棉花種質資源貯藏研究進展

李國榮+孟慶忠+宋志紅+張濤

摘要：棉花（Gossypium hirsutum L.）種質資源的保存方法很多，不同的貯藏方式對棉花種子活力的影響不一致，從而影響所貯藏種質資源的壽命。闡述了溫度、水分、氣體組分等因素對棉花種子耐貯性的影響以及棉花種質資源貯藏研究的進展情況。

關鍵詞：棉花（Gossypium hirsutum L.）;種質資源;貯藏;種子壽命

中圖分類號：S339.3+2;S562 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2015）23-5804-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.003

Research Progress of Cotton Germplasm Resources Storage

LI Guo-rong， MENG Qing-zhong， SONG Zhi-hong， ZHANG Tao

（Institute of Industrial Crops， Hubei Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Cotton Biology and Genetic Breeding in the Middle Yangtze River， Ministry of Agriculture， Wuhan 430064， China）

Abstract： There are many methods to keep the cotton germplasm resources. The effects of different storage methods on the activity of cotton seed are different， which affects the seed longevity. This paper expounded the influence of temperature， moisture， gas components on cotton seed storability and progress in the study of cotton germplasm storage.

Key words： cotton （Gossypium hirsutum L.）; germplasm resources;storage;seed longevity

棉花（Gossypium hirsutum L.）作為主要經濟作物之一，在中國國民經濟中占有極其重要的地位。良種在農業科技中的貢獻率穩定在43%以上，而棉花種質資源則是培育高產優質棉花新品種的物質基礎。中國現保存棉花種質資源6 800多份，主要包括栽培棉、野生種和遺傳材料，類型豐富多樣。其中，陸地棉5 050份，海島棉490份，亞洲棉350份，非洲棉17份，野生種41份，半野生種系400份，種間雜種50多份，收集保存的遺傳材料200份[1]。妥善保存好現有棉花種質資源，深入研究其保存技術，以期為棉花育種及其他研究不斷提供原始材料。

1 ?棉花種子的壽命

棉花種子的壽命是棉花種子從完全成熟到喪失生活力為止所經歷的時間，或者說在一定的環境條件下所能保持生活力的期限。貯藏條件不同，棉花種子的壽命不一樣。在一般貯藏條件下，棉花種子的壽命可以維持3～5年，農業利用年限1～2年[2]。但在低溫、干燥和密閉的條件下，棉花種子的壽命可以維持10年甚至更長的時間。

2 ?影響棉花種子貯藏的主要因素

影響種子耐貯性的因素很多，但總的來說可分為種子的遺傳因子、休眠特性、成熟度、硬實度、含水量、成分及活力等內在因素和貯藏環境的溫度、濕度、物理因素、化學因素等外界因素[3]。水分和貯存溫度是影響種子貯藏壽命的主要因子，適當降低種子含水量和貯藏溫度均可有效延長種子的壽命。有關溫度、種子含水量與種子壽命關系的研究指出：在0～50 ℃范圍內，種子貯藏環境溫度每降低5.6 ℃，種子壽命就提高1倍;在種子含水量為5%～14%的范圍內，每降低1%的含水量，種子壽命就提高1倍。種子理想貯藏的條件是種子含水量4%～6%，溫度-20 ℃或更低，相對濕度15%，適度的低氧，高CO2，貯藏室黑暗無光，避免高能射線等。種子含水量為1%～5%時在-18 ℃的溫度中貯藏，種子的生活力可達1個世紀以上[4]。

2.1 ?水分

水分對種子耐貯性的影響有2個方面，一是種子本身的含水量，二是貯藏環境的濕度。如果種子含水量低于10%，可安全貯藏;高于14%時，種子在較短的時間內就會變質。水分對種子變質極其重要，種子的變質過程隨著水分的增加而愈趨嚴重。種子含水量少，生理活性微弱，呼吸緩慢，能量消耗維持在最低水平。棉花種子貯藏過程中，當種子含水量較高或貯藏濕度較大時，種子內的游離水會使一些水解酶的活性升高，種胚內的生化反應加快，代謝作用增強，游離脂肪酸及游離氮基酸在種子內積累，直接威脅到種子的活力。此外，膜透性增大，大量糖分、氨基酸、無機鹽及脂肪酸等外滲量增多;加之棉子含水量高時，呼吸作用增強，易使種子發熱，霉菌蔓延，進而變質，喪失活力。種子含水量越高，呼吸代謝作用越強，生活力喪失越快[5]。

