馬曉云 （青海省海東市平安區(qū)草原站 810600）

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牧草種子老化生理與修復研究進展

馬曉云 （青海省海東市平安區(qū)草原站 810600）

牧草種子作為人工草地建設、退化草地改良以及植被恢復等牧草生產和生態(tài)環(huán)境改良的重要物質基礎，牧草種子的質量狀況是關系到草地建植和牧草生產成敗的首要因素。通過對種子老化現象概述，分別從老化引起的各方面牧草種子生理變化進行了分析闡述。圍繞化學藥劑處理、滲透調節(jié)、超干處理、吸濕-回干處理等修復和提高牧草種子活力的研究進行比較分析。另外，根據牧草種子老化生理和修復研究的發(fā)展和現狀，提出未來牧草種子活力與老化生理機制的研究趨勢及發(fā)展方向。

種子生理成熟后出現不可逆轉的質量下降變化總稱為種子老化，具有不可逆、不可避免和群體間不同等特點[1]。種子老化常有如下外在表現：種子變色、生活力下降、發(fā)芽率下降、發(fā)芽遲緩，在萌發(fā)過程中對不良條件的適應性減弱，對不良貯藏條件的耐受力下降，幼苗生長弱且畸形率高等[2]。種子老化速率受環(huán)境因素和自身因素的影響，種子本身的含水量，貯藏環(huán)境的溫度、濕度及氧氣濃度等都是決定種子老化和劣變的主要因素。

1958年，Kalogereas 首次提出種子劣變的一個直接原因可能是脂質的過氧化。McDonald[3]在總結了最近15年種子劣變研究的結果后，認為種子劣變是由于種子內部氧化和由于氧化酶的催化作用產生的自由基攻擊脂類物質，造成脂類物質過氧化的結果，該模型解釋了種子在貯藏過程的老化生理以及吸脹過程的修復作用。種子中氧化產生的自由基主要有超氧離子(O2－)、過氧化氫(H2O2)和氫氧根(OH－)。這些自由基的形成，將對膜系統(tǒng)造成進一步的攻擊，并誘導產生更多的新自由基，使細胞器膜和核膜受損，最終導致破壞性結果[3]。

1 牧草種子老化生理研究

1.1 膜結構與功能的變化 膜系統(tǒng)在細胞的各種生理及生化作用上起著非常重要的作用。種子老化時，細胞膜生理機能衰退，對膜的修補能力越低，而且種子的滲透作用也隨之減弱。當種子發(fā)生老化膜結構發(fā)生變化之后，種子的活力降低，各種可溶性物質的滲透量會增加，相應地浸提液的電導性也增加，因為細胞膜系統(tǒng)的完整性對正常的生理生化反應起著重要的作用，有些酶只有附著在膜上才起作用，一旦與分離則作用大減或者失去作用[3]。

1.2 酶活性變化 酶是具有生物活性的特殊蛋白質。種子老化發(fā)生時，許多酶的活性發(fā)生變化。一般認為，參與細胞正常生理代謝的酶類的活性越高，則種子活力越高；但參與種子老化的酶類活性高，則種子活力變低[3]。在代謝作用中起主要作用而受老化影響最深的酶是脫氫酶，脫氫酶活性的下降幾乎與種子的生命力的下降平行。目前，關于種子老化與酶活性關系的研究主要集中于脫氫酶、酸性磷酸酯酶、自由基清除酶如超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)等，此外還有一部分研究關注參與合成和能量代謝的酶。由此可知，隨著老化程度加深，物質能量代謝受到影響，種子活力下降。

1.3 貯藏物質的變化 可溶性糖是細胞呼吸的重要底物，隨著種子貯藏時間的延長，可溶性糖不斷被分解，其總含量即隨貯藏時間的增加而下降，毛培勝等[4]在對無芒雀麥種子發(fā)育過程中的生理生化變化的研究中也證實了這一點。但也有研究表明，在種子老化過程中其可溶性糖含量隨老化時間增加先升高后下降。種子中的貯藏蛋白是種子萌發(fā)和幼苗生長的氮素來源，對于種子正常代謝起著重要的作用，并且與種子活力密切相關。一般研究認為，種子活力低時，貯藏蛋白合成量低。

