Maintenance of plant genetic resources

Towards an understanding of seed deterioration

Nagel, Manuela

• Publisher: Cuvillier Verlag
• Year: 2022
• Print ISBN: 9783736975576
• eBook ISBN: 9783736965577
• Edition: 1

Conservation of biodiversity including plant genetic resources are fundamental for the future life on Earth. To safe-guard crop wild relatives, locally adapted landraces and varieties, ex situ genebanks were established at the beginning of the 20th century; primarily to store seeds. However, as any other material on Earth, seeds age and lose viability when stored for prolonged periods. The main factors determining deterioration processes are the genotype, the environmental conditions during seed development and the storage conditions including relative humidity, temperature, gas composition and pressure. To understand physiological, biochemical and genetic changes during seed deterioration in genetic resources of wheat, barley and oilseed rape, fundamental processes of germination, dormancy and seed viability loss are discussed in this book based on 13 scientific publications. Here, the loss of seed viability was investigated depending on seed moisture contents (MCs) between 5 % and >25 %, storage temperatures between 0°C and 45°C and a modified atmosphere with increased O2 concentration (75%) or increased atmospheric pressure (18 MPa). Although, the response to the different conditions varied among species, overall, elevating seed MCs and storage temperatures led to a gradual change of biochemical mechanisms during seed deterioration. Under dry seed storage conditions, glutathione (GSH) and tocochromanols functioned as low-molecular-weight antioxidants and were degraded. Lipids were oxidised or hydrolysed, the pH decreased, whereas organic radicals accumulated over time and correlated negatively with seed viability. At high seed MCs (>13 %) and storage temperatures (>40 °C), membrane damages, changes of pH or organic radicals were absent. Furthermore, GSH and GSSG depleted whereas tocochromanols remained stable or increased. Therefore, seeds stored under high MCs and temperatures were exposed to a different environment than seeds exposed to lower MCs and temperatures where water activity and deterioration rate were reduced and the cytoplasm was assumed to be glassy. As a consequence, quantitative trait loci (QTLs) varied between ageing treatments; thus to understand genetic mechanisms of seeds deterioration in seedbanks, studies must be carried out on dry-stored seeds. Overall, our plant genetic resources are safely preserved in genebanks. However, to avoid genetic drift and to prolong the life of the seed, the conditions for pre-storage and storage should be further optimised and improved for each individual species. Die Erhaltung der biologischen Vielfalt, einschließlich der pflanzengenetischen Ressourcen, ist von grundlegender Bedeutung für das künftige Leben auf der Erde. Um verwandte Wildarten von Nutzpflanzen, lokal angepasste Landrassen und Sorten zu schützen, wurden Anfang des 20. Jahrhunderts Ex-situ-Genbanken eingerichtet, die vor allem Saatgut lagern. Wie jedes andere Lebewesen auf der Erde altert auch Saatgut und verliert an Vitalität, wenn es über einen längeren Zeitraum gelagert wird. Die wichtigsten Faktoren, die für den Verlust der Lebensfähigkeit von Saatgut verantwortlich sind, sind der Genotyp, die Umweltbedingungen während der Entwicklung des Saatguts und die Lagerungsbedingungen wie relative Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Gaszusammensetzung und atmosphärischer Druck. Um die physiologischen, biochemischen und genetischen Veränderungen während der Saatgutalterung bei den genetischen Ressourcen von Weizen, Gerste und Raps zu verstehen, werden in diesem Buch auf der Basis von 13 wissenschaftlichen Veröffentlichungen die grundlegenden Prozesse der Keimung, der Keimruhe und des Verlustes der Lebensfähigkeit von Saatgut diskutiert. Die Veränderung der Vitalität von Saatgut wurde in Abhängigkeit von verschiedenen Lagerungsbedingungen wie Feuchtigkeitsgehalte zwischen 5 % und >25 %, Lagertemperaturen zwischen 0°C und 45°C und eine modifizierte Atmosphäre mit erhöhter O2-Konzentration (75 %) oder erhöhtem atmosphärischen Druck (18 MPa) untersucht. Obwohl die Reaktion auf die verschiedenen Bedingungen bei den einzelnen Arten unterschiedlich ausfiel, führte eine Erhöhung der Saatgutfeuchte und der Lagertemperaturen insgesamt zu einer allmählichen Veränderung der biochemischen Mechanismen während der Samenalterung. Unter den Bedingungen der trockenen Samenlagerung fungierten Glutathion (GSH) und Tocochromanole als Antioxidantien und wurden abgebaut. Lipide wurden oxidiert oder hydrolysiert, der pH-Wert sank, während sich organische Radikale im Laufe der Zeit ansammelten und negativ mit der Lebensfähigkeit der Samen korrelierten. Bei hohen Saatgutfeuchten (>13%) und Lagertemperaturen (>40°C) traten keine Membranschäden, pH-Veränderungen oder organische Radikale auf. Außerdem nahmen GSH und GSSG ab, während die Tocochromanole stabil blieben oder zunahmen. Daher ist Saatgut, das unter hohen Saatgutfeuchten und Temperaturen gelagert wird, einer anderen Umgebung ausgesetzt als Saatgut, das niedrigeren Saatgutfeuchten und Temperaturen ausgesetzt ist, wo die Wasseraktivität und die Alterungsrate reduziert war und das Zytoplasma als glasig angenommen wurde. Folglich variierten die detektierten Gene bzw. quantitativen Merkmalsloci zwischen den verschiedenen Alterungsbehandlungen, weshalb Studien an trocken gelagertem Saatgut durchgeführt werden müssen um die genetischen Mechanismen des Verfalls von Saatgut in Saatgutbanken zu verstehen. Insgesamt sind unsere pflanzengenetischen Ressourcen in Genbanken sicher aufbewahrt. Um jedoch eine genetische Drift zu vermeiden und die Lebensdauer des Saatguts zu verlängern, sollten die Bedingungen für die Vorlagerung und Lagerung für jede einzelne Art weiter optimiert und verbessert werden.