馮勝利等[6]研究認為棉花種子安全貯藏時的含水量應不超過12%，含水量過高，棉花種子呼吸旺盛，養分消耗加快，同時代謝過程產生的酮類和醛類物質不斷積累對棉花種子產生毒害，導致棉花種子發芽率降低，生活力喪失。且棉花種子含水量過高易受凍，也會導致棉花種子發芽率降低。陳建華等[7]研究表明，濕度是棉花種子安全貯藏的關鍵因子。尹經章等[8]將新疆地區16份棉花品種的棉子裝入布袋，置于普通平房木架上貯藏，結果顯示16份棉花品種保存20多年后平均發芽率仍超過90%。這是因為新疆地區相對濕度小，平均為44.5%，同樣印證了濕度在棉子貯藏過程中的關鍵作用。

2.2 ?溫度

貯藏溫度是影響種子壽命的另一個重要因素。溫度越高，種子的呼吸作用越強，消耗的營養物質越多，生活力下降速度越快[9]。低溫則有利于種子活力保持。一般認為，當貯藏溫度在0 ℃以上時，溫度每增高10 ℃，代謝強度提高2～3倍，每增高5 ℃，種子的貯藏壽命減少一半。

張傳云等[10]對常溫密封、低溫密封和常溫開放條件下保存的棉花種質資源進行了種子活力測定，研究表明，低溫密封條件下貯存的種質資源的種子活力最高;常溫密封下貯存的種質資源的發芽勢和發芽率最高，但成苗率結果顯示，種子活力已呈現下降趨勢;常溫開放狀態下存放的種子活力最低。在低溫下貯存的種子，由于溫度比較低，種子呼吸作用較微弱，營養物質幾乎沒有消耗，因而種子保持了較高的活力，種子在該條件下可貯存15年以上。陳永清等[11]認為，低溫貯藏既能促進棉子發芽率和活力提高，又可保持棉子原有的播種品質。

周大云等[12]通過對常溫、0 ℃和-18 ℃ 3種溫度條件下密閉貯藏4年后的棉花種子進行分析比較，認為0 ℃及以下的低溫能長期保持棉花種子的休眠狀態，可用于棉花種子長期貯藏。休眠的存在延長了棉花種子的壽命，低溫能顯著減緩棉花種子休眠的解除，延緩了劣變的發生。

同時，溫度和水分對種子貯藏的影響又是相互關聯的。較低含水量的種子可以忍耐一定時間的高溫，而在低溫下，較高水分的破壞作用也較小。在同樣的溫度條件下，棉子含水量越低壽命保持越長;含水量相同時，貯藏溫度低的比溫度高的種子壽命長。趙同芳[13]報告指出，含水量為7%的棉子在33 ℃中貯藏3年半無明顯變質;高水分棉子（13%） 在較低溫度 （21 ℃）中貯藏，發芽力維持了半年，以后迅速衰變，在33 ℃中則半年內全都失去發芽力。朱秀玉等[14]研究發現，種子在干燥條件下，一定范圍內的不同儲存溫度對種子發芽力無明顯影響;種子含水量過高對種子發芽力能產生明顯的不利影響。含水量過高，在高溫狀態下因呼吸強度提高導致缺氧并產生有害物質，在低溫結冰狀態下種胚組織因結冰遭受破壞。因此，棉花種子在儲存期間必須保持干燥（含水量12%以下）。

2.3 ?貯藏環境的氣體

貯藏環境的氣體是影響種子貯藏壽命的環境因子之一，但貯藏環境的氣體組分及比例對種子耐貯性的影響因種子的種類而異。一般來講，氧氣有利于種子內部氧化作用發生，加速老化;二氧化碳、氮氣則起相反的作用，延緩衰老。國外有研究認為，室溫和貯藏在氧氣中的種子生活力喪失最快;貯藏在二氧化碳、氮氣或真空中的種子生活力變化沒有顯著差異，在5 ℃和-5 ℃的低溫下，各種氣體對生活力影響沒有顯著差別[15]。通過人為控制貯藏環境內的氣體組成，使其氧分壓約為大氣含量的1/4～1/3，從而抑制貯藏種子的呼吸作用，減緩其新陳代謝速率和生命過程，可以達到長期貯藏種子的目的[16]。

