至消失(Priestley 1986) 张明方等(1999)用透射电镜观察经老化而未超干处理的洋葱(A ium cepa)种子 胚根尖的细胞超微结构，发现细胞核膜界限不清晰，有的细胞核有胞饮现象，有的呈解体 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)。而经同样老化处理的超干种子，细胞核正常，核膜界限清晰，内质网正常且丰富 脂质球沿细胞壁呈环状排列，无中空的电子致密物质。程红焱(1994)在油菜、花生、大 豆(Glycine max)和小麦(Triticum aestivum)等超干种子中也观察到类似的结果。扫 描电镜观察种皮细胞外部结构时发现，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（张明方等，1999）。尽管大豆种子在超干过程中有裂种现象，但超干前经吸湿 回干或以聚乙二醇(PEG等处理后，可以避免此现象，从而保证了细胞外部形态结构的 完整性。 2超干处理对种子内水分状态的影响 2.1自由水和束缚水 种子水分按其存在状态可分为自由水(free water)和束缚水(bound water)。细胞中 水分的物理状态与其作用是相互联系的，由于亲水和疏水的相互作用，水分可以影响大分 子如膜脂、核酸及蛋白质的结构，因此水分的物理状态对干种子内能否发生生化反应有着 决定性的作用。种子内水分存在的状态，以及各种状态水分之间的比例与种子本身固有的 特性有着直接的关系。水分肋迫时种子中的束缚水对其耐干性起着关键作用，即种子在超 干处理后能否存活以及贮藏效果如何取决于种子尤其是种胚细胞对束缚水的保持能力（程 灯卷1994) 红花种子经超干处理后，自由水/束缚水的比率随含水量下降而降低，在超干状态下 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.LId.All righs reserved
和自然老化条件下 , 与 - 20 ℃条件下贮藏的种子比较 , 超干贮藏种子的细胞膜的微粘度无 显著变化 , 过干贮藏种子的细胞膜的微粘度虽然有所偏高 , 但也低于高含水量室温贮藏的 种子。这些结果与超干种子具有较高活力水平完全一致 , 可能是超干贮藏较好地维持了膜 蛋白的完整性及磷脂双分子层中碳氢链分子的流动性。 膜的功能主要靠嵌合在膜磷脂双分子层内的膜蛋白实现 , 膜脂的物理状态对膜蛋白具 有调控作用 , 膜脂状态的变化会引起膜蛋白结构和功能的改变 ( Heyes 等 , 1997) 。H + 2 A TP 酶位于质膜上 , 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 , 超干种子贮藏 过程中的 H + 2A TP 酶含量和活性能够较好地保持 , 而未超干处理的种子中 H + 2A TP 酶的 含量和活性均降低 (汪晓峰等 , 2003) 。 112 超干处理对种子细胞器超微结构的影响 种子发生劣变时细胞代谢活性下降 , 细胞学上的劣变也随之发生 , 首先表现在胚根尖 分生细胞超微结构的变化 (程红焱等 , 1991 ; Cheng 等 , 1990 , 1997) 。一般轻度老化但 仍具有萌发力的种胚细胞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 ; 多核糖体的形成减缓等现象。在劣变严重的情况下细胞内膜结构肿胀且无 序、圆球体破裂 , 在细胞内融合成团并沿壁排列、质体内淀粉粒裂解甚至消失 (Priestley , 1986) 。 张明方等 (1999) 用透射电镜观察经老化而未超干处理的洋葱 ( A llium cepa) 种子 胚根尖的细胞超微结构 , 发现细胞核膜界限不清晰 , 有的细胞核有胞饮现象 , 有的呈解体 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) 。而经同样老化处理的超干种子 , 细胞核正常 , 核膜界限清晰 , 内质网正常且丰富 , 脂质球沿细胞壁呈环状排列 , 无中空的电子致密物质。程红焱 (1994) 在油菜、花生、大 豆 ( Glycine m ax ) 和小麦 ( T riticum aestiv um ) 等超干种子中也观察到类似的结果。扫 描电镜观察种皮细胞外部结构时发现 , 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 (张明方等 , 1999) 。