药用植物种子贮藏的研究进展

隋昕，姜业成，于海娇，邢丽伟，郭靖，于营※

（1.中国农业科学院特产研究所，吉林 长春 130112；2.吉林省农业科学院资源与环境研究所，吉林 长春 130112；3.吉林省知识产权保护中心，吉林 长春 130000；4.呼伦贝尔市海拉尔区农牧技术推广中心，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

随着药用植物的市场需求不断扩大及种植技术的成熟，人工种植药用植物的面积不断扩大，药用植物种子的需求也随之增加。种子是药用植物新品种选育和发展农业生产的物质基础，也是进行药用植物生物学研究和种质保存的重要材料。作为一种繁殖器官，种子在药用植物的繁衍中起着重要作用。同时，种子作为重要的种质资源，积累了由自然演化的遗传性状及人工引起的遗传变异。药用植物种子贮藏期间的劣变对种子活力有很大影响，现对贮藏时影响药用植物种子寿命的多种因素、贮藏过程中种子的一系列变化以及种子的贮藏方法等方面进行综述，为延长药用植物种子贮藏期限以及药用植物种子的贮藏安全提供参考。

1 贮藏条件对药用植物种子活力的影响

1.1 环境因素

1.1.1 贮藏湿度在种子贮藏时，环境湿度过高易导致细菌滋生，种子会发生霉变；同时也会引起种子含水量升高而发生一系列代谢反应产生热量，热量累积易烧坏种子[1]。因此，对种子贮藏过程中湿度的把控十分重要。不同药用植物种子对贮藏湿度的要求有所不同，过高或过低的贮藏湿度都会缩短种子的寿命。红藤种子在15℃条件下贮存时，种子发芽率会随着贮藏介质湿度的上升而上升，当贮藏介质湿度在50%~65%时，红藤种子保持在29%~31%的安全含水量的范围内，此时种子的发芽率高于贮藏前种子的发芽率[2]。在对药用植物种子的研究中，研究者大多关注贮藏温度、种子含水量等问题，对种子贮藏湿度的研究较少，有待继续挖掘关于贮藏湿度的相关问题。

1.1.2 贮藏温度贮藏温度影响着种子的寿命，在0~50℃范围内，随着贮藏温度的升高，种子寿命明显降低。独活种子在室温贮藏320 d时发芽率为0.4℃贮藏的条件下种子发芽率为24.25%，在-15℃贮藏的条件下种子发芽率为40%[3]；红砂种子抗氧化酶系统随着贮藏温度的升高而逐渐破坏，膜系统损伤严重，贮藏温度小于-8℃时适宜种子贮藏[4]。对黄精、白鲜和芍药等种子的研究表明，温度较高时，种子代谢活动增强，逐渐消耗有机物质，有毒物质不断积累，种子寿命变短；温度较低时，种子呼吸作用减弱，代谢活动减慢，可延长种子寿命[5,6]。

1.1.3 通气条件种子在贮藏过程中，气调贮藏通过氮气（N2）、二氧化碳（CO2）及氩气（Ar）等惰性气体含量的增加调控气体结构组成，减少氧气（O2）含量，抑制种子的呼吸强度及氧化作用，有效降低了种子的氧化损伤，延长种子贮藏的期限，是一种安全、环保、有效的技术手段[7]。于新等[8]在银杏种子的气调贮藏研究中发现，种子的霉变率、硬化率、呼吸强度和失水率随O2浓度的增加而提高；N2、CO2、二氧化硫（SO2）与O2作用相反，其中SO2对银杏种子的作用效果尤为明显，它对磷酸二酯酶（PE）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）3种酶有显著的抑制作用；银杏种子的适宜气调贮藏条件为3%~5% O2、低于70% N2、3 %~5%CO2以及低于10%SO2。有学者研究发现种子包装材料的透气性也影响种子的寿命。秦艽种子适宜在纸袋中（4±1）℃条件下贮藏[9]；青蒿种子低温贮藏时适宜在布袋中贮藏，在塑料袋和纸袋中贮存效果稍差，瓶装效果最差[10]；缬草低温贮藏时纸袋贮藏效果优于不透气的聚乙烯塑料管[11]。此外，药用植物种子在生产实践中堆积贮藏时，应定期检查翻倒种子，注意种子的通风散热，避免种子因呼吸积热、细菌侵染等引发霉变和损耗[12]。

