種子的活力隨著貯藏時間增加的變化情況
長期貯藏實驗
證明低含水量和低溫有利于生活力保持的文章一直很多,不能全都列舉,這里只能對那些含有大量資料的文章或很少研究報道的種類,以及長期實驗的結果進行重點的討論。由于正在制定長期貯藏種子、特別是基因保存樣品的貯藏方案,長期貯藏種子的實驗很有參考價值。RinCker報道了一個長期貯藏鄉蒸結果,在實驗幣產于3個地區的7種飼料作物共291個種子批,原始低含水量為4~8%,在-5~—15℃溫度,60~90%相對濕度環境下貯藏21年,其中大部分時間是在—15℃,60%相對濕度的條件。
這7種作物:百脈根、白車軸草、紫首蓓、梯牧草、鴨茅、紅車軸草、無芒雀麥的原始平均生活力百分率分別為86、96、86、77、81、74、99。經過上面條件下的貯藏,這7種作物的所有種子批的絕大多數仍保存有50%以上的生活力,而且許多種子批生活力在70%以上。其中前3種生活力保存最好,第四、五種居中,最后兩種較差。因此可以看出,除了無芒雀麥以外,壽命潛力與種子原始生活力有很大關系。對照方程式(1)知道,在一個給定的條件下,種子壽命是與種類和每個種子批的原始生活力百分率密切相關的。如果方程式(1)適用于上面的實驗,那么實驗里種類間壽命的明顯不同,則可能主要是由于每個種的種子原始質量不同造成的,只有無芒雀麥除外,它盡管有較高的原始生活力,但比其它種類傾向于喪失更多的生活力。上述實驗中,每個種子批的詳細情況沒有報道,但Rinoker也提出了種子批質量,比產地對生活力保存更為重要。當然,產地氣候可以影響種子原始質量,但可能在這個實驗中,氣候差異還沒有達到對種子原始質量產生明顯影響的程度。
報道了對黑麥、小麥、燕麥分別在一18℃和1~4℃條件下貯藏5年的實結果。這期間,含水量9.5%或驗11.5%的黑麥,含水量10.5%的小麥,含水量在10.。%的燕麥的生活力都沒有明顯的降低。一般認為甘蔗種子是短命置的,但現在發現J己它放莊—10℃于硅膠中,可以至少貯藏2年,生活力也沒有明顯降低。
報道了在美國達科他北部地區,沒有溫度、濕度控制條件下,對紫首著和野首著的228個種子批,貯藏68年的實驗結果.其中紫首楷的種子批,經過62年貯藏后顯示29%的生活力,但“年后則只有0.3%。野首著種子的生活力保存情況比上一種稍好,并提出這可能是這種種子硬實率較高的緣故。
在美國猶他洲調查了32種當地灌木或闊葉草種類在露天倉庫條件下貯藏15年后生活力變化情況:沒有含水量記錄,但季節平均溫度在-3~20℃之間。在這樣條件下,有14種的種子生活力沒有受到明顯影響,有9種的種子在10年內喪失了全部生活力。
Sanada等(1951)報道了蘋果種子在5~—7℃條件下貯藏結果,其中9.1%含水量的種子在5℃貯藏7年后,保存著95%的生活力,而含水量5%的種子貯藏效果比9.1%含水量的種子更好。Earker和Johnstone(1980)報道了101個土豆品種貯藏20年的長期貯藏實驗結果。前14年種子貯藏在一個環繞的房間條件下,以后又貯存在10℃和較低一些的淚對濕度條件下。大多數種子起碼可以在10年內生活力保存完好,但10年后就會有一些生活力的喪失,一些品種的發芽變慢,20年后一些品種就只有很低的生活力了。Howard(1980)曾報道土豆的一些樣品和Solanumvernei的一個樣品在6℃密封玻璃管內貯藏25年生活力仍保存的很好。含水量雖沒有被記錄,但也說明前面實驗中保存不太好的樣品,有可能是比另外一些樣品更潮濕一些的緣故。
