种子新技术及研究进展

专题六种子新技术及研究进展一、种子引发机理及其研究进展二、种子超干贮藏的原理和技术三、种子超低温贮藏的原理和技术四、植物人工种子研究进展一、种子引发机理及研究进展（一）种子引发的概念种子引发就是在播种前根据种子性质和吸水速率,通过控制种子缓慢吸水,使其停留在吸胀阶段,让种子进行预发芽的生理生化代谢和修复作用，促进细胞膜、细胞器、DNA的修复和酶的活化,使之处于发芽的准备状态,但防止胚根的伸出。种子引发是一项有效的种子处理技术,经引发的种子活力增强、抗逆性强、耐低温、发芽快、出苗齐、成苗率高。（二）种子引发的方法目前常用的种子引发方法有渗透调节引发、滚筒引发、固体基质引发和生物引发。1.渗透调节“渗透调节”简称“渗调”，就是用具有一定浓度的溶液对种子进行处理。这种方法是通过同时控制种子的吸水速度和吸水量达到引发目的。溶质可以降低溶液的水势，使种子内外的水势差减小，种子吸水速度减慢；随着吸水，种子内部的水势逐渐升高，当内外水势相等时种子停止吸水，并维持这一状态。(1)渗调引发的方法将种子放在-0.3mol/LPa(渗透压毫帕)～-1.1mol/LPa溶液中，在10℃～30℃条件下处理36h～7d，然后用蒸馏水漂洗后，经室温干燥，再进行播种或直接播种。也可采用滤纸床控制吸水或湿-干交替吸胀的方法。(2)种子引发液的种类有机大分子,如聚乙二醇(PEG)、交联型丙烯酸钠(SPP)、聚乙烯醇(PVA)等。此类物质是一种高分子的渗调剂,其优点是既可以控制种子萌发时水分的进入,本身又不渗入活细胞,对种子无毒害作用。其中PEG的研究最广泛,已成功的在蔬菜作物、花卉、豆类、牧草等作物上应用。PEG的分子量不同引发效果也不同,常用的分子量有4000、6000、10000、20000。SPP是一种高度亲水树脂,吸水量强达500倍,保水力强,且可均匀缓慢地释放水分。其在提高豌豆、番茄、菠菜、甜椒等种子的活力方面,表现出很好的效果。PVA在引发菜豆、大豆、苦瓜、线椒等种子上也有很好的效果,能明显地提高种子活力、萌发率和抗冷能力,具有与PEG同等的效果,且价格低廉、用量少,有很大的应用价值。无机盐小分子,如硝酸钾、氯化钠、磷酸二氢钾、氯化钾、磷酸钾、氯化钙等。盐溶液引发对某些作物种子的引发效果更加明显,如硝酸钾、磷酸钾等已广泛用于小粒的蔬菜和园艺种子,特别在促进伞形花科蔬菜种子(如芹菜、胡萝卜等)的发芽效果最显著。无机盐小分子在水溶液中可以解离为相应的离子,在引发的过程中,可以渗透进入细胞,改善细胞微环境,降低细胞水势,控制种子的吸水速度。位于英国Wellsbourne的园艺研究国际组织根据引发的基本原理发明的一种具有成套装置的引发方法。这种引发种子的方法是将种子放在一个铝质的滚筒内，滚筒一侧为可拆装的有机玻璃圆盘,滚筒以水平轴转动，滚筒内种子在滚筒周线上以1～2cm/s的速度转动，同时把水按照可控的比例释放入腔室,种子仅在接触腔室内壁的过程中充分吸收水分，通过控制一定时间的吸水,可使种子达到萌芽的含水量水平时停止水合，防止种子提前萌芽。2.滚筒引发对于每一个种子批,可以通过一个简单的校准测定来确定吸水程度。滚筒引发一般包括4个不同的阶段:校准：这一过程确定引发时种子吸湿的合适水平,以确定将多少水加入到种子中;吸湿：在一定时间内（1d或2d）,加水至校准的水平使种子吸湿;培养：这一过程约1～2周,种子保持吸湿过程达到的水分，增加引发的效果;干燥：去除种子增加的水分,以便种子回复或接近引发前的含水量（15℃，RH40%）。全过程采用计算机自动控制。3.基质引发即利用固体载体为基质进行引发。此方法是将要处理的种子、预先定量的固体基质材料及定量的水混合,且使溶液达到稳定,然后将混合液放置在能使空气进入,还要能减少蒸发损耗的容器内(例如上部有小开口的密闭容器),在一定温度下处理种子一段时间,使种子从基质中充分吸水但防止胚根的伸出，达到水分含量均衡，最终使植株活力增强。