1.2 种子自身状态

1.2.1 遗传因素依据种子寿命的长短，种子可分为3种类型，寿命小于3年的为短命种子，寿命在3~15年的为中命种子，寿命在15年以上的为长命种子[13]。种子自身的寿命特性影响其贮藏时的活力，寿命长的种子在贮藏中劣变速度相对较缓。依据种子的贮藏特性不同，可分为正常型、中间型和顽拗型3种类型的种子。桔梗、人参、红花和黄芩等正常型种子在干燥状态下可存活相对较长的时间，适合低温及低含水量贮藏；高姜良、肉豆蔻、细辛和三七等顽拗型种子成熟时具有较高的含水量，含水量低时种子易失活，常规低温贮藏易造成冰晶损伤，常温贮藏存放时间较短；中间型种子介于二者之间，对低温环境敏感，能忍耐一定程度的脱水，但干燥至相对低的含水量（7%~12%）时会造成种子损伤，无法在低温、低含水量条件下长期保存[14,15]。种子的寿命在很大程度上受遗传因素的影响，深入研究不同物种种子的遗传特性，可有效提高种子贮藏的期限。

1.2.2 种子含水量种子含水量会直接影响其贮藏的寿命，种子含水量越高其代谢活动越强，内源物质消耗速度加快，有毒物质加快积累，种子寿命缩短。不同药用植物的种子贮藏的适宜含水量有所不同，党参种子常温贮藏15个月后，含水量1.58%~3.37%的种子发芽率在90%以上，含水量6.17%的种子发芽率仅为36.25%[16]；白术种子室温贮藏1年后，含水量12.05%的种子发芽率为0，含水量5.5%的种子发芽率为40%[17]。可见，探究药用植物种子贮藏的适宜含水量对延长种子寿命有重要意义。

1.2.3 其他因素种子的贮藏寿命受其自身结构、成熟度和饱满度等多种因素影响，即使是同一品种的种子品质也存在差异，在贮藏前对种子质量的把控十分重要。种皮可防止害虫和微生物等侵袭而保护种子，但种皮硬实会限制水分吸收，对种子发芽率产生负面影响[18-20]，蒙古黄芪、甘草和紫云英等硬实种子可贮藏较长时间，但其萌发时需对种皮进行处理才能提高发芽率[21-23]。成熟度高的知母种子贮藏后发芽率和出苗率高[24]。凤丹种子在4℃和25℃的条件下贮藏60 d后，发芽率随种子成熟度的增加而升高[25]。

2 种子贮藏过程中的生理生化变化

2.1 有机物质的变化

种子的有机物质主要分为脂肪、蛋白质和糖3大类，这些物质为种子的生命活动提供能量[26]。种子呼吸作用的底物主要来自糖类，磷脂和蛋白质是组成细胞膜的主要成分。有研究显示，在逆境条件下可溶性蛋白与可溶性糖参与细胞的渗透调节，提高种子的抗逆境能力[27]。当归种子在15℃的条件下贮藏10个月，可溶性糖含量变化幅度较小，蛋白质含量呈下降趋势[28]；室温贮藏1~8年的沙葱种子可溶性糖含量逐渐下降，可溶性蛋白质含量呈先上升后略有下降的趋势[29]。随着种子贮藏时间的延长，种子的有机物质不断代谢消耗及相互转化，不同种子有机物质的变化规律不同，但最终有机物质都趋于减少趋势，减慢有机物质的消耗速率可以延缓种子失活。

2.2 酶活性的变化

酶参与了种子全部代谢及生命活动，并起到了重要的催化调节作用。种子体内很多酶促反应极易受温度影响，温度较高时酶促反应剧烈，温度过高时酶蛋白结构被破坏而失去活力，温度较低时酶促反应缓慢，有利于种子延长寿命。大量研究显示，种子在贮藏过程中过氧化物和自由基不断产生与积累，质膜因膜脂过氧化而完整性降低，种子逐渐劣变最终失活[30]。谷胱甘肽还原酶（GR）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）、CAT、POD和超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶在种子贮藏过程中可以清除种子体内的自由基及过氧化物，起到抗氧化作用。白鲜、芍药和北细辛等的种子随着贮藏时间的延长CAT、SOD及POD等抗氧化酶活性逐渐下降[6,31]。种子体内的酶促反应是一个复杂的过程，不同种类酶的变化也各不相同，通过酶活性的变化可以在一定程度上反映出种子贮藏期间的生理生化变化规律。