尽管大豆种子在超干过程中有裂种现象 , 但超干前经吸湿 回干或以聚乙二醇 (PEG) 等处理后 , 可以避免此现象 , 从而保证了细胞外部形态结构的 完整性。 2 超干处理对种子内水分状态的影响 211 自由水和束缚水 种子水分按其存在状态可分为自由水 (free water) 和束缚水 (bound water) 。细胞中 水分的物理状态与其作用是相互联系的 , 由于亲水和疏水的相互作用 , 水分可以影响大分 子如膜脂、核酸及蛋白质的结构 , 因此水分的物理状态对干种子内能否发生生化反应有着 决定性的作用。种子内水分存在的状态 , 以及各种状态水分之间的比例与种子本身固有的 特性有着直接的关系。水分胁迫时种子中的束缚水对其耐干性起着关键作用 , 即种子在超 干处理后能否存活以及贮藏效果如何取决于种子尤其是种胚细胞对束缚水的保持能力 (程 红焱 , 1994) 。 红花种子经超干处理后 , 自由水/ 束缚水的比率随含水量下降而降低 , 在超干状态下 1 期 程红焱等 : 超干种子耐贮藏性的细胞学及生理生化基础 31 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
14 云南植物研究 27卷 种子中大部分束缚水仍然保持着，这为超干种子保持高活力提供了有利的内部环境条件 (程红焱，1994)。程红焱等(1996)对不同类型的种子（淀粉类、油料类、蛋白质类、耐 干品种以及对水分敏感的品种)进行水分热力学的分析表明，对干燥较敏感的榆树和大豆 种子保持束缚水的能力低于耐干性较强的油菜、芝麻(Meehania urtioifolia)和花生种 子，较易失去等温线第一吸附区域的强吸附水，即在相同干燥条件下比较容易丢失关键性 的束缚水，从而引起大分子构象的变化。在水稻(Oryza sativa)种子中也发现，吸湿回 干处理可以提高种子的热力学K和K值，增加种子对等温线上第一吸附区域水分的束缚 能力；种子对束缚水的保持能力越大，其超干贮藏的效果越好（程红焱，1994）。 2.2水分含量与劣变反应速率 低的含水量和贮藏温度是延长种子贮藏寿命的两个关键因素，低含水量和低温提高了 细胞质的粘滞度，促进玻璃化的形成。玻璃化物质的高度粘滞性导致了细胞内分子流动性 的降低，阻止了细胞质中分子的扩散，从而降低了劣变反应的速率，减少了老化过程中细 胞结构和化学组分的变化(Buitink等，1998a,b;Leopold等，1994；Sun,1997)。玻璃 化不仅降低了劣变反应的速率，而且可以提高酶的稳定性(Chang等，I996)。Buitink等 (1998a,b)用极性硝基氧探针CP标记豌豆(Pisum sativum)胚轴细胞，利用电子顺磁 共振(electron paramagnetic resonance,EPR)和饱和转移电子顺磁共振(saturation trans fer electron paramagnetic resonance,S下EPR)技术研究了不同贮藏条件下种子细胞内分子 的运动特征与种质老化速率的关系，表明分子流动性随着温度和含水量变化的趋势与老化 速率的变化是一致的，并存在线性对数关系。通过研究豌豆胚轴细胞中的分子流动性与细 胞含水量和温度的相关性，以及分子流动性与同样依赖于温度和含水量的耐贮藏性之间的 关系，发现随着分子流动性的降低，种子的耐贮藏性提高：在不同温度条件下，当种子处 于最佳贮藏含水量时的分子流动性都是处于最低水平。基于最低分子流动性和最佳贮藏含 水量之间的关系，发现豌豆胚轴在.20℃涤件下含水量为0.10gHO/gDW时分子流动性 最低。这一结果与Vertucci和Roos(I993)采用热力学方法对低温下种子最佳贮藏含水 量的预测结果一致。Buitink等(2000a)利用S下EPR技术测定了不同温度和含水量的凤 仙花(Impatiens balsamina)种子细胞质中分子的流动性，发现种子老化速率和半生活力 时间(halfviability times))直接相关。Vertucci等(I994)的研究也表明豌豆胚轴细胞中 分子流动性与温度和含水量有关，也同样与豌豆老化速率、活力和萌发力丧失相关，分子 流动性的最低值和种子的最大耐贮藏性发生在相近的含水量水平。有研究表明种子含水量 并不是愈低愈好，更低的含水量不能提高种子贮藏寿命，反而会损害种子的生活力 (Buitink等.1998b：Vertucci等，1994)。存留的水分子对保特生物大分子的结构是必需 的，水分子可以淬灭自由基，极度失水会增强自由基的活动(Buitink等，1998a) 3超干种子中的自由基毒害和有毒物质的积累 种子的贮藏过程也就是生命的衰老过程。解释衰老的学说有衰老的免疫学说、衰老的 有害物质积累学说、大分子交联学说、衰老的基因学说以及衰老的自由基学说(Priestley 1996),而衰老的自由基学说是当前倍受重视的热点。自由基是游离存在并具有奇数电子 的分子、原子或离子，其化学性质活跃，在生物体内不断地产生，也不断地被清除。在正 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Dise Co..Ltd.All rights reserved
