种子的耐干性及其超干贮藏下的水分热力学分析＊程红焱１郑光华１秦红１陶嘉龄２周明德３（１中 国科学院植物研究所植物园，北京１０００９３；２联合国粮农组织，罗马；３国际植物遗传资源 研究所东亚办事处，北京）提要以油菜、芝麻、花生、大豆和榆的种子为材料，用Ｖａｎ＇ｔＨｏ ｆ和Ｄ’Ａｃｒｙ／ｗａｔ热力学分析方法对种子水分的热力学吸附特征进行了分析，发现对超干 处理较敏感的榆和大豆种子的热力学参数Ｋ与Ｋ’值比油菜、芝麻和花生等耐干种子的小，即在低 的相对湿度环境中种子对水分的吸附力量和吸附位点数目都比耐干种子的小。根据Ｃｌａｕｓｉｕ ｓ－ｃｌａｐｅｙｒｏｎ分析发现大豆和榆种子的△Ｈ最大负值峰要比其它耐干种子的低，说明不 耐干种子对水分的束缚能力低，较易失去吸附等温线上第一吸附区域的强吸附水，继而引起大分子 构象的变化。从热力学角度探究了种子对水分敏感的原因。另以水稻种子为材料，发现吸湿回干处 理可以提高水稻种子的热力学参数Ｋ与Ｋ’值（即水分强吸附位点数目及力量），增加了种子对吸 附等温线上第一吸附区域的水分的束缚能力，从热力学角度分析了吸湿回干处理提高水稻种子耐干 性的原因。关键词种子；热力学分析；超干贮藏有关植物细胞水分的关系及其作用前人已有过深入 而系统的论述。水分由于亲水和疏水的相互作用，可以影响大分子的结构，如膜脂和核酸的结构排 列。一般生物大分子的变化大约在０．２０～０．４０（％，ｄｗ）水分水平时就开始发生，相对 失水也导致蛋白质结构及生物膜磷脂蛋白层物相的变化。近年来种子超干贮藏方面的研究证实种子 细胞在水分极低水平下仍然能保持良好状态，而且强度失水的种子的耐藏性得以提高，但是目前对 种子细胞本身与其脱水忍耐度之间的关系尚未进行研究。种子内含物成分与超干贮藏效果固然有密 切的关系，但是水分的存在状态对控制水分的丢失极为重要。对种子水分及与其相互联系的干物质 存在的状态已经有了定性的了解，即自由水与束缚水，后者又可分为胶合水和化合水，但是要了解 种子中水分存在的状况与种子耐干程度及超干贮藏效果之间的关系，还需对其有一个客观的定量分 析。水分的热力学吸附特征分析是研究水分束缚状况的方法之一〔３〕。水分的吸附特征是生化物 质的化学组份和温度在一定水合状态下的反应，随温度和湿度的变化而造成的吸附特征的改变可以 指示细胞组份的水合情况及结构的变化。应用水分的吸附特征已在许多生物材料中研究了水分的状 态，如蛋白质〔２，４〕、血红细胞膜〔９〕、种子〔７，１１～１７〕等。试验于１９９４～１ ９９５两年重复进行，选用不同类型的种子（包括淀粉质、油质、蛋白质、耐干品种及对水分敏感 品种的种子），比较了对超干有不同耐受程度及不同超干贮藏效果的种子之间吸水特征的差异，从 水分的热力学吸附特征角度对种子的耐干机制进行了初步探讨。１材料与方法１．１材料供试种子 有油菜（ＢｒａｓｉｃａｃａｍｐｅｓｔｒｉｓＬ）、芝麻（Ｓｅｓａｍｕｍｉｎｄｉｃｕｍ）、 花生（Ａｒａｃｈｉｓｈｙ－ｐｏｇａｅａＬ）、大豆（Ｇｌｙｃｉｎｅｍａｘｍｅｒ）、榆（Ｕ ｌｍｕｓｐｕｍｉｌａ）、水稻（Ｏｒｙｚａｓａｔｉｖａ，包括杂交稻和普通稻两个品种）。１ ．２研究方法１．２．１超干种子的获得及保存采用硅胶室温干燥，超干种子密封于铝箔袋中，室 温下贮藏。１．２．２种子含水量测定根据《国际种子检验规程》（ＩＳＴＡ）〔１〕，用低恒温 烘箱法测定。３次重复。大豆、水稻和花生种子须磨碎后测定；烘干有效面积为０．２ｇ／ｃｍ２ 。１．２．