第十章 种子新技术及其研究进展 教学内容：种子引发及其研究进展、植物人工种子研究进展

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1 第十章 种子新技术及其研究进展 教学内容：种子引发及其研究进展、植物人工种子研究进展
教学目的与要求：了解种子引发及植物人工种子的研究现状及发展趋势，掌握种子引发的概念、种子引发的效果、植物人工种子的概念、组成、植物人工种子的优点，理解种子引发的原理及植物人工种子制备的程序。 重点：种子引发的概念、种子引发的效果、植物人工种子的概念、组成、植物人工种子的优点。 难点：种子引发的原理及植物人工种子制备的程序。

2 第一节 种子引发及其研究进展 种子引发的概念 种子引发的效果 种子引发的主要方法 种子引发的机理 种子引发的生理生化变化与分子基础
第一节 种子引发及其研究进展 种子引发的概念 种子引发的效果 种子引发的主要方法 种子引发的机理 种子引发的生理生化变化与分子基础 种子引发最佳条件的选择 影响种子引发效果的因素 国内外种子引发研究现状 种子引发存在的问题 展望

3 一、种子引发的概念 种子引发(seed priming) 也称种子渗透调节，通过控制种子缓慢吸水，使其停留在吸胀的地二阶段，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，但防止胚根伸出的一项种子处理技术。 种子引发是由英国的Heydecker教授于1973年首次提出，Heydecker等人于1975年首先成功应用聚乙二醇(PEG)高分子渗透剂来处理洋葱和胡萝卜种子 获得成功。

4 二、种子引发的效果 1、促进萌发、提高出苗一致性和秧苗素质; 2、提高在逆境下的出苗； 3、提早成熟，增加产量；
4、打破种子热休眠，克服远红光的抑制作用; 5、提高未成熟种子和老化种子的活力; 6、降低吸胀损伤和吸胀冷害； 7、提高幼苗抗病性。

5 三、种子引发的主要方法 1、液体引发( l iquid priming)
液体引发是以溶质为引发剂，种子置于溶液湿润的滤纸上或浸于溶液中，通过控制溶液的水势调节种子吸水量。

6 常用的种子引发液 （一）有机大分子 如聚乙二醇（PEG)、聚乙烯醇(PVA)、交联型丙烯酸钠(SPP)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。 （二）无机盐小分子 如KNO3、NaCl、KH2PO4、K3PO4 、MgSO4等。 可以解离为相应的离子渗透进入细胞，改善细胞微环境，降低细胞水势，控制种子的吸水速度。

7 3、膜引发（membrane priming）
2、水引发（hydropriming） 水引发是使种子在控制给水条件下定量吸水，然后将种子放在相对湿度为100%的密闭容器中培养的一种处理方法。（花椰菜种子，低温下效果更好） 3、膜引发（membrane priming） 此方法是将种子与一种半渗透性膜(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，种子通过半渗透性膜从PEG溶液中吸取水分。在吸取水分的过程中，种子和半渗透性膜不断或周期性地相互滚动，使水分均匀转移，并充分覆盖了种子的整个表面，从而完成种子的引发过程。

8 4、固体基质引发( sol id matrix priming , SMP)
是指通过种子与固体颗粒、水以一定比例混合在密闭的条件下控制种子吸胀达到一定含水量，但防止种子胚根伸出的一种种子处理措施。 目前常用的固体基质有片状蛭石、珍珠岩、泥炭等。 种子与固体基质的比例通常为1∶1. 5～1 ∶3 左右, 加水量常为固体基质干重的60 %～95 % 作为理想的引发固体基质应具备下列几个条件: (1) 具有较高的持水能力; (2) 对种子无毒害作用; (3) 化学性质稳定; (4) 水溶性低; (5) 表面积和体积大,容重小; (6) 颗粒大小、结构和孔隙度可变; (7) 引发后易与种子分离等。

