超低温生物技术打造植物种子“生命方舟

时间: 2023-09-26 15:59:04 |   作者: 栽培技术

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  随着环境恶化，地震海啸、极端天气等自然灾害威胁植物生殖繁衍，野生资源和地方品种的消亡速度慢慢的变快。未来可持续发展要维护生物多样性，种子库将成为“生命方舟”。是通过细胞培养技术和超低温保存技术的结合，以实现细胞、组织、器官乃至个体水平的种质资源长期安全保存。超低温生物技术在具顽拗型种子的极度濒危植物、重要农作物及其野生近缘种的长期保存中发挥及其重要的作用。利用超低温生物技术，能够忍受极端干燥和低温的种子可以存活至少100年。现今，种子库在全球增长到1750多个，保护了超过5万种植物。

  种子库一般指种质资源库，同时是种质基因库，其保存条件涉及种子生理代谢的各个层面，可保存的时间长短依种类不同而异。常见的保存方法有4种，保存在5℃或更低温度条件下最为普遍，此外，也可将含水量为5 %～7 %的种子保存于密闭容器中或相对湿度低于20 %的条件，甚至可将种子保存在液态氮中（-196 ℃）。有生命活力的种子都要进行生理代谢，所以种子的保存时间还是有限的，需要定时进行检测，当种子的发芽率低于20 %时，就需要更新种子。

  那些难以得到种子或种子不易保存的种类，一般以培养组织在低温（-2 ℃）的条件下进行长期保存，但长期继代培养的组织会产生染色体断裂而导致遗传基因的不稳定性。若将培养组织保存在液态氮中，则能保持其遗传稳定性。

  植物种质资源超低温保存一般是在液氮条件下保存植物细胞、组织或器官。在如此低的温度下，调节和控制细胞生长代谢的各类酶的作用受到极大抑制，新陈代谢活动基本停止，但能保持正常细胞的活性、形态发生潜能和遗传稳定性，进而达到长期保存植物材料的目的。

  如图2所示，种子贮藏的寿命能通过温湿度模型来预测，当温度处于−20 °C到60 °C，相对湿度在80 %到30 %，大约温度每下降6 °C-10 °C，寿命就增加两倍。干燥处理后的种子在5 °C-10 °C可存活25-50年，在零下18 °C-20 °C可以存活100-200年。

  油脂是油料作物种子的主要贮藏物质之一，种子萌发时膜脂中的三酰甘油被酶解为脂肪酸和甘油。三酰甘油在0℃到-10℃容易粘稠化结晶，因此种子储存在-10 ℃到-20 ℃，能延续种子的存活年限。此外中等的冷却速率（20 °C-40 °C/min）能抑制三酰甘油的结晶，而液氮提供的低温也可防止重结晶。因此，低温可以破除三酰甘油的热效应，抑制种子萌发。

  根据种子的贮藏特性将种子分成两大类, 即正常型种子（orthodox seeds）和顽拗型种子（recalcitrant seeds)。顽拗型种子是指不耐失水的种子，它们在贮藏中忌干燥和低温。产生顽拗型种子的植物主要有2大类：

  2）具大粒种子的多年生木本植物，这中间还包括一些热带作物如可可、橡胶和椰子等。

  据文献资料总结发现有195种植物种子属于顽拗型，分属78个科和195个属。顽拗型种子的出现与植物群落的演替状态有关, 与顶级植被有关的植物种子属于顽拗型的可能性比较大。结合使用干燥和快速冷却技术来固化细胞质是贮存顽拗型种子主要策略。由于顽拗型种子多产自热带雨林或亚热带森林的主要乔木和优势种,掌握顽拗型种子的诱导休眠技术,对于热带雨林的保护和生态恢复具备极其重大的实际意义。

  我国最大的国家作物种质库位于北京。另一个长期库是位于青海西宁的备份库，还有一座位于云南昆明的中国西南野生生物种质资源库，这是亚洲最大，世界第二大的“末日种子库”。国家作物种质新库正在建设，地址位于中国农科院内。届时，中国的种质资源库库存容量150万，将超过美国（近60万份），位居世界第一。

  专利申请转基因植株快速检测组织培养酵母双杂交遗传学技术服务、SNP分型、高同源区段SNP分型、目标区间重测序、甲基化测序植物抗体

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