种子学chapter2.6-种子的萌发及其生理生化变化

第六节种子的萌发及其生理生化变化一、种子萌发的过程二、种子萌发的生理生化过程三、种子萌发的条件四、促进种子萌发的方法一、种子萌发的过程萌发：种子生理上把干燥种子吸水到种胚突破种皮的过程；种子技术上是指种胚恢复生长，并长成具有正常构造幼苗的过程。本质：指种胚(最幼嫩的植物原始体)从生命活动相对静止状态恢复到生理代谢旺盛的生长发育阶段。种子萌发过程分为4个阶段。(一)吸胀(imbibition)吸胀是种子萌发的起始阶段。贮藏阶段的种子(水分8-14%)各部分组织比较坚实紧密，细胞内含物呈干燥的凝胶状态。当种子与水分直接接触或在湿度较高的空气中，则很快吸水而膨胀(少数种子例外)，直到细胞内部水分达到一定饱和程度，细胞壁呈紧张状态，种子外部的保护组织趋向软化，才逐渐停止(种子吸水第一阶段)。种子吸胀作用并非活细胞的一种生理现象，而是胶体吸水体积膨大的物理作用。所以不论是活种子或是死种子均能吸胀。吸胀过程，种胚活细胞内部的蛋白质、酶等大分子和细胞器等陆续发生水合活化。例如当种子水分达16-18%，线粒体活性快速上升，光敏素活化。在25℃下，玉米吸胀的前8h，菜豆吸胀最初10-16h，呼吸强度持续增加。

死种子，由于蛋白质变性，原生质膜的透性提高，胶体的亲水性和保水能力降低，而使死种子的水分平衡大大改变，所吸收的水分充满这类死种子的细胞间隙以及胚与胚乳的空间，呈现典型的水肿状态。当死种子出现水肿现象，体积的膨大非常明显。死种子虽然能吸胀，但已经丧失了活化和修复能力。

(二)萌动(protrusion)萌动是种子萌发的第二阶段。种子在最初吸胀的基础上，吸水一般要停滞数小时或数天。

萌动：吸水虽然暂时停滞，但种子内部的代谢开始加强，转入一个新的生理状态。这一时期，在生物大分子、细胞器活化和修复基础上，种胚细胞恢复生长。当种胚细胞体积扩大伸展到一定程度，胚根尖端就突破种皮外伸的现象。

在农业生产上俗称为“露白”，表明胚部组织从种皮裂缝中开始显现出来的状况。而种子生理学家习惯上把萌动的到来看成是种子萌发的完成。绝大多数植物的种子萌动时，首先冲破种皮的部分是胚根，因为胚根的尖端正对着种孔(发芽口)，当种子吸胀时，水分从种孔进入种子，胚部优先获得水分，并且最早开始活动。

种子萌动时，胚的生长随水分供应情况而不同：水分较少时，则胚根先出；而水分过多时，则胚芽先出。这是因为胚芽对缺氧反应比胚根敏感性差。

种子一开始萌动，其生理状态与休眠期间相比起了显著的变化。胚部细胞的代谢机能趋向旺盛，而对外界环境条件的反应非常敏感。如遇到环境条件的急剧变化或各种理化因素的刺激，就可能引起生长发育失常或活力下降，严重的会导致死亡。(三)发芽(germination)发芽：种子萌动以后，种胚细胞开始或加速分裂和分化，生长速度显著加快，当胚根、胚芽伸出种皮并发育到一定程度。种子检验规程对发芽定义是当种子发育长成具备正常主要构造的幼苗才称为发芽。

种子处于这一时期，种胚的新陈代谢作用极为旺盛，呼吸强度达最高限度，会产生大量的能量和代谢产物。如果氧气供应不足，易引起缺氧呼吸，放出乙醇等有害物质，使种胚窒息麻痹以致中毒死亡。农作物种子如催芽不当，或播后受到不良条件的影响，常会发生这种情况。例如大豆、花生及棉花等大粒种子，在播种后由于土质粘重、密度过大或覆土过深、雨后表土板结，种子萌动会因氧供应不足，呼吸受阻，生长停滞，幼苗无力顶出土面，而发生烂种和缺苗断垄等现象。