３种子发芽率测定根据《国际种子检验规程》（ＩＳＴＡ）测定〔１〕。油菜、芝麻和 榆每次测定１００粒种子；花生、大豆和水稻５０粒种子。均为４次重复。１．２．４种子水分吸 附等温线测定在１０℃与３０℃下，将５０ｇ种子置于具有一系列不同相对湿度的密闭容器中（不 同相对湿度通过不同的盐饱和溶液获得），在种子水分与环境达到完全平衡（即种子重量不再增长 ）后测定种子含水量，绘制种子ＷＣ（种子含水量）随ＲＨ（相对湿度）变化的曲线，即种子在１ ０℃和３０℃下的水分吸附等温线。试验结果为３次重复的平均值。１．２．５水分热力学分析方 法见结果与讨论。１．２．６杂交水稻种子吸湿回干（Ｈ－ＤＨ）处理种子先以水湿润，随即铺于 滤纸上，再在上层覆盖两张湿滤纸，使其缓慢吸湿后回干。如此重复１次。以不经吸湿回干处理为 对照。２结果与讨论２．１阐明种子中各种类型水分存在状况的热力学方法研究水分的热力学吸附 特征的方法之一就是通过测定种子中水分的吸附等温线〔５，６，８，１１，１３，１４〕，利用 Ｖａｎ＇ｔＨｏｆ和Ｄ｀Ａｃｒｙ／ｗａｔ分析方法测得束缚水分的不同吸附类型和各自的吸附情 况。Ｄ｀Ａｃｒｙ／ｗａｔ方程：Ｗ＝ＫＫ＇（Ｐ／Ｐ０）１＋Ｋ（Ｐ／Ｐ０）＋Ｃ（Ｐ／Ｐ０） ＋ｋｋ＇（Ｐ／Ｐ０）１－ｋ（Ｐ／Ｐ０）方程由三项构成，分别代表３种水分吸附类型并分别对 应于吸附等温线上３个区段（ｒｅｇｉｏｎ１，ｒｅｇｉｏｎ２，ｒｅｇｉｏｎ３）。式中第一项 代表以单个水分子为结合对象的强吸附位点所结合的水，这部分水一般是与离子基团结合，在相对 湿度小于１５％时仍存在于细胞中，是种子在干燥状态下吸附水的主要成分；第二项代表以多个水 分子为结合对象的弱吸附位点所结合的水，一般是以氢键与极性非离子基团结合为胶体状的水分， 相对湿度为２０％～６０％时可在细胞中探测到；第三项代表松散结合的多分子水，相对湿度大于 ６０％时存在于细胞内，一般是与大分子的疏水端结合或吸附于已吸附的水分子上，属于自由水。 Ｐ／Ｐ０为相对水汽压；Ｋ、Ｋ＇与ｋ、ｋ＇分别代表方程式中第一项与第三项中吸附水的位点对 水的吸附力量和吸附位点数目；Ｃ代表方程式中第二项的吸附水位点的数目及吸附力量。在水分吸 附等温线上找出５个ＲＨ作为（ｐ／ｐ０）值以及对应的纵坐标ＷＣ作为ｗ值代入Ｄ’Ａｃｒｙ／ ｗａｔ方程，解方程组求得热力学参数Ｋ、Ｋ’、ｃ、ｋ、ｋ＇值（计算Ｋ、Ｋ＇时，取０％～２ ０％ＲＨ区域的５个点；计算ｃ值时，取２０％～６０％ＲＨ区域的５个点；计算ｋ、ｋ＇值时， 取大于６０％ＲＨ区域的５个点）。Ｃｌａｕｓｉｕｓ－ｃｌａｐｅｙｒｏｎ方程：△Ｈ＝Ｒ×Ｔ １×Ｔ２Ｔ２－Ｔ１Ｌｎ（ａｗ１／ａｗ２）式中△Ｈ是一定水分含量下的热差焓（Ｄｉｆｅｒｅ ｎｔｉａｌｅｎｔｈａｌｐｙ），即所测温度范围内一定表面盖度下的吸附热量，反映吸附位点对 水的束缚能力；ａｗ１、ａｗ２分别为温度Ｔ１、Ｔ２（本试验温度为３０℃和１０℃）下的相对 水汽压（Ｐ／Ｐ０）；Ｒ为理想气体常数（８．３１４Ｊ／Ｋ·ｍｏｌ）。２．２不同种子中的水 分存在状况的热力学分析２．２．１不同种子的水分吸附等温线常规种子的水分吸附等温线具有反 Ｓ型特征，并呈现出３个明显的区段：ｒｅｇｉｏｎ１、ｒｅｇｉｏｎ２、ｒｅｇｉｏｎ３，分别 对应于Ｄ｀Ａｃｒｙ／ｗａｔ公式中的３项；而顽拗型种子的水分吸附等温线是简单的双曲线，这 两类种子对水分的吸附从吸附等温线上反应出明显的不同。而常规种子中耐干能力的比较则要对各 种热力学系数有详细的了解。