2.3 有毒物质的积累

在种子中，活性氧（ROS）如超氧化物、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基等会氧化细胞成分，造成膜系统损伤和蛋白质、DNA等功能障碍，导致膜脂过氧化，被认为是损害细胞膜的完整性的首要因素[32]。超氧阴离子（O2）是大多数ROS的前体，可以歧化产生H2O2，H2O2可以自由穿过细胞膜并产生具有高攻击性的HO[33]。同时，O2也是氧化链反应的介质，可与其他自由基反应，如与NO反应生成亚硝酸根[34]。不同含水量的蒙古黄芪种子在贮藏12个月后产生速率和H2O2含量均呈上升趋势[35]。作为膜脂过氧化作用的主要产物之一，丙二醛（MDA）具有很强的毒性，对细胞膜结构的损伤有很大影响，MDA含量过高会加剧质膜完整性的破坏，还会抑制抗氧化酶活性，降低其对自由基和过氧化物的清除能力。北细辛、香椿和黄精等的种子MDA含量随贮藏时间的延长而不断增加[5,31,36]。种子在贮藏过程中会发生阿马道里-美拉德反应（Amadori-Maillard reactions,A-M），该反应产生的物质会抑制抗氧化酶和DNA修复酶等的活性，并通过非酶促反应糖基化修饰造成蛋白质和DNA功能和结构改变，最终导致蛋白质降解和染色体畸变[37,38]。有研究表明，酮醛类、高级糖基化合物、过氧化氢和糖化蛋白等反应产物会随种子贮藏时间的延长而不断增加，种子自我修复能力和抗胁迫能力下降，最终劣变失活[39,40]。、MDA、H2O2和美拉德产物等有毒物质的含量与种子的活力呈负相关，是反映种子膜脂过氧化程度和劣变程度的重要指标。

2.4 遗传物质的变化

种子在贮藏过程中的劣变伴随着核酸降解，其完整性被破坏[41]。种子细胞内自由基逐渐积累，DNA链上脱氧核糖的糖基以及嘧啶、嘌呤的碱基受到破坏，DNA双链结构因糖基的破坏而解链，从而造成染色体异常和畸变，包括联桥、断裂、突变和缺失等[42,43]。种子贮藏中的劣变引起遗传物质含量下降，产生缺陷并逐渐积累，种子修复能力下降，DNA出现片段化，最终造成无法逆转的损伤[44]。川牛膝种子老化后根尖分生组织染色体出现落后、单桥、双桥和多桥等畸变现象[45]。与DNA相比，RNA的单链结构更容易受到环境信号的氧化损伤。RNA结构的损伤会影响基因的转录和翻译，低活力的种子会表现出蛋白质等代谢的改变[46]。鲁海坤等[47]在研究蒙古黄芪种子老化时发现5,10-亚甲基四氢叶酸、二氢叶酸等代谢物质的含量逐渐增加，葡萄糖基神经酰胺、棉子糖等含量逐渐减少。种子在贮藏过程中逐渐老化，合成蛋白质、DNA和RNA等生物大分子能力降低，随着种子老化加剧，合成遗传物质的酶活性降低，新的遗传物质合成较慢甚至无法合成，受损的遗传物质无法修复，这也是种子最终失活的重要原因之一[48]。

3 药用植物种子的贮藏

3.1 超低温贮藏

种子的超低温保存是指种子贮藏在液氮（-196℃）、超低温冰箱（-80℃）等环境中，此时种子的代谢活动处于极为缓慢的状态，从而延长种子寿命，使种子可以长期贮藏[49]。该技术可应用于药用植物种质资源的保存，但其成本较高，无法在生产中大批量保存种子。超低温贮藏包括包埋脱水法、玻璃化法、预冻法和两步法等，其中两步法和玻璃化法较为常用[50]。目前红豆杉、降香黄檀和白木香等种子在超低温保存方面的研究取得了很大的进展[51-53]。有研究显示，液氮超低温贮藏对种子的萌发有促进作用。杜若、过江藤和皱果苋等种子贮藏在液氮中，经直接冷冻、缓慢冷冻及玻璃化冷冻等不同处理后种子发芽率高于对照组[54]，有学者猜测是液氮冷冻打破了种子休眠，但超低温贮藏对种子的影响及其促进种子萌发的机制还需要深入研究。