能量的利用：种子发芽过程中所放出的能量是较多的，其中一部分热量散失到周围土壤中；另一部分成为幼苗顶土和幼根入土的动力。

健壮的农作物种子出苗快而整齐。(四)成苗阶段(seedlingestablishment)

种子发芽后根据其子叶出土的状况，可分成两种类型的幼苗。

1、子叶出土型(epigealgermination)

双子叶的子叶出土型植物在种子发芽时，其下胚轴显著伸长，初期弯成拱形，顶出土面后在光照诱导下，生长素分布相应变化，使下胚轴逐渐伸直，生长的胚与种皮(有些种子连带小部分残余胚乳)脱离，子叶迅速展开，见光后逐渐转绿，开始光合作用，以后从两子叶间的胚芽长出真叶和主茎。

单子叶植物中只有少数属子叶出土型，如葱蒜类等，而90%的双子叶植物幼苗属这种类型，常见的作物有棉花、油菜、大豆、黄麻、烟草、蓖麻、向日葵和瓜类等。

特点：幼苗出土时顶芽包被在子叶中受到保护，子叶出土后能进行光合作用，继续为生长提供能量，如大豆的子叶能进行数日的光合作用，而棉花、萝卜等子叶能保持数周的光合功能。

某些植物的子叶与后期生育有关，如棉花的子叶受到损害时，以后会减少结铃数，甚至完全不结铃；丝瓜的子叶受伤后，对开花期子房的发育会产生抑制作用，因此在作物移植或间苗操作过程中，就注意保护子叶的完整，避免机械损伤。图6.2幼苗出土情况(子叶出土型)1.胚根2.第一真叶3.子叶4.上胚轴5.初生根6.下胚轴7.胚乳8.胚根鞘9.盾片10胚芽鞘11.不定根幼苗出土情况(子叶出土型)2.子叶留土型(hypogealgermination)

双子叶的子叶留土型植物在种子发芽时，上胚轴伸长而出土，随即长出真叶而成幼苗，子叶仍留在土中与种皮不脱离，直至内部贮藏养料消耗殆尽，才萎缩或解体。大部分单子叶植物种子，如禾谷类，小部分双子叶植物种子，如蚕豆、豌豆、茶叶属于这一类型，后者的子叶一般较肥厚。特点：穿土力较强。因此，播种时可较出土型的略深，尤其在干旱地区，更属必要。禾谷类种子幼苗出土的部分实际上是“子弹型”的胚芽鞘，胚芽鞘出土后在光照下开裂，内部的真叶才逐渐伸出，进行光合作用。如没有完整胚芽鞘的保护作用，幼苗出土将受到阻碍。

另外，由于留土幼苗的营养贮藏组织和部分侧芽仍保留在土中，因此一旦土壤上面的幼苗部分受到昆虫、低温等的损害，仍有可能重新从土中长出幼苗。

幼苗出土情形(子叶留土型)二、种子萌发的生理生化过程(一)细胞活化和修复在成熟的干种子细胞内部预存着一系列生命代谢和与合成有关的生化系统，在种子萌发的最初阶段，细胞吸水后立即开始修复和活化活动。

活化和修复在吸水的第一、二两个阶段进行。

细胞膜修复种子成熟和干燥过程中，由于种子脱水，磷脂的排列发生转向，膜的连续界面不再能保持，膜成为不完整状态。以致种子吸水以后，细胞膜失去其正常的功能，无法防止溶质从细胞内渗漏出去。

吸胀一定时间后，种子内修补细胞膜的过程完成，膜就恢复了正常的功能，溶质的渗出就得到了阻止。

随着种子吸胀进行，线粒体内膜的某些缺损部分重新合成，恢复完整，电子转移酶类被合成或活化并嵌入膜中，结果氧化磷酸化效率逐渐恢复正常。

DNA修复DNA分子损伤修复由DNA内切酶、DNA多聚酶和DNA连接酶来完成。干种子中缺损的RNA分子一般被分解，而由新合成的完整RNA分子所取代。

活化和修复能力，除受环境条件影响外，还与种子的活力有密切关系。低活力的种子活化迟缓，修复困难。活力降低到一定水平，就无法修复，种子也就失去萌发能力。(二)种胚的生长和合成代谢