Norden報道在6%含水量2~5℃條件下,去皮的花生至少可以貯藏10年,而更高溫度的實驗處理表明,采取更低的含水量比如2%會更好些。大豆非被認為是難于貯藏的,這部分原因是難于獲得高質量的種子,根據大豆種子在8~14%含水量、-1~27℃條件下,貯藏3年實驗結果,已經證明在較低的溫度和含水量條件下,可以長期貯藏大豆種子。
生活力喪失前的劣變癥狀生活力喪失是種子劣變的最終結果,在種子死亡前,有許多劣變的癥狀,但通常不能對單一種子的劣變過程進行追蹤研究,因為大多數實驗會破壞種子,因此種子個體發育上的變化只能參考從種子批中篩選出來的順次樣品。種子在分子水平發生的一變化,影響酶活性和核酸、細胞膜的完整性,然后又導致種子和種苗發生變化,例如:細胞內溶質滲出,發芽所需時間增一長,種苗生長速度下降和形態不正常幼苗產生。這種變化與種子萌發的不良條件相互作用,結果造成:苗床的逆境越大(象特別高溫,低水勢,由病原菌等引起的厭氧微生物環境),低質量種子萌發或出土的可能性就越小。但如果種子能存活下來,那么許多損傷可通過亞細胞水平轉換系統得到修復或排除,不過一些DNA變化可能不會逆轉,既使不立刻表現出來(隱性突變),也可能通過表現型不受影響的子代傳給第三代,再通過基因分離而表現出來。
細胞質劣變
在上一篇綜述中已指出,伴隨種子劣變的分子水平變化有種種情況,但很難斷定哪一種變化是引起種子老化,如萌發速度的減慢,形態變異苗的產生及喪失生活力的直接原因。最近幾年又有大量的研究報道文章,但問題仍不清楚。一些文章補充了一些關于蛋白質結構和酶活性變化的資料,例如,球蛋白的減少和白蛋白的增加,BAPAses的復雜變化,各種水解酶的活力降低,唬泊酸半醛脫氫酶活性的降低,細胞器中DNA聚合酶活力降低,核糖體PNA完整性喪失,呼吸代謝上的變化即參與搪酵解活動的三鞍酸活性喪失。與上面報道相矛盾的是,報老化的大豆種子中p—淀粉酶活性增加。發現小麥胚中蛋白質的合成活動不是均勻下降,而是在第一基節和盾片處持續長一些。
酶活性的改變有時是由于酶本身的變性,有時是由于酶的合成能力的降低。對于后者來說,有些酶合成能力的降低,可能發生于轉錄水平上,但也有各方面的證據說明翻譯也能影響酶的合成能力。除了酶活性變化外,種子劣變的一個普遍現象是細胞膜完整性的喪失。通過用—300v的靜電荷處理玉米種子,增加了生活力,提高了活力,并減少了亞細胞劣變,利用真空數種置床儀播種五百粒種子,然后置種500粒未處理的種子,對比分析,處理過的種子產量增高。用各種據認為能防止自由基損傷的化學藥品處理小麥種子,使其生活力和活力均有少量的提高。一些作者相信這種膜損傷是由于自由基形成以后的脂質過氧化作用。但證據是矛盾的,而且最近不支持這一假說的證據正在增加。過去曾推測能防止細胞膜過氧化作用的天然抗氧化物質會隨時間延長而減少,但對小麥和大豆維生素E水平的實驗,發現并非如此。甚至在大豆種子老化過程中根本就沒有發現類氧脂化作用。不過既使膜損傷原因不是類脂氧化作用,膜劣變也是種子劣變重要部分,且證據仍不斷增加。提出大豆種子劣變的基本原因是細胞膜不能通過回水修復損傷。在花生種子老化過程中,沒有發現過氧化氫化物,在溶質滲出增加和萌發減少以前在具有極性的類脂亞基中,脂肪酸結構并沒有改變,而是脂肪酸含量下降。他們提出:生活力喪失的原因是由于膜脂完整性喪失后造成的亞細胞分室控制作用的喪失。證明在碗豆種子老化程中,細胞膜滲漏的增加與磷脂,主要是磷脂酞膽堿的減少是一致的。他們還證明脂質氧化,如果發生的話,也是在膜劣變的相對晚期.另外,認為膜蛋白中的蛋白質成份的氧化聚合可能與膜劣變有關。