3.2 超干贮藏

种子的超干贮藏是指含水量低于5%的种子在室温下贮藏，是通过降低种子含水量代替低温贮藏从而达到相同贮藏效果的一种贮藏方法。超干贮藏成本较低，但一般适用于正常型种子，顽拗型种子和中间型种子会因水分过低而干燥失活。硅胶干燥高效低耗、操作简单，是常用的超干处理方法，但部分药用植物种子超干困难，需运用真空冷冻干燥进行超干处理[55]。郑晓鹰等[56]研究发现番茄种子经真空冷冻干燥、加温干燥、硅胶干燥或低温低湿干燥处理后常温贮藏10年发芽率仍在90%以上。含水量2.921%~4.645%的塔落岩黄芪种子室温贮藏12个月后发芽率在80%左右[57]；含水量3.3%的杜仲种子贮藏2年后发芽率为97%[58]；含水量3.1%的沙芥种子在20℃下贮藏1年，发芽率为97%；含水量2.2%的斧形沙芥种子在20℃下贮藏1年，发芽率为100%[59]。探究药用植物种子超干贮藏的安全含水量范围对药用植物的种质资源保存有重要意义，是非常值得研究的课题。

3.3 种质库保存

种质库主要贮藏耐干燥和低温的正常型种子，是以种子为繁殖和遗传材料进行资源保存的方法，具有简单、普遍和性价比高等特点。药用植物种子种质库的保存条件分别为中期库（温度-4℃±2℃，相对湿度<45%）、长期库（温度-18℃±2℃，相对湿度<50%）[60]。目前我国已在北京、四川和海南建立了国家药用植物种质库。芍药种子在中期库和长期库贮藏1年后发芽率在94%左右[6]。在中期库贮藏4年后，荆芥种子发芽率下降了2.2%，黄芩种子发芽率下降了5.4%，桔梗种子发芽率下降了8.9%，党参种子发芽率下降了14.3%，益母草种子发芽率下降了12%，穿心莲种子发芽率下降了12.2%，冬凌草种子发芽率下降了17%[61]。目前，种质库保存的药用植物种子活力监测时间还比较短，应长期监测其活力变化，以确定种子更新时间[62]。

3.4 仓储保存

种子仓库是生产中保藏种子的场所，广泛应用于种子的商品化生产及大批量储存，有安全、便捷和成本低等特点。依据种子的堆装形式可分为散装仓库和包装仓库；依据温度可分为低温库（≤15℃）、准低温库（15~20℃）和常温库。杜松种子在冷藏（5℃）、泥房（15℃）、混凝土房（17℃）以及铁房（20℃）中贮藏42个月后，在冷藏室中贮藏的种子发芽率最高，其次是泥房、铁房和混凝土房[63]。含水量低于12.2%的香椿种子在贮藏温度低于15℃的条件下贮藏90 d后发芽率高于65%，含水量低于9.1%的香椿种子在贮藏温度15~20℃条件下发芽率高于65%[36]。含水量小于8.5%的白花桔梗种子在室内及室外贮藏12个月后发芽率均在95%以上[64]。在种子仓储中，可依据种子贮藏的研究结果和实际的生产情况对种子的仓储条件作出适当调整。

4 展望

我国有药用植物11 146种，其中栽培品种达300多种。现阶段，桔梗、蒙古黄芪和黄精等少数药用植物种子的贮藏研究取得一定的进展，但是研究工作不够系统和全面。药用植物种子贮藏是一项长期的工作，仍有许多问题有待解决，诸如药用植物种类繁多，多种药用植物种子贮藏特性、贮藏温度、安全含水量和适宜的贮藏方式等尚不明确，有待进一步研究；对药用植物种子贮藏的研究多集中在种子活力及生理生化方面，在基因和通路等方面研究较少，可通过组学研究包括转录组、代谢组和蛋白质组等研究挖掘种子劣变的机制和原理，也可对种子的超微结构进行观察研究，探究种子贮藏中劣变的过程和规律，为延缓种子劣变和种子修复提供理论基础；药用植物种子的商品化处理有待发展，贮藏技术推广应用到药用植物种子商品化处理中，可减少种子的成本损耗，种子贮藏后的修复也会提高药用植物的生产效率，如何降低种子加工、贮藏成本以及提高种子的修复效果是需要解决的问题。