种胚细胞的生长最初主要表现在活化和修复基础上细胞器和膜系统的合成增殖。

修复时原有线粒体的部分膜被合成，呼吸酶数量增加，呼吸效率大大提高；接着细胞中新线粒体形成，数量进一步增加。同时，细胞的内膜系统——内质网和高尔基体也大量增殖。高尔基体运输多糖到细胞壁作为合成原料；内质网可以产生小液泡，小液泡的吸水胀大以及液泡间的融合，使胚根细胞体积增大。在许多情况下，胚根细胞的伸长扩大，就可直接导致种子萌动。

种胚细胞具有很强的生长和合成能力。以小麦种子为例，吸胀30min即利用种子预存的RNA合成蛋白质；新RNA分子的合成在吸胀后3h开始，首先合成的种类是mRNA。在一定量的新RNA积累的基础上，小麦种子中DNA的合成于吸胀的第15h开始，在DNA复制后数小时，种胚细胞进行有丝分裂。(三)贮藏物质的分解和利用种子内部存在丰富的营养物质，在发芽过程中逐步地被分解和利用。一方面在呼吸过程中转化为能量，用于生长和合成；另一方面通过代谢转化成新细胞组成的成分。

在种子吸胀萌动阶段，生长先动用胚部或胚中轴的可溶性糖、氨基酸以及仅有少量的贮藏蛋白。

贮藏组织(胚乳或子叶)中贮藏物质的分解需在种子萌动之后。淀粉、蛋白质和脂肪等大分子首先被水解成可溶性的小分子，然后输送到胚的生长部位被继续分解和利用(图2-55)。

表向日葵种子发芽过程的化学成分变化幼苗(％)表玉米种子发芽时化学成分的变化(%)分析对象蛋白质淀粉糊精糖脂肪灰分纤维素未测定物子粒10.1973.9505.361.85.982.72幼苗19.4617.1521.043.313.4629.046.541.淀粉的转化

淀粉降解产物，是种子萌发时主要物质来源。90%的淀粉水解成葡萄糖主要由淀粉水解酶所催化，α-淀粉酶的产生与GA的诱导有关，而β-淀粉酶主要预存在胚乳中。禾谷类种子的盾片在萌发中具有分泌和消化吸收的功能，在淀粉的分解中也起重要作用(图2-56)。另一是萌发初期发生的淀粉磷酸解途径。

(1)磷酸解途径在种子萌发初期，淀粉磷酸化酶活性高，所以前期磷酸解途径是淀粉转化的主要途径。因为磷酸化酶是许多种子的贮藏酶，活化后可为EMP提供呼吸基质G-1-P(葡萄糖-1-磷酸)，而不需动用ATP。并且在反应中可以保存糖苷键能量，通过磷酸解迅速生成大量ATP，供萌发初期合成各种酶和细胞器之需。(2)水解途径

在萌发后期，α-淀粉酶活性增强，而磷酸化酶的活性逐渐减弱，水解途经则成为主要途径。因为α-淀粉酶的合成需利用蛋白质水解产生的氨基酸，并需由磷酸化酶通过EMP和有氧呼吸供给能量。所以，淀粉水解途径在后期发生。

2.蛋白质的转化

种子蛋白质的分解是分步进行的。

第一步是贮藏蛋白可溶化，非水溶性的贮藏蛋白不易直接被分解成氨基酸，首先被部分水解形成水溶性的分子量较小的蛋白质；

第二步是可溶性蛋白完全氨基酸化，可溶性蛋白被肽链水解酶(包括肽链内切酶、羧肽酶、氨肽酶)水解成氨基酸。这种蛋白质水解的阶段性在双子叶种子中表现得特别明显。

禾谷类种子蛋白质的分解主要发生在三个部位：(1)胚乳淀粉层

(2)糊粉层

(3)胚中轴和盾片

贮藏蛋白质分解成氨基酸重新构成蛋白质过程中，不少氨基酸未被直接利用而进行转化。这些氨基酸经过氧化脱氨作用，进一步分解为游离氨及不含氮化合物。因而很容易发现游离氨的存在。这种游离氨如积累过多，就会使植物细胞中毒。