但不同氣體對棉花種子壽命的影響也有研究[3]表明，水分為7%的棉花種子密閉貯藏在空氣、氧氣、二氧化碳或氮氣中，在21 ℃和32 ℃下仍保持其原始生活力;水分為13%時，種子在所有貯藏條件下發芽率降至原始的1/2～2/3;貯藏在氧氣中的種子發芽率的喪失不比貯藏在二氧化碳或氮氣中更嚴重。這不僅說明氣體組分的影響，也說明了氣體與水分的綜合作用。

3 ?棉花種子的保存方法

3.1 ?自然貯藏

目前大批量商業棉花用種多在種子庫內常溫貯藏。相對于糧食作物種子，棉花種子因有厚厚的種皮保護而比較耐貯藏，在常溫條件下種子隔年貯藏仍能保持較高的發芽率[5]。

趙麗芬等[17]研究發現棉花包衣種子在自然貯藏條件下放置3年后，種子的發芽勢、發芽率每年以1.26%～5.78%的速率遞減。第一年發芽率在80%以上的種子放置3年后發芽率仍達78.25%以上，出土率也達68.50%以上，仍可作為種子用。該試驗中，種子用PET塑料袋包裝，防潮性能好，種子庫夏季干燥度也較好，質量好的種子能夠在常溫下多年保存。張香桂等[18]則認為自然貯藏的種子發芽勢、發芽率均低于冷藏的，播種品質自然貯藏的均遠低于冷藏的，因而自然貯藏二年或一年的棉花種子均不能正常使用。

吳立強等[19]從自然條件下貯存的種質材料中選取了1997—2000年貯存的42份棉花種質材料，每年6份材料，其中高酚棉、低酚棉各3份。對連續7年所保存的棉花種質材料進行生活力測定，結果表明，種質資源材料在其收獲第二年生活力最高，以后隨著年限的增加生活力逐年下降，自然條件保存到第七年生活力降至較低水平。李國榮等[20]2004年6月檢測常規掛藏的毛棉子，發現2003年收獲的“109”發芽率為65.0%，2002年收獲的鄂1213發芽率為59.1%，2001年收獲的SGK321和“109”發芽率分別為12.0%和6.7%，表明武漢地區春夏多高溫高濕，常規掛藏的棉花種子貯藏年限不能超過3年。

3.2 ?常溫密閉干燥貯藏

少量棉花種質的保存通常采用常溫密閉干燥貯藏方法。開渭清等[21]用不同的包裝方式在常溫條件下保存包衣棉花種子，一年后發芽試驗結果表明，塑膜袋包裝的棉花種子發芽率未有明顯變化，貯藏棉花種子的出苗率和新鮮包衣棉花種子的出苗率相當。宋益明等[22]研究證實了塑膜袋包裝貯藏棉花種子短期內種子發芽率不受影響。宋玉萍等[23]利用壇貯法貯藏棉花種子，在室內常溫條件下可保存8年之久。

筆者2003年對課題組1973—1987年不同年份用干燥器保存的一批材料進行取樣測定發芽率，并在大田播種種植觀察。研究發現，在湖北武漢地區的室內常溫干燥條件下，棉花種子利用干燥器貯藏16年后，發芽率仍可達到87.3%，1974年貯藏種子的最高發芽率仍達80.4%，且棉花種子播種后，仍能正常發芽并長成植株，進而成鈴吐絮收獲種子[20]。

3.3 ?低溫保存

低溫種質庫是保護種子體植物種質資源的最佳途徑。世界上已收集到的610萬份植物種質資源中，約90%是以種子體形式保存于上千座低溫庫中。棉花有6 768份種質資源保存在我國國家低溫種質庫[24]。

低溫種子庫依據其庫內溫度高低分為3類：長期庫（-18～-10 ℃），種子壽命 50～70年，甚至超過100年;中期庫（0～5 ℃），種子壽命15～20 年;短期庫15～20 ℃，壽命為3～5 年。利用低溫種子庫，種子在保存前還需經過生活力檢測以及干燥、密封包裝等一系列保存前處理，以保證種質資源長期安全保存[25]。低溫保存中，棉花種子以20～25 ℃、相對濕度對30%的條件下自然干燥再進行保存為好[26]。

低溫下棉花種子的耐貯藏性明顯增強。據Stewart等[27]報道，在低溫條件下，干燥的棉花種子經過25年貯藏仍有生活力。王芙蓉等[28]1999年對低溫保存2年的種子進行了發芽試驗，結果表明低溫貯存條件下棉花種子的發芽率均在80%以上，優于在常溫下保存的棉花種子。