細胞核劣變
存活種子生活力百分率與其細胞染色體損傷的累積量具有密切關系。嚴重的染色體變異在幼苗生長過程中會通過復制選擇得到修復,但許多點突變會遺傳給子代。雖然曾否認染色體變異與種子生活力百分率的關系,但通過對小麥的細致研究,又進一步證實了這一關系.在豌豆種子也第一次發現了與生活力喪失有關的多基因控制的遺傳表現性狀改變。觀察到黑麥種子胚劣變過程中發生染色體斷裂和DNA酶活化情況,提出這種DNA完整性的喪失可能就是在種子萌發時看到的染色體變異和轉錄減少的一種根源,雖然一些損傷可能會在萌發早期得到修復。也有證據說明貯藏中發生的一些染色體變異,若在萌發時沒有發生氧化就不會表現出來。一些特殊的染色體可能比其它染色體更容易受到損害(Pieeh和SuPryn,1979)。除了DNA本身變化外,也有另外核物質改變的證據。在硬粒小麥較陳舊的種子里。觀察到了組蛋白和DN人比例的增加.Banerjee等(1951)報道在水稻老化種子里,不僅核中DAN和蛋白質含量下降,而且P32的滲入也減少.Murata等(1980)證明老化種子中存在延遲有絲分裂的情況,雖然這并不一定說明染色體本身的變化。
長期貯藏后種子質量的指標之一:產量
每個種子的活力喪失先于生活力的喪失,因此在生活力喪失被觀察到以前,常常存在各種程度的生活力下降,其特征之一就是當貯藏種子的活力下降時,存活種子萌發所需時間的拉長。如果活力喪失很嚴重,就會影響作物產量。對作物產量的研究使人們堅信在長期貯藏中,不僅種子生活力而且種子批質量均可以得到保存。4種飼料作物:鴨茅、無芒雀麥、梯牧草、牛尾草的種子在—15℃貯藏12~15年以后與新鮮種子的產量比較情況,前3種和新鮮種子的產量一樣,只有牛尾草除外,而這一種在貯藏前就只有79%的較低生活力。另一項對4種豆科飼料作物:紫首蓓、紅車軸草、雜種車軸草、百脈根的種子產量研究表明,在和前一實驗相同條件下,經過14~18年貯藏,其產量和新鮮種子相比沒有差別。這項試驗的一個重要部分,是關于紅車軸草種子的貯藏比較:一份樣品一直在—15℃貯藏,另一份樣品16年中每隔一周從一15℃條件下轉移到室溫下解凍24小時。這種從—15℃到室溫的轉換一共不下600次,但對種子生活力或產量都沒有產生明顯影響,這證實了溫度的短時間改變不會對種子劣變造成影響的觀點。
對在較低合水量下4.1~6.4%,—25℃室溫下貯藏9~11年的離芭種子進行研究,發現生活力只有很少的損失,最終百分率都在73~95%之間。在這樣情況下,雖然老的種子產生較多的不正常苗,但其產量與從新鮮種子收獲的產量比較沒有明顯差別。
結論
種子干燥是一個復雜的問題,但隨著人們對環境因素的更好理解,可能會找到更合理的方法。在種子劣變過程中,有許多亞細胞水平變化,但很難確定那一種變化更重要,哪一種變化是劣變的根源,哪一種是劣變的后果。核變化具有長期的影響,因為它們可以影響子代,但通過合適的貯藏技術可以減少它們的發生率。由于基因突變會引起細胞質劣變,造成基因改變的原因必須研究。