9 5、滚筒引发( drum priming) 滚筒引发体系最早由英国Wellesbourne 的国际园艺组织建立, 即先将种子放在铝质的滚筒内, 然后喷入水汽, 滚筒以水平轴转动, 速度为每秒1～ 2cm。 滚筒引发包括4 个阶段: 校准：确定种子的吸水量; 吸湿：1～ 2d; 培养：吸湿种子在滚筒内放置1～ 2 周; 干燥：在温度15℃、相对湿度40%的条件下，将种子的含水量回干到原始的水平。

10 6、生物引发( bio-priming) 　 Callan （1990）等提出的种子处理新技术，是利用有益生物(如荧光假单细菌或金色假单胞菌) 作为种子保护剂，让其大量繁殖布满种子表面，使幼苗免遭有害菌侵袭的一种种子引发技术。 生物引发的一般步骤是先将种子进行表面消毒（70%酒精或升汞）, 用成膜剂包膜种子, 将种子放在两层发芽纸或纸巾间在适宜的温度下缓慢吸水至一定水平, 引发后的种子可直接播种。

11 四、种子引发的机理 简单地说，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。 一般可以从两个方面来理解，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。

12 1、引发改变种子的渗透势； 2、有效活化与去阻抑作用； 3、引发诱导细胞膜的修复； 4、引发诱导与抗性有关物质的合成。

13 种子引发机理图解

14 五、种子引发的生理生化变化和分子基础 （一）生理生化变化 1、呼吸代谢加强，相关酶活性提高； 2、引起种子内激素水平的变化（如ABA降低）； 3、促进RNA 和蛋白质合成以及ATP 的利用； 4、活化水解酶而引起种子内蛋白质、脂肪和淀粉等贮存物的迁移； 5、减少染色体畸变频率，修复因老化引起的染色体损伤。

15 （二）分子基础 1、引发可促进细胞核中DNA 的合成； 2、引发可引起细胞周期蛋白的变化； 3、引发可诱导与抗逆有关基因的表达。

16 六、种子引发最佳条件的选择 1、渗透剂的种类 ——花生、洋葱、高粱等宜用PEG作引发剂 ——芦笋种子用人造海水(INO)、NaNO3 ——西红柿、胡萝卜用盐引发比PEG好 2、渗透压 ——引发主要是通过调节溶液的渗透压来达到目的，所以渗调溶液渗透压的控制是引发成败的关键。最适的渗透压就是能使种子最大限度地水合而又不让其发生可见的萌发。

17 3、引发温度 ——在同种渗调剂和渗透压的条件下引发温度而越低引发时间越长。一般为15-20℃。 ——一般来说，较低温度下引发对种子萌发率的提高较缓慢，但对最终萌发率无明显影响。 4、引发时间 ——最适引发时间随温度、渗透压及种子品种而不同，严格地说种子引发的最佳时间应该是指最适温度及最后渗透压条件下达到最好引发效果所需的时间。

18 七、影响种子引发效果的因素 1、不同的引发工艺 ——如基质引发、膜引发对种子的引发效果优于PEG直接引发。 2、引发过程中加入的添加剂 ——一般在引发剂中添加一些辅助成分（如赤霉素、乙烯利；杀菌剂、杀虫剂）均可提高引发的效果。 3、引发后种子的干燥方式 ——引发后种子不干燥的效果要显著大于干燥种子，但未干燥种子不耐贮藏。

19 4、引发种子的贮藏 ——引发的种子最好在当年使用，如需保存可存于10～15℃的密封环境中，或湿度小于30% 的环境。 5、种子质量 ——种子引发效果除与种或品种有关外,还受种子质量如发芽率或活力的影响。 6、种子吸水速率 ——有效控制种子吸水，使其在吸胀过程中不引起伤害是水引发的关键。 ——不同植物种的吸胀能力不同,一般认为,蛋白种子吸胀能力强于粉质种子和油质种子。

20 八、国内外种子引发研究现状 （一）国外种子引发研究状况 ——从20世纪70年代开始，国外就对种子引发技术进行了大量的研究；
——目前一些引发技术（滚筒引发、基质引发、膜引发等）已成功应用于商业生产，并获得了专利； ——现在美国已有芸薹属，胡萝卜、芹菜、辣椒、西瓜等多种蔬菜和水果的引发种子销售。 ——目前国外的种子引发生物引发较多。