1.4 細胞器膜系統(tǒng)完整性的變化 老化的種子在細胞學上首先表現為細胞膜系統(tǒng)的損傷。當種子發(fā)生老化時，膜的完整性受到破壞，透性增加?？琢铉鱗5]用透射電鏡對燕麥種子進行細胞膜系統(tǒng)超微結構觀察，發(fā)現膜結構的變化是一個漸變的過程，經老化處理的種子膜系統(tǒng)受損，質膜透性增加，該過程中線粒體最為敏感，老化程度加劇，會引起其他細胞器的普遍解體。李玉榮、王玉紅[6]對不同種類牧草種子進行老化生理變化的研究結果顯示，隨老化程度加深，種子浸出液電導率呈上升趨勢。

1.5 染色體和DNA的變化 隨著種子的老化程度的加劇，種子的活力降低，發(fā)芽過程中對DNA、RNA和蛋白質前體的吸收和合成大分子的能力下降。種子經過長期儲藏而至老化、劣變，染色體畸變及基因突變的頻率增加。一般含水量越高或者溫度越當種子含水量及貯藏溫度高時，種子的壽命必然縮高，種子的老化更加容易發(fā)生，在單位時間內染色體的損害程度越大[3]。

1.6 呼吸代謝的變化 當種子老化、劣變時，其呼吸代謝發(fā)生失調，此現象遠出現在發(fā)芽速度減緩之前。由于種子的老化，線粒體損傷及效能的衰退，使三羧酸循環(huán)及細胞色素氧化酶的代謝途徑不能暢通而引起代謝途徑的變化，ATP的合成能力下降。當種子老化、劣變時，伴隨產生不同的揮發(fā)性化合物，包括膜的脂肪過氧化作用產生的乙醇、乙醛、戊烷、戊醛及呼吸代謝所產生的乙醇和乙醛。當老化的種子放出大量的揮發(fā)性物質特別是醛類，往往能進一步導致微生物感染而引起損傷[2]。

1.7 合成能力的變化 種子萌發(fā)時利用貯藏物質合成新的大分子化合物，當種子發(fā)生老化時，合成生命大分子的能力下降。Halmer和 Bewley研究發(fā)現，在種子老化初期，受損的染色體可以在DNA修復酶的作用下被修復，但隨著老化進一步加重，DNA聚合酶和DNA連接酶活性下降，DNA則無法被完整修復。DNA的損傷會進一步影響RNA和蛋白質的合成。

1.8 內源激素及有毒物質的變化 種子老化時，內源激素常發(fā)生量的變化，而老化后細胞及生理系統(tǒng)也會喪失對激素的反應能力。種子在貯藏過程中生活力和活力逐漸下降的同時，也伴隨著植物體內激素的變化，在5種內源激素中，乙烯與種子劣變的關系最為密切。付華等[7]以紫花苜蓿、光葉紫花苕、老芒麥和蘇丹草種子為材料，探討了不同老化處理對種子萌發(fā)過程中乙烯釋放量的影響及乙烯釋放量和發(fā)芽率的關系，結果表明，35℃高溫、10%含水量條件下，不同貯藏時間的老化處理對4 種牧草種子已烯釋放量有顯著影響。所有供試種隨種子劣變，乙烯釋放量下降，且釋放高峰推遲，老化導致種子中有毒物質逐漸積累，影響正常生理活動的進行，甚至導致細胞、種子死亡。

2 修復種子老化和提高種子活力的方法

2.1 化學藥劑處理 王廣東等[8]研究表明，研究發(fā)現硫脲能保護種子膜結構的完整性，減少膜脂質過氧化作用，因此能減輕膜損傷.修復和更替劣變種子的受損的膜從而提高種子的生活力，說明藥劑處理方法對細胞膜系統(tǒng)具有一定的保護作用。唐祖軍等[9]用維生素 C處理大白菜種子達到了提高種子活力的效果。就數量而言，關于牧草種子此方面的報道較少。Eisvand[10]報道稱，激素引發(fā)可以提高老化高羊茅種子在干旱條件下的生理品質。申玉華等[11]的研究結果表明，維生素C浸種可以提高紫花苜蓿種子在不同鹽分梯度處理下的萌發(fā)，增強苜蓿種子抗鹽能力。此外，硒也常用來提高種子抗氧化能力。Helin[12]的試驗表明，施用低濃度硒處理黑麥草可提高其谷胱甘肽過氧化物酶活性。