种子中大部分束缚水仍然保持着 , 这为超干种子保持高活力提供了有利的内部环境条件 (程红焱 , 1994) 。程红焱等 (1996) 对不同类型的种子 (淀粉类、油料类、蛋白质类、耐 干品种以及对水分敏感的品种) 进行水分热力学的分析表明 , 对干燥较敏感的榆树和大豆 种子保持束缚水的能力低于耐干性较强的油菜、芝麻 ( Meehania urtioif olia) 和花生种 子 , 较易失去等温线第一吸附区域的强吸附水 , 即在相同干燥条件下比较容易丢失关键性 的束缚水 , 从而引起大分子构象的变化。在水稻 ( O ryz a sativa) 种子中也发现 , 吸湿回 干处理可以提高种子的热力学 K′和 K值 , 增加种子对等温线上第一吸附区域水分的束缚 能力 ; 种子对束缚水的保持能力越大 , 其超干贮藏的效果越好 (程红焱 , 1994) 。 212 水分含量与劣变反应速率 低的含水量和贮藏温度是延长种子贮藏寿命的两个关键因素 , 低含水量和低温提高了 细胞质的粘滞度 , 促进玻璃化的形成。玻璃化物质的高度粘滞性导致了细胞内分子流动性 的降低 , 阻止了细胞质中分子的扩散 , 从而降低了劣变反应的速率 , 减少了老化过程中细 胞结构和化学组分的变化 (Buitink 等 , 1998a ,b ; Leopold 等 , 1994 ; Sun , 1997) 。玻璃 化不仅降低了劣变反应的速率 , 而且可以提高酶的稳定性 (Chang 等 , 1996) 。Buitink 等 (1998a ,b ) 用极性硝基氧探针 CP 标记豌豆 ( Pisum sativ um ) 胚轴细胞 , 利用电子顺磁 共振 (electron paramagnetic resonance , EPR) 和饱和转移电子顺磁共振 (saturation trans2 fer electron paramagnetic resonance , ST2EPR) 技术研究了不同贮藏条件下种子细胞内分子 的运动特征与种质老化速率的关系 , 表明分子流动性随着温度和含水量变化的趋势与老化 速率的变化是一致的 , 并存在线性对数关系。通过研究豌豆胚轴细胞中的分子流动性与细 胞含水量和温度的相关性 , 以及分子流动性与同样依赖于温度和含水量的耐贮藏性之间的 关系 , 发现随着分子流动性的降低 , 种子的耐贮藏性提高 ; 在不同温度条件下 , 当种子处 于最佳贮藏含水量时的分子流动性都是处于最低水平。基于最低分子流动性和最佳贮藏含 水量之间的关系 , 发现豌豆胚轴在 - 20 ℃条件下含水量为 0110 g H2O/ gDW 时分子流动性 最低。这一结果与 Vertucci 和 Roos (1993) 采用热力学方法对低温下种子最佳贮藏含水 量的预测结果一致。Buitink 等 (2000a) 利用 ST2EPR 技术测定了不同温度和含水量的凤 仙花 ( Im patiens balsamina) 种子细胞质中分子的流动性 , 发现种子老化速率和半生活力 时间 (half2viability times) 直接相关。Vertucci 等 (1994) 的研究也表明豌豆胚轴细胞中 分子流动性与温度和含水量有关 , 也同样与豌豆老化速率、活力和萌发力丧失相关 , 分子 流动性的最低值和种子的最大耐贮藏性发生在相近的含水量水平。有研究表明种子含水量 并不是愈低愈好 , 更低的含水量不能提高种子贮藏寿命 , 反而会损害种子的生活力 (Buitink 等 , 1998b ; Vertucci 等 , 1994) 。存留的水分子对保持生物大分子的结构是必需 的 , 水分子可以淬灭自由基 , 极度失水会增强自由基的活动 (Buitink 等 , 1998a) 。 3 超干种子中的自由基毒害和有毒物质的积累 种子的贮藏过程也就是生命的衰老过程。解释衰老的学说有衰老的免疫学说、衰老的 有害物质积累学说、大分子交联学说、衰老的基因学说以及衰老的自由基学说 (Priestley , 1996) , 而衰老的自由基学说是当前倍受重视的热点。自由基是游离存在并具有奇数电子 的分子、原子或离子 , 其化学性质活跃 , 在生物体内不断地产生 , 也不断地被清除。在正 云 南 植 物 研 究 41 27 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