21 （二）我国种子引发研究现状 ——从20世纪80年代开始，我国的研究人员开始研究种子引发技术，在粮食作物（水稻、小麦）、经济作物（油菜、烟草、蓖麻）、蔬菜作物（菠菜、冬瓜、黄瓜、豌豆、莴苣、辣椒）、花卉（一串红、紫花苜蓿）上都有一定的研究报道，但都处于试验研究阶段，还没有在生产上大量应用，也没有开发出适合中国国情的引发工艺。

22 九、种子引发存在的问题 1、引发技术的大规模商品化有一定的难度 ——种子引发效果在种和品种, 甚至在成批种子间存在差异 2、引发成分较高 ——引发剂PEG价格较昂贵, 仅在高价植物种子中有商业应用 3、引发带来负面效应 ——引发后种子的耐藏性下降, 寿命缩短, 种子表面带菌量上升等 4、与种子引发有关的生理机制尚未明确

23 十、种子引发展望 1、在引发技术上，应注意研究开发成本低、效益高,有较好应用前景的方法。 ——浙江大学胡晋教授的简单易于操作的沙引发技术（已申请专利）；中国科学院北京植物园徐本美的基于渗调原理的催芽剂303，都有很好的应用效果。 2、在理论上，应从生理生化、细胞和分子水平上进一步探讨引发的机理。 3、种子引发技术与种子丸粒化技术相结合。 总之：随着种植业对高质量种子需求增加，种子引发技术将会在我国有很大的应用前景。

24 第二节 植物人工种子研究进展 植物人工种子的概念、组成 植物人工种子的优点 植物人工种子的主要制备方法与技术要求
第二节 植物人工种子研究进展 植物人工种子的概念、组成 植物人工种子的优点 植物人工种子的主要制备方法与技术要求 植物人工种子技术存在的主要问题 植物人工种子的应用前景

25 一、植物人工种子的概念、组成 （一）概念 植物人工种子又叫人造种子、合成种子或无性种子，是指将植物离体培养中产生的体细胞胚或能发育成完整植株的分生组织(芽、愈伤组织、胚状体等)包埋在含有营养物质和具有保护功能的外壳内,所形成的在适宜条件下能够发芽出苗的颗粒体。

26 （二）组成 完整的人工种子包括三部分:胚状体、人工胚乳、人工种皮。

27 二、植物人工种子的优点 1、固定杂种优势，缩短育种周期； 2、加速种子繁殖速度，便于远缘杂交等突变体的利用；
3、便于工业化生产，提高农业的自动化程度； 4、易有针对性添加活性物质，促进壮苗； 5、便于贮藏运输，适合机械化播种； 6、节约天然种源，保证种子质量。

28 三、植物人工种子的制作程序与技术要求 人工种子的制作程序大致包括： 外植体的选择和消毒 愈伤组织的诱导 体细胞胚的诱导 体细胞胚的同步化 体细胞胚的分选 体细胞胚的包裹（人工胚乳） 包裹外膜 发芽成苗试验 体细胞胚变异程度与农艺研究。 概括起来，即： 胚状体生产（胚状体的诱导与同步化） 胚状体包裹(人工胚乳和人工种皮)

29 （一）胚状体生产 1、胚状体的诱导 胚状体可以从悬浮培养的单细胞得到，也可通过试管培养的愈伤组织、原生质体、花粉和胚囊获得。
一般先诱导出愈伤组织，并进行悬浮培养，再置于含生长素的发酵罐中，细胞扩增后移入无生长素的发酵罐中诱导出胚状体。 2、胚状体同步化 胚状体同步化是指促使所有培养的细胞或发育中的细胞团块进人同一个分裂时期。 只有进行了同步化的细胞，才可能成批地产生出成熟胚胎。

30 胚状体同步化的方法： 化学方法 ——阻断法：是在培养初期加DNA 合成抑制剂阻断细胞分裂的G1 期（准备原料、酶和能量 ）。 ——饥饿法 ——激素调节法 物理方法（过滤筛选法、渗透压分离法、低温处理法、密度梯度离心法、玻璃珠过滤法等）。