表１是１０℃和３０℃时５种种子在一定相对湿度下达到水分平衡后 的含水量，图１是根据表１数据制得的几种类型种子的水分吸附等温线。表１１０℃和３０℃时５ 种种子在一定相对湿度下达到水分平衡后的含水量Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ ｓｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔｃｒｏｐｓｅｅｄｓａｆｔｅｒｅｑｕｉｌｉｂｒａｔｉｏｎａｔ１０℃ ａｎｄ３０℃ｉｎｖａｒｉｏｕｓｓａｔｕｒａｔ－ｅｄｓａｌｔｓｏｌｕｔｉｏｎｓｉｎｓｅａ ｌｅｄｃｏｎｔａｉｎｅｒｓ温度Ｔｅｍｐ．饱和溶液Ｓａｔｕｒａｔｅｄｓｏｌｕｔｉｏｎ相对 湿度ＲＨ（％）种子含水量Ｓｅｅｄｗａｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔ（％）榆Ｅｌｍ油菜Ｒａｐｅ芝麻 Ｓｅｓａｍｅ花生Ｐｅａｎｕｔ大豆Ｓｏｙｂｅａｎ１０℃８０％Ｈ２ＳＯ４５．８３．０７２． ０９１．２２３．２３４．５０６０％Ｈ２ＳＯ４１７．０４．９６３．９４２．３５４．１９４ ．９８ＫＡＣ２２．０５．８３４．９３４．４９５．７４６．９０Ｍｇ（ＮＯ３）２５１．４１ ０．７８７．８９６．６７７．８９１０．５３ＮａＮＯ３６３．３１４．９１１０．２６８．６ ０８．７４１４．４６ＮａＣｌ７５．６１６．４２１０．７６８．９２９．５２１６．１６（Ｎ Ｈ４）２ＳＯ４８０．０１８．７０１１．６８９．２６１０．５５１８．２５Ｋ２ＣｒＯ４８６ ．３２２．８６１２．９３１０．７７１２．１４２２．５２ＫＮＯ３９０．７２７．２１１７． ２５１４．１０１４．７５２７．５３Ｋ２ＳＯ４９６．６２８．７３１８．８２１５．１２１５ ．８５２８．４５３０℃８０％Ｈ２ＳＯ４３．９１．６４１．２７０．８２１．９５２．５６６ ０％Ｈ２ＳＯ４１５．８３．１１２．２６１．７５２．８６３．７４ＫＡＣ２４．４４．０５３ ．０５３．４３４．０７５．５４Ｍｇ（ＮＯ３）２５５．６１０．０６７．２２６．３２５．６ ６１０．２８ＮａＮＯ３６７．３１２．６８８．５８７．９０７．４１１４．２０ＮａＣｌ７５ ．２１４．１１１０．００８．３３８．２３１５．４６（ＮＨ４）２ＳＯ４８１．７１５．９２ １０．５０９．０８９．３１１７．８２Ｋ２ＣｒＯ４８６．７１９．８９１２．６１１０．６６ １１．１１２１．７２ＫＮＯ３９５．５２７．６７１６．７９１２．９９１４．２８２６．９５ Ｋ２ＳＯ４９７．９３５．５９１８．８２１３．８７２４．７７４０．７０图１５种种子在１０ ℃和３０℃时的吸附等温线Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｓｏｒｐｔｉｏｎｉｓｏｔｈｅｒｍｓｏｆｄｉｆｅｒｅｎｔｃｒｏｐｓｅｅｄｓａｔ１０℃ａｎｄ３０℃图２不同种子在１０℃～３０℃水分吸附的热差焓（△Ｈ）Ｆｉｇ．２Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｎｔｈａｌｐｙｏｆｗａｔｅｒｓｏｒｐｔｉｏｎ（△Ｈ）ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｐｓｅｅｄｓｂｅｔｗｅｅｎ１０℃ａｎｄ３０℃
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