越南槐种子超低温保存及其脱水耐性与超低温耐性的生理机制研究

The long-term conservation of germplasm resources of medicinal plants is becoming more and more significant and urgent. Seed storage is the most ideal way for long-term conservation of plant germplasm resources. Nanyao, a large class of traditional Chinese medicine, most of whose orginal plants produce non-orthodox seeds whose long-term conservation can't generally be achieved so far.Cryopreservation, at present, is the exclusive technology by which a long-term conservation of non-orthodox seeds can be achieved. The investigation on cryopreservation of non-orthodox seeds are increasing, however successful cases are very less, which is because of that the mechanism of response to desiccation and cryopreservation in non-orthodox seeds are still known less. In this research project, seeds of Sophora tonkinensis var. tonkinensis whose roots are used as the materials of Chinese traditional medicine as experimental materials, by observing the changes in cellular structure, determining the changes of the relative electric conductivity, activity of antioxidant system enzymes and the content of antioxidants, and analyzing the changes of protein expression profiles after desiccation and cryopreservation, the mechanisms of response to desiccation and cryopreservation are investigated, with an attempt that the mechanisms of cryopreservation for non-orthodox seeds being known more and better and new understanding and technologies being provided to cryopreservation of other non-orthodox seeds, especially seeds of most of Nanyao original plants.

药用植物种质资源的长期保存正变得越来越重要与迫切。种子保存是植物种质资源长期保存最理想的方式。作为中药的一大类，南药，其大部分基源植物产生非正常性种子，目前无法普遍实现长期保存。超低温保存目前被认为是非正常性种子获得长期保存的唯一技术。近年来国内外对于非正常性种子的超低温保存研究很多，但成功的实例很少。其根本原因是对非正常性种子的脱水耐性与超低温耐性机制知之甚少。本项目以珍稀的广西道地药材--广豆根的基源植物越南槐的种子为研究对象，通过细胞学观察、相对电导率测定、脂类物质含量测定、抗氧化防御系统酶活性和抗氧化剂含量的测定，以及蛋白质组学技术，对其在脱水和超低温保存后的响应机制进行研究，以期获得对非正常性种子超低温保存方面相关机制的更多理解，为非正常性种子，特别是大部分南药基源植物种子的超低温保存提供新的知识与技术。

项目背景：药用植物种质资源的长期保存正变得越来越重要与迫切。种子保存是植物种植资源长期保存最理想的方式。南药的大部分基源植物皆产生非正常性种子，目前无法普遍实现长期保存。超低温保存目前被认为是非正常性种子获得长期保存的唯一技术。近年来国内外对于非正常性种子的超低温保存研究很多，但成功的实例很少。其根本原因是对非正常性种子的脱水耐性与超低温耐性机制知之甚少。.研究内容：以广西道地药材越南槐的种子为研究对象，通过细胞学观察、抗氧化系统分析，以及蛋白质组学技术，对其在脱水和超低温保存后的响应机制进行研究，以期获得对非正常性种子超低温保存方面相关机制的更多理解，为非正常性种子，特别是大部分南药基源植物种子的超低温保存提供新的知识与技术。.重要结果：越南槐种子应为中间性种子，最适萌发温度范围15～25°C，且为光中性种子。超低温保存的最佳方案为：将脱水至10%左右含水量的种子先装入冷冻管后再投入液氮保存，解冻后的存活率高达83.0 ± 2.9%。具有很厚的胚乳和很小的胚，且胚轴细胞富含脂质体可能是越南槐种子经适度脱水处理后易于超低温保存的重要原因之一。抗氧化防御系统中的三个关键酶：SOD、APX和CAT在脱水及随后的超低温胁迫中也起到了一定程度的保护作用。蛋白质组学分析显示，脱水和超低温保存分别引起了大量蛋白的差异表达，差异表达蛋白的COG功能分类分析表明，脱水及随后的超低温胁迫所涉及的生理过程非常相似，都涉及蛋白翻译及翻译后修饰、糖的运输与代谢、能量生产与转化，以及信号转导等生理过程，这或许说明脱水处理使越南槐种子在生理上为随后的超低温保存做好了准备。.关键数据：最是萌发温度范围为15～25°C；脱水至10.1%含水量的种子超低温保存后的存活率可达83.0±2.9%。.科学意义：从形态、生理和分子方面初步阐释了越南槐种子对脱水及随后超低温保存的响应机制，也初步探明了脱水耐性和超低温耐性之间的关系，为解决中间性种子的脱水耐性和超低温耐性机制问题提供了重要数据和研究示范。