31 （二）胚状体包裹 对胚状体包裹的要求: 首先, 起到胚乳的营养作用; 其次, 起到种皮的保护作用; 最后, 满足对人工种子的特殊需要。
包裹剂成分： 大量养分、无机盐、有机碳源、植物生长调节剂，以及农药、抗菌素和有益菌类。

32 人工种子的包埋方法主要有： 液胶包埋法：是将胚状体或小植株悬浮在一种粘滞的流体胶中直接播入土壤。 干燥法：是将胚状体经干燥后再用聚氧乙烯等聚合物进行包埋的方法。虽然干燥包埋法成株率较低，但它证明了胚状体干燥包埋的有效性。 水凝胶法：是指通过离子交换或温度突变形成的凝胶包裹材料的方法，用此法离体成株率将近90%。

33 1、人工胚乳的制作 人工胚乳的制作实质上是将合适的培养基添加到包埋介质中，以提供胚状体新陈代谢和生长发育所需要的营养物质及生长素的过程。 人工胚乳一般由基本培养基成分、生长调节剂和碳源组成。 不同的植物对人工胚乳的要求不同，应根据其各自的特点配制不同的人工胚乳。

34 2、人工种皮的制作 人工种皮通常包括2个部分:内膜和外膜。 内膜是人工胚乳的支持物,它必须具备以下特点: (1)对繁殖体无毒、无害,有生物相容性,能支持胚; (2)具有一定透气性、保水性; (3)具有一定强度，能维持胶囊的完整性; (4)能保持营养成分和其它助剂不渗漏; (5)能被某些微生物降解，降解产物对植物和环境无害。

35 内层种皮（内膜）可选择聚氧乙烯、海藻酸钠、几丁质、果胶酸钠、琼脂糖、淀粉和树胶等。
外层种皮（外膜）可选用半疏水性聚合膜，以降低海藻酸钠的亲水性，对人工胚乳起固定作用。 另外可在膜上添加毒性小的防腐剂或溶菌酶，以防止微生物的侵入。

36 （三）人工种子的干化、贮藏及防腐 1、干化 即人工种子的脱水，干化能增强人工种子幼苗的活力；有助于贮藏期间细胞结构及膜系统的保持和提高酶的活性，使其具有更好的耐贮性。 已有研究发现，在高湿度下缓慢干化，人工种子有较高的发芽率和转化率。 干化过程中利用干燥和低温相结合是目前使用最多的方法，也是目前人工种子贮藏研究主要热点之一。

37 2、人工种子的贮藏及防腐 贮藏是人工种子研究的主要难题之一，目前的方法有低温法、干燥法、抑制法、液体石蜡法等。
防腐是人工种子贮藏和大面积田间播种的关键技术之一。一般采用在包埋介质中添加的防腐剂的方法。 在甘薯人工种皮中加400～500mg/L的先锋霉素、多菌灵、安苄青霉素或羟基苯酸丙酯，均有不同程度的抑菌作用，萌发率可提高4%～10%。

38 四、植物人工种子技术存在的主要问题 1、重要的植物的胚状体或不定芽难以诱导； 2、包埋剂的选择及制作工艺方面尚需改； 3、大量制种、大田播种及机械化操作等方面配套技术尚需进一步研究； 4、人工种子成本高。

39 五、植物人工种子的应用前景 植物人工种子具有广阔的开发前景 ——欧洲将其列入“尤里卡计划”； ——我国将其列入“863计划” ； 人工种子已在繁殖遗传工程植物、减数分裂不稳定植物、稀有及珍贵植物的过程中，显示出超常的优势。 随着技术的进步及生产规模的大型化，人工种子的成本将会大大降低。人工种子的市场竞争力将超过天然种子，无性系种植业的新局面将会出现。

40 本章思考题 1、什么是种子引发？ 2、种子引发有什么效应？ 3、常见的种子引发方法有哪些？ 4、什么是植物人工种子？由哪几部分组成？ 5、与传统种子相比，植物人工种子有什么优点？