Table of contents

• INDEX OF ABBREVIATIONS
• 1 INTRODUCTION
• 2 PROLOG
• 2.1 Maintenance of plant genetic resources in ex situ gene banks
• 2.2 Survival in the dry state
• 2.3 The establishment of seed longevity during seed maturation
• 2.4 The physics of water and water activity in seeds
• 2.5 The glass formation as requirement for seed desiccation and storability
• 2.6 Seed viability loss during storage
• 2.7 Seed protection mechanisms during quiescence
• 2.8 Aim of the study
• 3 SCIENTIFIC PUBLICATIONS
• 3.1 PAPER 1:The longevity of crop seeds storedunder ambient conditions
• 3.2 PAPER 2:Machine learning links seed composition, glucosinolatesand viability of oilseed rape after 31years of long-term storage
• 3.3 PAPER 3:Changes in tocochromanols and glutathionereveal differences in the mechanisms of seedageing under seedbank conditions and controlleddeterioration in barley
• 3.4 PAPER 4:Wheat seed ageing viewed through the cellularredox environment and changes in pH
• 3.5 PAPER 5:Comparative physiology and proteomics of twowheat genotypes differing in seed storagetolerance
• 3.6 PAPER 6:Age-dependent loss of seed viability is associatedwith increased lipid oxidation and hydrolysis
• 3.7 PAPER 7:Barley seed ageing: genetics behind the dryelevated pressure of oxygen ageing and moistcontrolled deterioration
• 3.8 PAPER 8:Seed longevity in oilseed rape (Brassica napus L.)- genetic variation and QTL mapping
• 3.9 PAPER 9:Genetic variation for secondary seed dormancyand seed longevity in a set of black-seededEuropean winter oilseed rape cultivars
• 3.10 PAPER 10:QTL analysis of falling number and seed longevityin wheat (Triticum aestivum L.)
• 3.11 PAPER 11:Effects of Rht dwarfing alleles on wheat seedvigour after controlled deterioration
• 3.12 PAPER 12:Genetic architecture of seed longevity in breadwheat (Triticum aestivum L.)
• 3.13 PAPER 13:Novel loci and a role for nitric oxide for seed dormancyand pre-harvest sprouting in barley
• 4 EPILOG
• 4.1 Seed deterioration processes are determined by the storage conditions
• 4.2 Differences in seed longevity are the consequence of compositional variations
• 4.3 Maternal growth environment influences seed longevity and seed dormancy
• 4.4 Molecular markers for seed deterioration at different water contents
• 4.5 The implications for gene bank management
• 5 SUMMARY AND CONCLUSIONS
• 6 REFERENCES OF PROLOG AND EPILOG
• ACKNOWLEDGEMENTS
• CURRICULUM VITAE