2.2 滲透調節(jié) 種子在快速吸水時細胞會迅速膨脹，這會在一定程度上造成細胞膜的破壞，種子滲透調節(jié)處理是目前種子生理學的一個研究熱點。滲調處理促發(fā)種子的原因有：一是促使種子提前萌動，完成種子發(fā)芽前相應的生理生化準備；二是種子在滲調處理過程中有機會修復損傷；三是上述2種作用同時進行處理[13]。大量研究表明，PEG滲調處理可改善種子的萌發(fā)狀況和種子活力，種子中 SOD、POD活性增加，脯氨酸含量增加，抗逆性增強，丙二醛含量明顯低于對照[14]。經PEG滲透調節(jié)后，結縷草種子萌發(fā)過程中的代謝過程有一定變化，酸性磷酸酶和過氧化物酶的活性、ATP的含量均高于對照。劉杰等[15]在羊草萌發(fā)期間用 PEG處理，種子中O2－濃度下降，SOD、POD等酶活性升高，MDA積累下降，說明經 PEG引發(fā)的羊草種子活力升高與其中活性氧的代謝存在一定關系。

2.3 超干處理 種子安全貯藏期間生活力和活力保持的關鍵因素是含水量和貯藏溫度，含水量和溫度在某種程度上可以互補，即通過降低種子含水量可以在提高環(huán)境溫度的情況下貯藏種子。種子的超干貯藏應運而生。所謂超干貯藏就是將種子含水量降到通常的安全含水量(5%)以下，在常溫下進行貯藏。大量研究表明，經超干處理后的種子脫氫酶活性明顯高于同等老化條件下的對照種子，丙二醛含量低于對照種子，電導率測定結果亦優(yōu)于對照種子。華北駝絨藜種子在超干燥(含水量4.2%~4.5%)室外溫度條件下貯藏，與低溫貯藏效果基本相同，能顯著延長種子壽命?；羝交鄣萚16]的研究結果顯示，5.72% 種子含水量的超干處理可使苜蓿種子活力保持在較高狀態(tài)，有利于苜蓿種子的長期保存。

2.4 吸濕-回干處理 吸濕-回干處理即當種子吸收一定的水分后再令其脫水干燥到原始含水量的過程。除用水浸種外，蘋果酸、碘化鉀、硫代硫酸鈉等藥劑亦可使用。吸濕-回干處理的一些研究表明，該處理方法可控制種子的生理劣變，提高大分子物質的合成能力，提高種子保護酶活性，有利于維護質膜完整性，提高老化種子的活力[17]。王麗娟等[18]的研究表明，老芒麥和披堿草種子經吸濕-回干后抗高溫能力提高，說明吸濕-回干處理能夠在一定程度上提高種子的抗性。

2.5 其他方法 夏華麗研究了磁場處理番茄種子及育苗用營養(yǎng)土對種子活力、苗期長勢的影響。結果表明，濕種子經磁場處理后，種子活力明顯提高[19]。作物種子經紅外線處理后，可改變種子的通透性，加速內部的生化變化，提高發(fā)芽率，刺激幼苗生長和增加產量。

3 小結

種子自成熟后生活力下降產生不可逆變化，這些不可逆的變化的綜合效應稱為劣變或老化現象，劣變的結果導致了種子生活力下降 亦即發(fā)芽率、幼苗生長勢及植株生產性能的下降。目前對于種子老化方面的研究向深層發(fā)展，從種子的發(fā)芽率、到種子老化生理生化變化再到老化對物種遺傳完整性的影響，但是在牧草種子如何提高適應性方面的研究較少，在解決牧草其他問題的同時也應該去著手研究牧草種子的適應性。當前牧草的價值逐漸被重視，牧草種子活力的保持和提高成為關注的重點。目前關于貯藏蛋白的研究主要集中在作物、蔬菜種子，對于牧草種子內貯藏蛋白的變化研究較少，在未來可增加對牧草種子老化過程中貯藏蛋白變化的研究。對于老化種子酶活性的研究多著眼于酶活性變化的本身，至于酶的活性是如何因種子老化而發(fā)生變化，目前還不得而知，亦存在著許多解釋。加強牧草種子老化的研究，為牧草種子活力控制提供理論基礎，不僅可以在種質資源保存和利用方面發(fā)揮重要作用，更能為整個行業(yè)發(fā)展帶來長遠的有利影響。

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（2019–02–22）

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