陳叔平[29]通過對美國國家種質庫實驗室長期庫中貯藏20年以上的14種作物、650份品種的發芽率變化進行研究分析，認為低溫（-10 ℃或-18 ℃）、種子干燥（種子含水量不超過7%）和容器密封是種子長期貯存的3個重要條件，在此條件下，種子可以貯藏50～70年。該長期庫中的棉花種子，1960年的發芽率為92.4%，1984年的為81.7%，年下降速率為0.428%，下降速率遠低于常溫干燥保存的棉種。

3.4 ?超干燥保存

低溫保存雖是目前種質保存的最佳手段，但其建設投資大、技術要求高，運轉費用較昂貴，對于欠發達地區和一般種質資源保存，還需要在常溫條件下也能達到中長期保存目的的新技術。1980年英國學者Ellis提出了超干燥貯存概念，即先將種子含水量降至5%以下，然后于常溫條件下密封保存[24]。

試驗證明，種子壽命隨含水量下降而延長，當種子含水量低于某一臨界值時，種子壽命將不再延長，甚至會出現種子活力下降的現象，并把這一臨界含水量稱為種子超干最適含水量[30]。目前得到的種子超干臨界水分的作物有大麥3.6%、燕麥3.3%、小麥3.6%、水稻3.0%、花生2.0%、谷子3.0%、綠豆4.9%、蕎麥3.0%、高梁3.0%、棉花2.0%[31]。

中國對種子超干燥貯藏研究的起步較晚，且主要集中在作物種子上。1989年，鄭光華等首先在中國開展了種子超干燥保存研究，并在超干燥種子的生理和細胞學方面取得了一定進展[9]。孫愛清等[32]2003年對棉花種子進行了超干燥貯藏研究，利用氧化鈣超干燥使棉花種子含水量降至2.8%。超干燥貯藏后，由于硬實率明顯提高，直接發芽測定結果表明，超干種子的發芽力、活力低于常規貯藏種子;而破除種皮限制后，超干種子發芽力、活力高于常規貯藏種子。對生理指標的測定結果表明，超干燥貯藏種子的脫落酸（ABA）含量明顯低于常規貯藏種子，而脫氫酶、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性均高于常規貯藏種子。說明超干燥貯藏有利于棉花種子活力的長期保持，但發芽前需要破除種皮。緩濕處理可使棉花超干燥貯藏種子的發芽力、活力顯著提高，相對電導率和ABA含量明顯降低，對赤霉素（GA3）和異戊烯基腺苷（iPAs）含量亦有明顯的提高作用，而對脫氫酶、POD、SOD活性無明顯影響。由此認為，棉花種子對超干燥貯藏有良好的適應性，需要長期貯藏的種質、原種可以用超干燥貯藏達到長期保持種子壽命的目的，但應用前應采取有效措施破除硬實。

3.5 ?超低溫冷凍保存

超低溫冷凍保存是一種操作簡單的保存方法，成本低廉，不需要機械控制設備，沒有電力消耗。但由于缺乏穩定的液氮源，且在實際應用中需頻繁補充液氮，用該法保存種子不如低溫庫方便，因此，在中國超低溫技術保存作物種子資源的報道較少。

國外有研究者將棉花種子在液氮低溫環境中貯存180 d，然后轉移到室溫條件下測其發芽率，發現貯藏在液氮環境中若不直接與液氮接觸，種子發芽率和田間表現不受影響。但直接浸在液氮中貯藏的種子，盡管發芽率不受影響，但出苗后幼苗的葉片受到顯著的不利影響[5]。超低溫貯藏的種子含水量以4%～12%為好，高于12%會顯著影響種子的發芽率。在冷凍條件下干燥的棉花種子經過37年貯藏仍有發芽能力。

綜上所述，棉花種質資源的保存方法很多，但各有利弊。低溫貯藏在今后一段時間內仍是種子貯存的主要方法，但低溫貯藏耗資巨大，運轉費用高，欠發達地區難以推行;超干燥貯藏具有投資少、能源省、種子壽命長等特點，有著非常廣泛的應用前景，但超干燥貯藏中的超干燥種子吸水損傷問題和脫水技術問題仍是當前需要解決的難題;在常溫條件下，通過干燥密封貯藏來延長種子的壽命是可行的，也是一種經濟有效的種子保存方法。如何使棉花種質資源既能夠得到最好地保存，又能最大限度地省力、省物、省錢，確保育種工作順利開展，取得更大突破，這是今后工作的又一重點。

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