1期 程红焱等：超干种子耐贮藏性的细胞学及生理生化基础 15 常的生理状态下，处于平衡状态的自由基的浓度是极低的，它们不仅不会损伤机体，而且 还具有其独特的生理作用。当环境物理因素、外原性化学物质间接透导产生的自由基得不 到及时清除时，或者内源性自由基的产生和清除失去平衡时，细胞内的过多的自由基有较 强的氧化作用，能引发膜上不饱和脂肪酸产生过氧化反应，引起蛋白质、DNA和RNA等 生物大分子的损伤(Moller,2001,Apel and Hirt,2004)。 极度脱水导致细胞膜外围的水膜连续界面被破坏，使膜上敏感位点的大分子暴露而易 受活性氧的伤害，加速了过氧化的连锁反应，最终导致细胞衰老和种子活力的下降。到目 前为止，引用最多的种子劣变的原因是脂质过氧化，脂质过氧化始于自由基的产生(M Donald 1999) 丙二醛(malondialdehyde,MDA)是脂质过氧化的最终产物，种子在贮藏过程中随着 劣变的发生而逐渐积累MDA(Priestley,1986;MeDonald,1999)。超干种子在贮藏过程 中的MDA含量和挥发性醛类物质的释放量都低于未超干处理的种子，表明超干种子在贮 藏过程中脂质过氧化作用降低，可以认为脂质过氧化作用降低是超干种子耐贮藏性提高的 生理原因之一（程红焱等，1991；胡家恕等，1999；朱诚等，1994；Walters,1998)。 朱诚等(20oo)的研究表明，超干花生种子【含水量(moisture content,MC)为 2.11%]在常温条件下能显著地延长种子的耐贮藏性，超干贮藏过程中MDA和挥发性醛 的产生量较低。不同含水量(MC为7.1%~1.2%)的洋葱种子分别贮藏在35℃、室温、 15℃和5C条件下1~3年，适度超干处理能延长种子的贮藏寿命：种子贮藏的最适含水 量随温度的改变而发生相应的变化，35C时最适MC为3.4%，室温时为3.4%~3.5% 150时为4.5%~5.1%，MC2.2%不利于延长种子寿命（朱诚，2001）。在室温自然条 件下贮藏1~3年，适度超干的(MC为3.4%)种子中MDA和HO2的含量、以及O2 的产生速率显著低于未超干处理的(MC为7.1%)种子和高度超干的(MC为1.2%种 子，而抗坏血酸过氧化物酶(asorbate peroxidase,AP)、过氧化氢酶(catalase,CAT) 和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)的活性显著地高于未超干处理的(MC 为7.1种子和高度超干的(MC为1.2%种子（朱诚，2001）。 4超干种子的内源抗氧剂 抗氧化系统分为酶促抗氧化系统和非酶促抗氧化系统。酶促抗氧化系统有SOD、 CAT、APX、谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)、脱氢抗坏血酸还原酶(dehy- droascorbate reductase,DHR)和半脱氢抗坏血酸还原酶(monodehydroascorbate reductase, MDHR)。酶促抗氧化系统中起主要作用的是SOD、CAT和APX,三者协同作用共同清 除活性氧的伤害(Moller.2001:Apel and Hirt.2004) Priestley等(1985)认为种子中的自由基在低水分下运动受阻、攻击力减弱。超干种 子内SOD、APX和CAT是种子自身抵抗活性氧、清除自由基的酶促系统(Leprince等 2000)。经过一定时间贮藏的白菜（程红焱等，1991）、油莱、黄瓜(Cucumis sa11vs) (Zeg等，1998)等超干种子吸胀萌发后仍能保持较高的抗氧化酶活性，与低温贮藏种了 并无明显的差异，而未超干种子的抗氧化酶活性则大部分丧失；说明种子在超干贮藏过程 中，抗氧化酶活性的保持比较高含水量的种子要好，为种子在随后的萌发过程中清除细胞 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.Lid.All rights reserved