在一般情况下，游离氨的存在量很少。细胞中含有足够的糖类时，游离氨直接进入氨基化反应，和糖类所衍生的酮酸形成新氨基酸，再重新合成蛋白质。

3.脂肪的转化

存在于细胞质脂质体中的脂肪首先被脂肪水解酶水解成甘油和脂肪酸。

脂肪酸在乙醛酸体中进行β-氧化，生成乙酰CoA进入到乙醛酸循环。乙醛酸循环产生的琥珀酸转移到线粒体中通过三羧酸循环形成草酰乙酸，再通过糖酵解的逆转转化为蔗糖，输送到生长部位。

甘油能在细胞质中迅速磷酸化，随后氧化为磷酸丙糖，在醛缩酶的作用下缩合成六碳糖，甘油也可能转化为丙酮酸，再进入三羧酸循环。

在萌发过程水解产生的脂肪酸中优先被分解利用的一般是不饱和脂肪酸。因此，萌发中随脂肪的水解，酸价逐渐上升，而碘价逐渐下降。

许多作物干种子内部预先贮存一部分有活性的脂肪酶；当种子萌发时，脂肪酶活性明显上升。

在萌发代谢中，一般首先利用的是种子中的淀粉和贮藏蛋白，而脂肪分解利用发生在子叶高度充水，根芽显著生长的时候。

(四)呼吸作用和能量代谢在萌发过程中主要的呼吸途径是糖酵解、三羧酸循环和磷酸戊糖途径。

种子萌发初期的呼吸基质主要是干种子中原来预存的可溶性物蔗糖以及一些棉子糖类的低聚糖；萌动后，呼吸作用渐转向利用贮藏物质水解产物。

线粒体在种子吸胀后活性会明显提高。包括干种子中预存线粒体的修复和活化，及新线粒体在细胞内的合成和增值。

随着线粒体的发育，不同作物种子体内的ATP含量以一定相似的模式变化。干种子中的ATP含量较低，吸胀后ATP含量迅速增加，之后在种子萌动前保持相对稳定(ATP合成的速率和利用的速率达到平衡)；种子萌动后，ATP含量进一步上升。

一般衰老种子吸胀后ATP含量增加很缓慢；萌发条件不良时ATP的产生受阻甚至停止。种子萌发过程能量利用在实践中其利用的效率可以用物质效率这一指标来衡量：不同种类种子比较，油质种子的物质效率较高，而淀粉种子较低。

同一种类的作物品种，高活力种子、适宜条件下发芽种子，其物质效率较高。因此物质效率也是种子活力的有效指标。三、种子萌发的条件

只有通过休眠或无休眠且具有生活力的种子，在一定的适宜生态环境下才能正常地发芽和成苗。

种子萌发适宜的环境条件包括充足水分供应、适宜的温度和氧气供应。另外，光照、化学物质、土壤因素、生物因素对萌发亦有一定的影响。

(一)水分

1.种子发芽的最低需水量?水分是种子萌发的先决条件。种子吸水后才从静止状态转向活跃，在吸收一定量水分后才能萌发。不同种类种子发芽时对水分要求不同，可以用最低需水量表示。发芽最低需水量是指种子萌动时所含最低限度的水分占种子原重的百分率(亦可用含水量表示)。种子发芽的需水量与化学成分有密切关系，淀粉种子和油质种子需水量较少，而高蛋白种子需水量较高。另外，一般发芽需水量大的种子，发芽的速率较低。

*指吸收水分占种子吸水前原重的百分率。表2-42几种代表性作物种子发芽的最低需水量*(综合资料)作物

最低需水量(%)

作物

最低需水量(%)水稻

26

向日葵

57玉米

30

棉花

75大麦

48

大豆

107小麦

60

蚕豆

157油菜

48

白三叶草

160

2.影响种子水分吸收的因素

主要受种子化学成分、种被透性、外界水分状况和温度影响。种皮的透水性-----豆类种子水分主要通过种皮的发芽口进入内部，另外豌豆的内脐透水性比种子其它部分高一倍，而硬实种子由于种皮不透水而无法萌发。外界水分状态-----有些种子在RH饱和或接近饱和的空气中就能吸足水分发芽。一般种子发芽吸收的是液态水，在土壤中的种子可吸收周围直径约1cm的土壤水分。当种子周围的土壤吸水力和渗透压上升时，种子的吸水量降低。

温度----在种子吸水的一定阶段会明显影响种子的吸水速率，一般环境温度每提高10℃，水分吸收速率增加50-80%。3.种子的吸胀损伤和吸胀冷害

有的种子如大豆、菜豆，本身种皮较薄，蛋白质含量高，吸水力强。如果种子吸胀速率快，细胞膜就无法修复而且出现更多损伤，物质外渗加剧，种子发芽成苗能力下降。这种类型的损伤称为吸胀损伤(soakinginjury)。

大豆等种子播种前不宜浸种，而种皮不完整的种子尤为如此。

有些作物干燥种子(水分12-14%以内，因作物而不同)短时间在零度以上低温吸水，种胚就会受到伤害，再转移到正常条件下也无法正常发芽成苗，这种现象称为吸胀冷害(imbibitionchillinginjury)。

导致吸胀冷害的温度界限是在15℃或10℃以下，大豆、菜豆、玉米、高粱、棉花、番茄、茄子、辣椒及许多热带作物和观赏植物种子易受吸胀冷害。

应用PEG等物质进行渗透调节引发，是避免或克服吸胀冷害的有效技术措施。预先用温水浸种对克服吸胀冷害亦有一定的效果。

1.种子发芽温度的三基点

各种植物种子对发芽温度要求都可用最低、最适和最高温度来表示。

最低温度和最高温度----分别是指种子至少有50%能正常发芽的最低、最高温度界限；

最适温度----是指种子能迅速萌发并达到最高发芽百分率所处的温度。大多数作物在15-30℃范围内均可良好发芽(表2-43)。

(二)温度种子发芽的温度要求与作物的生育习性以及长期所处生态环境有关。热带作物种子发芽适宜温度普遍比温带作物高。一般喜温作物或夏季作物的温度三基点分别是6-12℃，30-35℃和40℃，而耐寒作物或冬季作物发芽温度的三基点分别是0-4℃，20-25℃和40℃。

同一作物的不同亚种、类型甚至品种发芽的温度也会有所差异。如籼稻种子发芽最适温度是30-35℃，而粳稻的要求很窄，仅限制在30℃(毕辛华和戴心维，1963)。

种子生理状态对萌发的温度亦有一定的影响。处于休眠状态的作物种子发芽温度特殊而且偏窄；种子生活力和活力较低的种子适应的温度范围变小，在不适温度下容易受害。2.变温促进种子发芽的效果

许多植物种子在昼夜温度交替变化的生态条件下发芽最好。种子发芽要求变温的作物往往是喜温、休眠和野生性状较强的一些种类，如水稻、玉米、或茄子和许多牧草、林木种子。

变温对促进休眠种子发芽特别有效，因此对未完成后熟的新种子或休眠种子采用变温发芽。另外，变温还能提高一些无休眠种子发芽的速率和整齐度。

目前发芽试验常采用的变温为20-30℃或15-25℃，在低温下的时间是16h，高温下的时间是8h，一天为一个变温周期。

变温有利于种子发芽的原因：

1)有利于氧气的供应，促进酶的活动----氧气多，发芽有关的酶活动也强。低温时，氧在水中的溶解度增大；变温使种皮胀缩受伤，有利于气体的交换；变温下，造成种子内外温差，促进气体的交换。

2)降低物质效率----恒温下，温度高，呼吸强，消耗多；变温时，高温下，生化过程和呼吸都旺盛，贮藏物质转化为可溶性物质多，低温下，呼吸减弱，物质消耗少，用于胚生长多。3)消除有毒的中间产物的作用-----高温下有毒中间产物多，低温下可以消除转化掉。

1.种子萌发时氧气供应的影响因素种子萌发时，有氧呼吸特别旺盛，需要足够的O2供给；一些酶的活动也需要氧。萌发时O2对种胚的供应受到外界O2浓度、水中氧的溶解度、种皮对氧的透过性以及种子内部酶对氧亲和力影响。

大气中氧分压是21%，能充分满足种子萌发需要。

限制O2供应的主要因素是水分和种皮。在20℃条件下，氧在空气中的扩散速率是在水中的10倍。因此，种子刚吸胀时表皮水膜增厚，O2向种胚内部扩散的阻碍增加。有些种子种被透气性本来就差，发芽环境水分过多，O2供应进一步受阻，如大麦、西瓜、南瓜、菠菜等。因此这类种子发芽时应避免水分过多。胚根突破种被后，种被对氧透过的阻碍因此消失。

(三)氧气2.不同作物种子萌发对氧气需要的差异

种子发芽时需氧多少，与作物的系统发育有关。长期生长在水田的水稻比长期生长在旱地的麦类需氧少得多。如将水稻、紫云英、小麦和燕麦的种子浸于水中，置温暖有光处，定期换水，经8-12天后取出，则水稻、紫云英均能发芽，而麦类不仅不能发芽，甚至腐烂，说明麦类单靠水中溶解的氧是远远不能满足发芽要求的。

即使已经萌动或发芽的种子，长时间置于无氧的淹水条件下(与发芽后被水淹的田间条件相似)，会严重影响出苗，淹水时间越长，深度越深，则受害越严重。

3.种子萌发过程需氧量的变化

当种子吸水时，随着吸水量的增加，其其需氧量也随之快速增加；

当种子处于吸水滞缓期，其需氧量也较多，但当种子胚根突破种皮时，其需氧量又急剧增加。如这一时期氧气供应不足，且又处于高温条件下，即种子会陷入缺氧呼吸，产生酒精而杀死种子。水稻催芽过程中会发生这种事故，应特别注意。

(四)其它因素

1.光根据种子对光的反应，分为：

喜光种子----光对发芽是必需的或促进，如烟草、芹菜、水浮莲、莴苣、许多牧草、稗草、欧洲落地松、欧洲赤松、葱属、泡桐、伞杏花科的许多种。主要光敏素的作用，红光促进发芽。种子通过休眠即不需要光。

对光反应不敏感种子----大部分农作物种子。

忌光种子----光抑制发芽，如苋菜、鸡冠花、黑种草，作物中少。

2、二氧化碳

通常在大气中只含有0.03%CO2

，对发芽无显著影响。只有当发芽环境的二氧化碳增至相当高的浓度，才会严重抑制发芽。如燕麦种子，当CO2浓度增至17%时，仍能正常发芽；CO2浓度为30%时种子的萌发受阻；CO2达37%时种子完全不发芽。

不过高CO2浓度对发芽危害程度要比缺氧为轻。

二氧化碳对发芽的抑制作用与温度及氧的浓度有关。当环境温度不很适宜时或含氧较低时其阻碍效应特别明显。

四、促进种子萌发的方法

(一)渗透调节(Osmoticconditioning)

将种子放入渗透势较高的溶液中，其吸水的速率大为减缓，有利于种子内部充分进行早期的活化和修复等生理准备活动；由于渗透势较高，处于溶液中的种子暂不会突破种皮萌动。这样可使种子能在充裕时间和较好条件下进行萌发早期生理准备，避免田间可能出现的吸胀冷害、吸胀损伤等现象。

渗透调节后种子再播种，其发芽速率、整齐度均显著提高，在低温逆境条件下发芽成苗得到改善。

用于创造高渗透势的化学物质有几种类型，其中PEG(聚乙二醇)对于许多种子是较理想的一种。

PEG是惰性高分子化合物，常用的是平均分子量为6000的PEG，在种子浸入其溶液时，PEG分子本身不会渗入种子内部，而只是通过调节渗透来控制水分的吸收，从而起到促进种子生理活化的作用。

一些低分子化合物，特别是无机盐的溶液，也经常用于进行渗透调节。具有经济、方便省时等优点，如果浓度等条件掌握得当，亦可获较好效果，杂交籼稻种子播种前，用0.4%Na2HPO3浸种24h，发芽率显著高于