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近年来随着生物多样性流失的加剧,种质的长期有效保存越来越重要。种子是植物种质资源保存的主体。按照贮藏习性可将之分为正常型、中间型和顽拗型三种类型。其中正常型种子的长期保存很容易实现。而中间型和顽拗型种子,尤其是后者,由于它们对脱水和低温敏感,目前还没有建立有效的长期保存方法。因此顽拗型种子保存成为种质资源保存研究中的一个热点和难点问题。
本实验针对这一热点问题,选择栎属种子作为主要研究对象,对其进行脱水处理,通过生理生化指标分析,为探讨种子顽拗性产生的原因提供理论依据;并首次尝试通过梯度降温处理调节其低温敏感性,开辟顽拗型种子贮藏的新思路,为其长期保存奠定基础。
在判定了栓皮栎和麻栎种子属于低度顽拗型种子的基础上,围绕其脱水敏感性,通过对离体胚轴进行脱水处理,分别从电解质渗漏率、热稳定蛋白(HSP)、脱水蛋白、过氧化伤害和抗氧化保护方面开展了对脱水敏感性机理的探讨,主要得到以下结果:
快速脱水可降低栓皮栎离体胚轴的脱水敏感性。通过电解质渗漏率测定发现,快速脱水有助于保持细胞膜的完整性,显著降低脱水过程中的电解质渗漏;
栓皮栎离体胚轴中存在具有脱水保护功能的蛋白质,20.3 KDa HSP和36.9KDa脱水蛋白。①其中20.3 KDa的HSP与欧洲栓皮栎的一个小分子量热激蛋白17a.11的保守序列具有同源性。该20.3 KDa蛋白受脱水诱导表达,但严重脱水则迅速降解。慢速脱水处理诱导表达量更高,并且在比快速脱水更高的含水量开始迅速降解。17a.11蛋白受内源氧化胁迫诱导表达。说明快速脱水可以降低栓皮栎离体胚轴的氧化胁迫水平,并且增强其对抗氧化胁迫的能力。②36.9 KDa的脱水蛋白在胚轴中特异表达,并受脱水诱导;快速脱水时其表达量高于慢速脱水,且保持稳定表达的含水量低于慢速脱水。说明快速脱水可以增强栓皮栎离体胚轴对脱水伤害的抵抗能力。③另外发现一个分子量约为16.1 KDa的热稳定蛋白,在栓皮栎离体胚轴受到脱水伤害时显著积累,因而能够反映受脱水伤害的程度。在半致死含水量范围内,快速脱水可显著抑制该蛋白的过量表达。因此,快速脱水即可以抑制脱水伤害,也可以加强离体胚轴对脱水伤害的抵抗能力,从而达到降低胚轴脱水敏感性的作用。另外也说明,栓皮栎胚轴因存在上述保护机制,而具备一定的脱水耐性;
通过分析脱水过程中离体胚轴活力的变化和过氧化伤害与抗氧化保护的关系发现,不同脱水阶段导致离体胚轴活力下降的主要因素不同:在高含水量,脱水引起的机械伤害可能起主要作用;而在低含水量,则主要是自由基积累导致的过氧化伤害增强和抗氧化酶活性降低综合作用的结果。
围绕种子的低温敏感性特性,以麻栎和栓皮栎种子为研究对象,主要通过低温和室外贮藏实验,分析了低温伤害的类型、低温敏感性的可调节性和低温贮藏的效果,得到以下重要结果:
麻栎和栓皮栎种子的低温敏感性可以被调节,梯度降温处理可以显著降低其低温敏感性,并延长种子在-10℃低温的贮藏寿命;
梯度降温可显著抑制低温下电解质渗漏率的增加幅度,说明该处理有助于增强细胞膜对低温伤害的抵抗能力;
低温敏感性受低温处理时间、种子/胚轴成熟程度及种子质量的影响。其中麻栎种子14 D降温处理效果最好。完成后熟的种子的低温敏感性比未完成后熟的种子低,且其低温耐性更容易被诱导。种子脱水后,即使发芽率没有显著降低,其低温敏感性却显著提高;萌动的种子对低温更加敏感。
综合上述,认为种子的脱水和低温敏感性在一定程度上是可以被调节的;快速脱水可以降低栓皮栎离体胚轴的脱水敏感性,主要原因可能是可以抑制过氧化伤害,诱导具有保护功能的蛋白质的表达,并且能够维持这些蛋白在低含水量的稳定表达;梯度降温可显著降低种子的低温敏感性。因此,结合脱水和低温敏感性的调节,对顽拗型种子,尤其是低度顽拗型种子,进行零度以下低温贮藏,将是一种值得尝试且具有重要价值的新方法。