任何种子都可以通过这种方法处理,包括大量的蔬菜、林木及农作物种子。如黄瓜、生菜、胡萝卜、洋葱、甜瓜、甜玉米、番茄、茄子、辣椒、豆类、萝卜、南瓜、豌豆、花种、紫花苜蓿及大豆等。作为基质的固体载体必须具有下列性质:对作物种子无毒害作用;具有较大的表面积,较高的持水能力，在不同含水量下保持松散性；本身的化学性质为惰性,具有较大的体积和较小的密度,多变的颗粒大小和结构,且对种子有较小的粘附性,引发结束后不在种皮上残留。目前应用的载体主要有蛭石、钙质粘土、软烟煤、聚丙酸钠凝胶以及合成硅酸钙凝胶等。基质引发中所使用的液体成分为水、PEG和一些小分子无机盐溶液。固体基质引发也是通过同时控制种子的吸水速度和吸水量而完成的。因为在基质引发中，基质颗粒和颗粒之间、颗粒和气体分子之间以及颗粒和水分子之间，存在不同程度的吸附作用、表面张力、引力和附着力，可以降低水分子的自由能，从而降低引发混合物的水势。因此，在引发混合物中即使含有较多的水分也能使混合物的水势保持在一个较低的状态，从而对在引发过程中由于种子对水分的吸收和细胞的渗漏引起的引发混合物水势的改变有一定的缓冲作用。在基质引发中，所使用的种子与引发混合物的比例通常在1：1.5～3左右。4.生物引发主要采用无害微生物作为包衣，包裹在种子表面。利用微生物之间的拮抗作用，来抑制病原微生物的危害。同时这些有益微生物可以提供给种子有效的营养和水分，促进萌发，提高幼苗的抗性。已经成功的范例是采用含有荧光假单细菌的1.5%甲基纤维素溶液包裹种子，包裹后短暂回缩水分2h，23℃下吸水20min即可播种，引发的种子几乎无病害和猝倒表现。5.膜引发技术将种子与一种半透性膜(该膜具有内、外两个表面)的外表面接触,PEG溶液直接与膜的内表面接触,种子通过半透性膜从PEG溶液中吸取水分。在吸取水分的过程中,种子和半透性膜不断或周期性地相互滚动,使水分均匀转移,并充分覆盖种子的整个表面,从而完成种子的引发过程。这种处理方法既可对大量的种子引发,也可对少量的种子(如名贵的花卉种子)进行引发,且优于基质引发,引发后不需要进行种子分离。其最大优点是适用于表面有粘液的种子的引发,如紫罗兰和鼠尾草的种子。6.起泡柱引发技术7.搅拌型生物反应器引发8.水引发技术是将种子先在水中预浸，然后将种子放在相对湿度100%的密闭容器内培养。Fujikura等用水引发花椰菜种子，效果比PEG引发要好，尤其是在低温（10℃）条件下，发芽效果更好。9.砂引发技术胡晋等发明了一种提高种子活力的固体引发方法。操作步骤如下：1)计量待处理的种子重量；2)准备直径在0.5mm～2.0mm的干净沙子；3)将沙子的含水量调至1%～9%；4)种子与含水量1%～9％沙子按1∶20～50的比例混合，置于密闭的容器内，在15～25℃条件下2d～5d，室温回干24h～48h。该发明采用干净的沙子作为固体引发的基质，具有简单、低成本、易于操作、应用范围广的特点。(二)种子引发的效果促进萌发、提高出苗一致性引发可以显著提高种子的田间出苗速度、出苗整齐度,这已被大量试验所证实。提高在逆境下的出苗种子引发后可增强种子对逆境的抵抗力及耐受力,经引发处理后的大豆种子在低温下仍保持较高的发芽率和活力指数,且畸形苗比例低。打破种子热休眠,克服远红光的抑制作用芹菜、莴苣种子在高温下萌发时容易进入热休眠状态,通常温度在25℃～30℃时发芽就受到抑制,当温度高于35℃时很少有种子发芽。用PEG引发、无机盐小分子引发都能使芹菜、莴苣种子的发芽率、发芽指数以及发芽势显著提高,即打破热休眠。提高未成熟种子和老化种子的活力未成熟种子由于胚部尚未发育成熟,发芽率很低,通过引发,种子可以进一步实现生理成熟,从而提高发芽率。老化种子由于质膜结构受到严重破坏,细胞质物质外渗,使种子活力下降。种子在引发过程中可以进行生化作用及修补老化结构,从而提高种子活力。