常的生理状态下 , 处于平衡状态的自由基的浓度是极低的 , 它们不仅不会损伤机体 , 而且 还具有其独特的生理作用。当环境物理因素、外源性化学物质间接诱导产生的自由基得不 到及时清除时 , 或者内源性自由基的产生和清除失去平衡时 , 细胞内的过多的自由基有较 强的氧化作用 , 能引发膜上不饱和脂肪酸产生过氧化反应 , 引起蛋白质、DNA 和 RNA 等 生物大分子的损伤 (M«ller , 2001 ; Apel and Hirt , 2004) 。 极度脱水导致细胞膜外围的水膜连续界面被破坏 , 使膜上敏感位点的大分子暴露而易 受活性氧的伤害 , 加速了过氧化的连锁反应 , 最终导致细胞衰老和种子活力的下降。到目 前为止 , 引用最多的种子劣变的原因是脂质过氧化 , 脂质过氧化始于自由基的产生 (Mc2 Donald , 1999) 。 丙二醛 (malondialdehyde , MDA) 是脂质过氧化的最终产物 , 种子在贮藏过程中随着 劣变的发生而逐渐积累 MDA (Priestley , 1986 ; McDonald , 1999) 。超干种子在贮藏过程 中的 MDA 含量和挥发性醛类物质的释放量都低于未超干处理的种子 , 表明超干种子在贮 藏过程中脂质过氧化作用降低 , 可以认为脂质过氧化作用降低是超干种子耐贮藏性提高的 生理原因之一 (程红焱等 , 1991 ; 胡家恕等 , 1999 ; 朱诚等 , 1994 ; Walters , 1998) 。 朱诚等 (2000) 的研究表明 , 超干花生种子 [含水量 ( moisture content , MC) 为 2111 %] 在常温条件下能显著地延长种子的耐贮藏性 , 超干贮藏过程中 MDA 和挥发性醛 的产生量较低。不同含水量 (MC 为 711 %～112 %) 的洋葱种子分别贮藏在 35 ℃、室温、 15 ℃和 5 ℃条件下 1～3 年 , 适度超干处理能延长种子的贮藏寿命 ; 种子贮藏的最适含水 量随温度的改变而发生相应的变化 , 35 ℃时最适 MC 为 314 % , 室温时为 314 %～315 % , 15 ℃时为 415 %～511 % , MC ≤212 %不利于延长种子寿命 (朱诚 , 2001) 。在室温自然条 件下贮藏 1～3 年 , 适度超干的 (MC 为 314 %) 种子中 MDA 和 H2O2 的含量、以及1O2 - 的产生速率显著低于未超干处理的 (MC 为 711 %) 种子和高度超干的 (MC 为 112 %) 种 子 , 而抗坏血酸过氧化物酶 (ascorbate peroxidase , APX) 、过氧化氢酶 (catalase , CA T) 和超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase , SOD) 的活性显著地高于未超干处理的 (MC 为 711 %) 种子和高度超干的 (MC 为 112 %) 种子 (朱诚 , 2001) 。 4 超干种子的内源抗氧剂 抗氧化系统分为酶促抗氧化系统和非酶促抗氧化系统。酶促抗氧化系统有 SOD、 CA T、APX、谷胱甘肽还原酶 (glutathione reductase , GR) 、脱氢抗坏血酸还原酶 (dehy2 droascorbate reductase , DHR) 和半脱氢抗坏血酸还原酶 (monodehydroascorbate reductase , MDHR) 。酶促抗氧化系统中起主要作用的是 SOD、CA T 和 APX , 三者协同作用共同清 除活性氧的伤害 (M«ller , 2001 ; Apel and Hirt , 2004) 。 Priestley 等 (1985) 认为种子中的自由基在低水分下运动受阻、攻击力减弱。超干种 子内 SOD、APX 和 CA T 是种子自身抵抗活性氧、清除自由基的酶促系统 (Leprince 等 , 2000) 。经过一定时间贮藏的白菜 (程红焱等 , 1991) 、油菜、黄瓜 ( Cucumis sativ us) (Zeng 等 , 1998) 等超干种子吸胀萌发后仍能保持较高的抗氧化酶活性 , 与低温贮藏种子 并无明显的差异 , 而未超干种子的抗氧化酶活性则大部分丧失 ; 说明种子在超干贮藏过程 中 , 抗氧化酶活性的保持比较高含水量的种子要好 , 为种子在随后的萌发过程中清除细胞 1 期 程红焱等 : 超干种子耐贮藏性的细胞学及生理生化基础 51 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved