种子学第三章2013学习资料

第三章种子的休眠SeedDormancy0休眠长短是长期自然进化的结果，是适应自然的反应第一节

种子休眠的原因和机理1一、种子休眠的几个概念种子休眠（seeddormancy）指有活力的种子即使在适当的发芽条件下也不能发芽，是植物在长期系统发育过程中形成的抵抗不良环境条件的适应性，具有普遍的生态意义。2由于休眠深度或种子所处的条件（这些条件可以影响休眠）不同，使不同个体的种子能在不同的时间发芽，增加了物种生存和分布的可能性。野生植物种子的休眠往往较深，个体间差异很大，许多种子成熟后不能发芽，出苗可延至冬后或旱季之后。栽培作物由于长期选择的结果，种子萌发较为整齐一致。但许多作物仍有相当程度的休眠，如禾谷类、豆类、棉花以往及莴苣、芹菜、胡萝卜、甜菜等。3休眠期：成熟—达到80%发芽率的时间。休眠对植物本身来说是有利的，但对农业生产则不一定。如有些作物品种的种子休眠期很短，往往在收获前后母株上萌发，影响种子的产量和品质；而休眠期较长的品种就可以显著减轻甚至完全避免这种损失。45T2代种子萌发试验（7d）：转基因种子发芽势明显弱于对照种子

TG WT6另一方面，种子休眠也给生产上造成一些困难。如作物到了播种季节而种子尚处于休眠状态，若未经适当处理即行播种，则田间出苗参差不齐，出苗率低；又如在测定种子发芽力时，处于休眠状态的种子就难以测得正确结果。此外，杂草种子休眠期参差不齐，造成根除杂草的困难。78910自然休眠：生理未成熟或发育障碍导致的休眠。强迫休眠：发芽条件不具备导致的休眠。(静止种子quescentseed)原生休眠：种子在植株上已休眠称休眠。次生休眠：不良条件（光、温、水、气）导致休眠发生或加深。11原生休眠环境环境环境+基因型次生休眠种子成分不休眠发芽环境+基因型解除12二、种子休眠的原因（类型）

种子休眠的原因有多种，休眠的状态可能由一种原因造成，也可能由多种原因所导致。各因素间的关系也比较复杂，有时彼此间存在密切联系，当某种因素被消除（或某种障碍被除去），而其他因素仍存在时，种子依然不能发芽。有时当一种因素被消除时，另一种因素也可能随之消失，休眠于是得到解除，当环境条件适宜时，种子即能萌发。131．胚休眠有两种不同的类型①种胚尚未成熟从外表看，这类种子各部分均已充分成熟并已脱离母株，但内部的种胚尚未成熟。特点：未成熟的胚相对较小，某些种胚尚未完成生长与分化，需从胚乳或其他组织中吸收养料，进行细胞组织的分化或继续生长，直到完成生理成熟。种胚发育的适宜条件是潮湿和较高的温度（亦有例外），一般在18--20℃湿土或湿沙中经数周以至数月就能发育完全并获得发芽能力。人参、浙贝等药用植物及毛茛等杂草种子的休眠属于这一类型，在农作物中并不存在这种现象。14②种子未完成后熟这类种子的种胚已充分发育，种子各器官在形态上已达完备，但由于胚的生理状态不适于发芽，即使发芽条件具备也不能萌发，只有经过一定时期的后熟，才具备发能力。特点：种胚继续生长和物质积累，一般无明显的形态学和解剖学变化。这类种子休眠解除过程中的变化并不存在统一的模式，有的甚至观测不到休眠解除前后存在任何明显的差异，只是发芽率确实显著增高。许多果树种子（如桃、苹果、梨等）、三叶草以及某些杂草种子属于这一类型。15后熟期间种胚生理特性的变化受水分、温度、和氧分压等条件的影响。适宜条件下后熟作用迅速进行；条件不良时不仅可能延缓后熟过程，有时还会加深休眠。一般而言，温带植物的多数种子在0—6℃左右的低温和一定的湿度（潮湿）条件下经数周至数月完成后熟，自然条件种子掉落土中经过冬天即能具备发芽能力，在生产实践上可用湿沙层积（一层湿砂一层种子相间堆积），将种子埋于地表或地下，保持10℃以下的有效温度。16不同植物种子通过后熟所需的最适温度和层积时间并不一致。休眠愈深，所需时间愈长。如苹果种子可在3—4℃的低温下层积2—3个月，便于形成促进生长的物质。经后熟的种子呼吸强度增高，吸水力和酶的活性增强，氨基酸的含量亦有提高。172.

种皮障碍这里的种皮指广义的种皮，种被，果皮及果实外的附属物，都可成为种子萌发的障碍，即使外界环境适于种子萌发，种皮也会迫使种子处于休眠状态。只要能使种皮的性质发生改变，种子就能发芽。种皮对发芽和休眠的影响主要表现在以下几方面：①种皮不透水种皮非常坚韧致密，其中存在疏水性物质（果胶、木质素、角质等），如豆科植物的硬实就是常见的例子。

1819②种皮不透气种皮的理化性质（如透氧性、酚、过氧化物酶）影响种胚对氧气的吸收和流通，导致CO2的积累，种子被迫处于休眠状态。如酚类物质在酶的作用下很容易氧化成醌，在其氧化过程中，大量氧气被拦截，种胚就无法得到萌发所需的足够氧气，因而处于休眠状态。醌类物质很容易和蛋白质结合，形成有色的沉淀物，该沉淀物有时是不透水的。这也是为什么色泽深的品种常较色泽浅的品种休眠深的原因，这在小麦、白菜型油菜以及一些豆类种子中是比较普遍的现象。据研究，种子中酚类物质的累积发生在种子成熟过程的某一阶段，而且集中于种皮，子叶中很少。这显然是防止种子刚成熟就必芽的一种机制。20图片来自网络21图片来自网络22图片来自网络23图片来自网络24图片来自网络25③种皮的机械约束作用种皮坚硬木质化或表面具有革质的种子，往往成为限制种子萌发的机械阻力，使胚不能向外伸展，即使在氧气和水分能得到满足的条件下，给予适宜的发芽温度，种子仍长期处于吸胀饱和状态，无力突破种皮。直至种皮得到干燥机会，或者随着时间的延长，细胞壁的胶体性质发生变化，种皮的约束力逐渐减弱，种子才能萌发。据研究，种胚顶破种皮的“突破力”在种胚生理状态不同时存在明显差异，因此单纯考虑种皮的机械阻力是不够全面的。26图片来自网络273.种子萌发抑制物和促进物发芽抑制剂:

激素：ABA（脱落酸）、Eth（乙烯）等；ABA可能抑制RNA和蛋白质合成；酚类：（咖啡酸、五倍子酸）可能抑制细胞伸长，另外的作用是消耗氧限制种胚的氧供应等；有机酸：苹果酸、柠檬酸等；植物碱：咖啡类、可可碱等；醛类：柠檬醛；28*抑制物质的作用没有专一性含有抑制物质的种子不仅影响本身的正常发芽，而且对其他种子也能发生抑制作用。如将不含抑制物质的种子与这种种子混合贮藏或放置在一起发芽时，就有可能受到抑制作用。例如将小麦和堇菜子放在一起，小麦就不会发芽；又如马铃薯和大蒜若放在一起贮藏，马铃薯发芽也会受到抑制。发芽促进剂

CK（激动素）、GA3（赤霉素）、Eth（二重性）294.光——特殊的发芽条件光是一种特殊的发芽条件。大部分农作物种子发芽时对光并不存在严格的要求，无论在光下或暗处都能发芽，但也有一些作物的新收获种子需要光或暗的发芽条件，否则就停留在休眠状态。红光（660nm附近，Pr→Pfr

）：促进发芽远红光（730nm，Pfr→Pr）和蓝光（440nm和480nm附近）：起抑制作用。30田间阴蔽程度不同，各种波长光的比例改变，如远红光增加而增强对种子发芽的抑制作用。光对发芽发生作用的时间，因植物种类和品种特性而有差异。根据光敏感性（lightsensitivity）的状况，可以将种子分为以下三类：①白光可以结束种子休眠，如苋属（Amaranthus

fimbriatus

及西风古—短时间照光）、芥菜、藜莴苣（品种GrandRapids）、烟草、芹菜等。31图片来自网络32②白光抑制发芽（可使种子进入二次休眠），如苋属的西风古（长时间照光）、门氏喜林草、黍（shuˋ）、落芒草等多种非休眠种子均可受抑制而不发芽。③一般对白光不敏感，但存在光敏素系统，对光有无反应取决于温度，因此仅在某些条件下有所表现。如黄瓜、莴苣（品种Greatlakes等）、番茄的某些品种和萝卜33一般光敏种子在干燥状态几乎没有或完全不存在感光性（少数例外），因为脱水的组织中Pr不能转变为Pfr，大多数种子在吸水1—2天内感光性最强，浸种时间太久又会降低。如莴苣种子在含水量13—22%之间才逐渐增加感光性并达最高限度，苋菜种子则需达19%时感光性才达充分。自然条件下，种子在母株上成熟、干燥以及在土壤表面的种子，均能发生光敏素的转变。34光促进或抑制发芽的照射时间，不仅因作物、品种而不同，还取决于照光的强度。弱光虽然有效，但需处长照时间。种子的光敏性不是绝对的，而是随其他条件（如温度、氧分压、发芽床等）而变化，其中最重要的影响因素是温度，在暗处亦能萌发。另外，种子的光反应与种皮的完整性有关，剥去或弄破种皮，光敏感性可随之降低消失。355．不良条件的影响可以使种子产生二次休眠（secondarydormancy）（次生休眠、诱发休眠），即原来不休眠的种子发生休眠或部分休眠的种子加深休眠，即使再将种子移置到正常条件下，种子仍然不能萌发。作用：①不适宜条件导致的休眠可延长种子寿命；②可以度过不良环境条件；36二次休眠的诱因：光或暗、高温或低温、水分过多或过于干燥、氧气缺乏、高渗压溶液和某些抑制物质等。这些不良的萌发条件可诱发种子休眠，在某些情况下也可使干燥种子发生休眠；如加温干燥的温度较高或时间过长，可使某些豆类和大麦、高梁种子进入二次休眠；贮藏湿度很高，也可导致大小麦（新通过休眠）产生这种现象。37二次休眠的产生是由于不良条件使种子的代谢作用改变，影响到种皮或胚的特性。休眠解除的时间与休眠深度有关，休眠解除的条件在大部分情况下与原生休眠（primarydormancy）是一致的。38种子休眠的原因各不相同，有的是一种因素造成的，有的是多种因素共同作用的结果，后者称为综合休眠。如一种野生稻（Zizania

aquatica，实际上属茭白类）在自然条件下种子落入水中需一年才能发芽，这种种子至少存在以下三种休眠原因：⑴内外稃中存在萌发抑制物质。⑵果种皮透气性差。⑶缺乏萌发所需的激素。因此只有去除内外稃，刺破种皮，再施加赤霉素和细胞分裂素，发芽率才能达最大值。39三、种子休眠的机理

1.内源激素调控——三因子学说Khan，A.A.(1971,1975)提出，种子的休眠和必芽由三因子调节：萌发促进物质赤霉素（GA）、细胞分裂素（CK），萌发抑制物质脱落酸（ABA）。三者之间的相互作用决定种子的休眠与萌发：

GA*+CK→萌发

ABA→休眠40GA、CK、ABA只有达到生理活性浓度才能发挥作用:GA是种子萌发的主要促进剂，ABA是主要抑制剂。凡是能发芽的种子中均存在生理活性浓度的GA；如果种子中同时存在GA和ABA，则GA诱发萌发的作用就受到阻抑；若GA、ABA和CK三者同时存在，则CK能起解抑制作用而使萌发成为可能。因此GA是主要的调节因子，而CK仅在ABA存在时才有必要。Khan（1971）认为在不同时期中，种子内的各种激素处于生理有效或无效浓度，而浓度的改变取决于很多内因和外因。4142CK能减轻逆境所诱导的种子二次休眠，与乙烯的作用相似。CK减轻逆境的作用是通过刺激乙烯的产生而实现的。这样，三因子学说有了发展，增加了另一种激素——乙烯，[实验根据是逆境下莴苣种子中乙烯的产生受阻，在加入CK后可以得到缓解（Khan等）]，并阐明了乙烯与CK在解除休眠促进发芽方面的联系。43khan等（1984）还指出休眠与发芽和能量的动态平衡有关：各种因素（逆境）导致的萌发障碍分取了能量用于诱导休眠，而萌发促进物质则对休眠设置障碍，阻止这种能量的消耗而使萌发成为可能。442.

呼吸途径论（磷酸戊糖途径）

Roberts（1973）提出休眠种子与非休眠种子呼吸途径存在差异：去休眠

EMP—TCA

PPP

休眠，耗O245休眠种子呼吸作用存在某些欠缺，表现在三羧酸循环过于强烈，消耗了可被利用的有效氧而排斥了其他的需氧过程。因此，只要增加氧气就能使萌发所必需的需氧过程得以进行；另外，如果采用三羧酸循环和末端氧化过程的抑制物质降低其需氧量，也同样可以导致休眠的破除。磷酸戊糖途径就是萌发必需的需氧过程，所以磷酸戊糖途径的顺利进行是休眠破除和得以萌发的关键。46Roberts指出：“休眠的破除是从糖酵解途径（包括三羧酸循环）转向磷酸戊糖途径的结果。”并进一步指出休眠破除对氧的需要，可解释为与NADPH需要氧化有关，这一辅酶从还原态转化为NADP，才能使磷酸戊糖途径顺利地持续进行。473.光敏素调控论

Borthwick、Hendricks等1952年首先发现光敏素系统与休眠和发芽的关系：光敏素形态的转变并非简单的由Pr直接变成Pfr，而是经由若干中间化合物；这些转变过程有些在含水率很低时仍可以发生，有些则需要高的水份下才可能进行。红光660nm远红光730nm促进萌发休眠PfrPr逆暗转变暗转变48光照条件可以促使种子中Pfr和Pr相互转化，从而改变Pfr

和Pr的比例；另外，也发现存在缓慢的暗转变（Pfr→Pr

）和逆暗转变（Pr

→

Pfr

），因此通过较长时间的贮藏，种子的生理状态可以改变。喜光种子经红光或白光照射后Pfr↗才能发芽；嫌光种子Pfr含量已经较高，只要其他条件适宜，（不需光）种子即能萌发。在长日下所产生的种子，休眠的可能性较大，如莴苣、蕃茄、马齿苋等；田间阴蔽程度不同，各种波长光的比例改变，如远红光增加而增强对种子发芽的抑制作用。光对发芽发生作用的时间，因植物种类和品种特性而有差异。494.膜相变论

Bewley

提出，根据许多植物种子的休眠及解除与温度存在密切关系等事实，提出温度导致膜相的变化而影响到休眠状态：细胞膜可因温度改变而使物理状态发生可逆性的变化，低温条件下细胞膜是凝胶态；在较高温度下则变为流体状态。膜相的变化促使许多膜结合的酶活性改变，还能使膜蛋白发生位移，并导致细胞膜的透性变化和溶质渗漏，从而影响到与种子萌发有关的许多代谢过程。50降温液晶态拟晶态 （萌发） 升温（休眠）在用某些生物物理技术（荧光探测仪）测定时，表明某些温敏感种子在休眠时发生膜相的转变。乙醚、氯仿、丙酮、乙醇等有机溶剂对破除休眠有一定的作用，也认为是它们能改变膜的状况透入细胞膜所致，并以此作为休眠与膜相有关的一个旁证。51第二节农作物种子的休眠及调控

一、农作物种子休眠的特点

1．基因型差异根据对水稻、大麦、小麦等多种作物的研究，确定禾谷类种子的休眠特性是多基因决定。禾谷类种子休眠的现象是普遍的，但不同作物种子休眠的深度不相一致。一般而言，在主要作物中以麦类尤其大麦的休眠为最明显，水稻和玉米休眠较浅。52同一作物不同类型和品种的休眠期也可以相差悬殊，有的没有休眠期，收获后经过干燥的种子就能达到80%以上的发芽率，而另一些品种的休眠期却长达数月。如大麦种子的休眠期常长于裸大麦；粳稻品种常有休眠期，而籼稻则以原产热带地区的品种（如国际稻系统及非洲稻）及其杂交后代为明显，我国栽培的一般品种通常不存在休眠期，在高温高湿条件下容易发生穗发芽现象。53油菜中芥菜型的休眠期可长达数月，甘蓝型的成熟种子休眠常不明显。但未充分成熟的新收获种子发芽率很低，经过干藏以后，发芽率迅速升高。一般绿熟种子的休眠远深入褐熟和完熟种子。陆地棉种子的休眠期很明显，海、亚、非几乎没有休眠期或休眠很浅。小麦品种的种皮颜色和休眠期长短存在密切关系，红皮小麦品种的休眠期一般较白皮品种为长。这种差异主要是由于红皮小麦种皮内存在色素物质，种皮较厚而透性较差的缘故。54作物休眠期水稻粳稻>籼稻小麦红皮>白皮大麦皮大麦>裸大麦油菜芥菜型>白菜型>甘蓝型白菜型：黑籽>黄籽棉花陆地棉>海岛棉、非洲棉、亚洲棉豆类小粒>大粒552.成熟度与休眠期极显著负相关据研究，不同成熟度的禾谷类种子休眠期存在显著差异，一般从乳熟期起，成熟度愈高，休眠期愈短。56不同成熟度小麦种子（2419）休眠期：

成熟度

休眠期（月）乳熟3黄熟

2．5—3完熟

2—2．5573.环境条件影响

环境因素可以在不同时期影响种子的休眠。成熟期间的环境条件可以决定种子休眠的深度，而贮藏期间的环境条件可以影响种子休眠解除的速率。种子成熟期间影响休眠期长短的最主要环境因素是温度。58据Belderok（1961）测定，小麦蜡熟期间的温度是决定休眠深浅的重要因素，温度愈高，休眠期愈短，因此可以根据温度来预测各品种种子在该年份的休眠深度。事实上有些品种的种子虽具深休眠的遗传特性，但在某些气候反常的年份里因受高温影响，也可使休眠变浅甚至不存在休眠期，如果成熟后期多雨，就会发生严重的穗发芽现象。59在种子贮藏过程中，由于温湿度不同，对种子休眠期的长短有很大影响，高温能加速种子休眠的解除，而低温条件起相反的作用。如水稻种子贮藏在不同的温度条件下（以50%发芽率作为通过休眠）：贮藏温度（℃）休眠解除时间（天）2750371547560种子贮藏期间湿度很高，一般认为会影响休眠期的长短，并可能导致二次休眠的产生，但与温度相比，湿度的影响较为次要。在含氧量高的大气中，种子的休眠解除较快。如水稻种子在100%的氧中贮藏，休眠解除的速率比在普通大气中贮藏的种子提高一倍，可见休眠解除的过程是需氧代谢。61二、农作物种子休眠的原因

引起种子休眠的原因很多，不同植物的种子有许多共同之处，也有各自的特点。下面是几种主要农作物种子的休眠原因：62作物休眠成因水稻大麦颖壳、种皮不透气；发芽抑制剂（ABA）

小麦种被不透气油菜角果机械保护；发芽抑制剂（酚类）

棉花种皮不透气、种子硬实（内脐）；种子发芽抑制剂（ABA、酚类）豆类种子硬实(种皮角质层、栅栏层不透水，特殊的水分控制机制)63 硬实

——豆类种子的休眠种皮不透露水而不能吸胀发芽的种子称为硬实。64自然界许多植物的种子都具有硬实，这种形式导致的休眠对植物界种的延续和传播极为有利，它不仅能在较长的时期内保持种子的生活力，而且能在种子成熟、收获以后的不同日期内，由于环境条件的作用改变种皮透性，使不同的个体先后获得发芽能力。同一批种子掉落在土中，由于种皮透性的差异，能在不同的年份或同一年份中陆续出苗，因而增加其延续种族的可能性。研究种子的硬实问题在农业实践上对控制种子的休眠、萌发和处长种子寿命均具有重要的指导意义。65豆科作物种子的硬实是农业生产上常要解决的问题，未经处理的种子经常发生严重缺苗现象。农业生产上为了了解种子的播种品质，需要测定种子所含硬实百分率，可靠的方法是经过浸种，检查其中不能吸胀的种子数。硬实的顽固程度不同，有的在浸种的数天内可以吸胀、发芽，有的（如某些紫去英种子）甚至在水中浸泡10年以下，仍未能改变其不透水性，但大部分个体的种皮获得透性的时间比较接近。因此，测定这类种子的生活力，非经过特殊处理不可。66特殊的水分控制机制

--“种脐疤”：在某些豆科种子（羽扇豆、三叶草、紫芸英等）的特定部位——种子脐部，有一被称为“种脐疤”的瘤状突起，它控制水分的进出，起到阀门的作用。67干燥潮湿68三、种子休眠的调控

种子休眠对农业生产既有有利的一面，又有不利的一面，因此在不同的情况下可以根据需要进行调控——加深休眠防止发芽，或者破除休眠，促进种子萌发。691．延长种子休眠期

①育种选择抗穗发芽品种和休眠期适宜的品种。在成熟期间多雨或贮藏期间容易发芽的条件下，延长种子休眠期或加深种子休眠是减少损失的重要措施，可以根据需要选育具有一定休眠期的品种，禾谷类、豆类、油菜等均可采用这种方法。如小麦的红皮品种一般比白皮品种休眠期长，若从一些优良的白皮品种中选取红皮的变异个体，经繁殖固定，就能得到休眠期较长的新品种。

70②栽培措施调节播期和成熟期，选用生育期适宜的品种，避免逆境（如多雨期）。③药剂处理喷穗发芽抑制剂（如青鲜素MH）抑制禾谷类种子穗发芽，但不能作为种子用；也可喷催熟剂促进成熟（如促麦黄——乙基磺原酸钠），提早收获，避过雨季，减少穗发芽。④转基因技术应用通过转基因技术将外源基因转入种子，使其在成熟期具有一定的休眠特性，减少穗发芽现象的发生。71穗发芽抗性模拟试验转基因种子发芽试验723-941-7CK（Y18）AtRHA2-2rRNAAtRHA2-2转基因株系AtRHA2-2转基因小麦部分株系转录表达分析转基因小麦株系分子鉴定AtRHA2-2转基因小麦部分株系PCR检测AtRHA2-2转基因株系CK（Y18）阳性对照分子量M73双向电泳分析转基因小麦种子萌发期蛋白质组差异 转基因豫麦18 豫麦18 74马铃薯在贮藏过程中如果通过了休眠，就会在播种以前萌发，影响播种及食