(三)种子引发的机理种子引发的机制就是种子在具有一定渗透压的溶液中,由于完成了一些有利于其后萌发及生长的物质代谢过程而使其萌发能力及抗逆能力有了明显的提高。一方面由于膜系统在引发期间得到完善和修复,提高了种苗活力水平,从而为壮苗和丰产奠定了基础;另一方面在引发过程中,由于水势的限制,种子在形态建成上仍停滞在萌发过程的第二阶段,只要水势和其它环境条件合适,大部分种胚随即迅速突破种皮而萌发,因而必然得到出苗整齐一致的效果。1.改变种子的渗透势引发期间种子的部分吸水促进了一些物质的合成,种子重新干燥时保存了这些物质,当种子再次吸胀时细胞就会立即有一个较低的渗透势,使吸水迅速并很快达到萌发所需的膨压,缩短了吸胀到出根的时间,从而加速种子的萌发,所以种子萌发的整齐度也得到了提高。另外,从这个角度看,萌发前必要的溶质积累对于幼苗在以后的迅速生长,特别是在逆境条件下的健康生长都非常有利。2.有效活化与去阻抑作用有效活化就是指种子在引发过程中启动了萌发所需的某些代谢过程,这个过程在重新干燥时固定下来,从而在种子萌发过程中减少了启动这些代谢所需的时间。除了启动代谢活动外,引发也可能是由于滤去了种子萌发抑制物的缘故。Pill等和Furuanni分别发现,去除芹菜和胡萝卜种子的浸出液可加速种子的萌发,说明浸出液中可能存在萌发抑制物。在Canola种子中就明显含有渗调时被去掉的抑制物,这种抑制物在23℃时对抑制种子萌发更有效,原因可能是这种抑制物在较高温度下容易被分解。Yamada证实,在富氧条件下大麦种子萌发时被降解的一种天然萌发抑制物是ABA，ABA与种子的发芽和休眠有关，未引发的种子含有相对较高的ABA水平，引发后的种子游离ABA或结合态ABA含量均为零。3.诱导细胞膜的修复种子活力下降是由于膜系统受到损伤,物质外渗量增加而引起的,引发可诱导种子细胞膜的修复,延缓引起膜破坏和电解质外渗的老化过程,进而提高幼苗活力。但是这种处理缓解自然老化效果在贮藏两年的种子上效果最好,以后便下降。也就是说,存在一种修复膜损伤的临界状态,在这种状态下,修复作用效果最好,超过这一状态,修复作用就减弱,直到在无活力种子中完全丧失。4.诱导与抗性有关物质的合成引发使物质的合成与积累为种子以后的生长奠定基础,使幼苗在生长过程中更健壮,对不利环境的抵抗性增强。有试验证明,西红柿和芦笋在含盐量高的环境中引发有利于其抗盐性的提高。似乎可以这样解释:在相应的逆境条件下引发,有利于与该种逆境有关的物质的合成及代谢的启动,从而提高了种子抵抗该逆境的能力,但是,在正常条件下引发的种子其抗逆性也有明显的提高。种子引发的机制(四)种子引发过程中的生理生化变化1.核酸及核酸酶的变化根据3H尿嘧啶核苷进入RNA的时间进程，判断RNA的合成。Khan用25%PEG6000引发莴苣种子两周后发现,发芽速率与RNA合成速率有平行的关系。引发后种子在约6h开始发芽,而此时RNA合成达到高峰,未处理的种子的RNA合成模式与引发种子相似,但总的合成活动明显低于引发种子。Khan还指出,在处理的种子中多聚核糖体生成速率增加。陈光仪等也发现,PEG处理中等活力的花生种子8h,萌发3d分离出线粒体,处理的酸性磷酸酯酶及DNA酶活性明显低于对照。Laemmli也认为引发处理既可提高RNA合成速率,又可促进种子萌发,所以这两个过程有相关性。2.蛋白质的变化根据14C-亮氨酸结合进三氯乙酸沉淀部分，判断蛋白质的合成。在15℃用25%PEG6000引发莴苣种子两周,蛋白质合成速率和合成量均增加。梁峥等发现,PEG引发和未引发的大豆,子叶有20条可溶性蛋白带和18条线粒体蛋白带,二者的蛋白带数目虽无差异,但引发的蛋白质含量比对照高,引发的蛋白质合成量增加。Khan的研究表明,引发过程中种子蛋白质的增加是由于合成mRNA的能力增加,或是存在于核糖体上的功能基活性增强。3.呼吸代谢及相关酶变化梁峥等研究发现,PEG渗调能提高大豆种子子叶异柠檬酸裂解酶、苹果酸脱氢酶、过氧化氢酶的活性,其提高的活性完全能满足乙