O - IJPB

Conservation
des
semences
"Seeds - Time Capsules of Life" by Rob Kesseler & Wolfgang Stuppy

LES DEUX TYPES BIOLOGIQUES
DE SEMENCES
Semences orthodoxes (tolérantes à la dessiccation)
• Fortement déshydratées
• Survivent facilement à létat déshydraté
Semences récalcitrantes (intolérantes à la
dessiccation)
• Riches en eau
• Meurent si elles se déshydratent

I. Semences récalcitrantes

EXEMPLES DE SEMENCES RECALCITRANTES
CHENE (Quercus sp)
NOYER (Juglans sp)
CHÂTAIGNIER (Castanea sp)
ERABLE (Acer pseudoplatanus)
MARRONNIER (Aesculus hippocastaneum)
MANGUIER (Mangifera indica)
HEVEA (Hevea brasiliensis)
AVOCATIER (Persea americana)
CAFEIER (Coffea sp.)
COCOTIER (Cocos nucifera)
LITCHI (Litchi chinensis)
CACAOYER (Theobroma cacao)
THEIER (Thea sinesis)
CITRUS (Citrus sp.)
SYMPHONIA GLOBULIFERA, HOPEA ODORATA, H. HAINANENSIS, SHOREA
ROXBURGHII, S. ACUMINATA, ARAUCARIA SP.
AVICENNIA MARINA

100
a
Germination (%)
80
60
40
20
b
c
d
e
0
0
5 10 15 20 25 30
Teneur en eau (% mf)
Three typical patterns of desiccation tolerance (normal germination, %, plotted against
moisture content, % w.b.) are shown for species with orthodox (a), intermediate (c) and
recalcitrant (e) seed storage behaviour. Two further patterns (b and d) are also shown
which may be found in species with orthodox and intermediate seed storage behaviour,
respectively, where the seed lot has been harvested prematurely or too late, or has been
wrongly pretreated. Seeds of some species with recalcitrant seed behaviour are more
intolerant of desiccation than those shown by pattern e. From Hong and Ellis 1996

RECALCITRANT SEEDS AND MOISTURE
CONTENT UNDER WHICH THEY DIE
Species
Acer platanoides
Acer saccharinum
Araucaria angustifolia
Citrus grandis
Citrus sinensis
Euphorbia longan
Hevea brasiliensis
Hopea odorata
Litchi chinensis
Mangifera indica
Quercus alba
Quercus sessiliflora
Shorea roxburghii
Symphonia globulifera
Theobroma cacao
Moisture content
(% fresh weight)
30-35
30-35
30-35
52
25
25
20-25
20-25
30-35
30-35
25
30-40
25-30
40-45
45-50

SURVIE DES SEMENCES RECALCITRANTES
Très difficile à cause de leur intolérance à la dessiccation
• Maintien à létat hydraté
• Germination sans apport deau supplémentaire
(absence de dormance)
• Sensibilité aux températures basses pour les
espèces tropicales (maladies du froid)
• Développement de microorganismes (désinfection
obligatoire)

Germination (absence de dormance)
Croissance des plantules
Problèmes
causés
par la
conservation
en milieu
humide
Ralentissement des processus biologiques:
Baisse de température
Diminution du potentiel hydrique du milieu
Sensibilité aux températures basses
Utilisation dune température seuil
Développement des microorganismes
Désinfection
CONSERVATION A COURT TERME

Exemples de températures critiques entraînant
des maladies « physiologiques » du froid
Espèces
Température
critique (°C)
Cedrela odorata 10
Hevea brasiliensis 15-16
HEVEA BRASILIENSIS
Hopea odorata 12
Mangifera indica 12
Shorea roxburghii 12-15
Shorea talura 4
Symphonia globulifera 15

SIMAROUBA
AMARA
SHOREA
ROXBURGHII
SYMPHONIA
GLOBULIFERA
normal
seedlings
abnormal
seedlings
abnormal
seedlings
normal
seedling
abnormal
seedling
3 mois de stockage à 5°C
des graines à une
teneur en eau de 9-10%
1 mois de stockage à 12°C
en milieu humide
1 an de stockage à 15°C
en milieu humide

Manguier
Plants âgés dun mois
Plants âgés de 3 mois
C
2 mois
C 2 months 4 months
4 mois
Plants issus de semences
fraîchement (C) ou
conservées pendant 2 et 4 mois
à 12°C dans un milieu humide

II. Semences orthodoxes

La longévité des semences

Longévité des semences en conditions
naturelles
Semences macrobiotiques : > 15 ans
• de nombreuses légumineuses
• Lupinus arcticus : 10 000 ans (Science 6 October
1967,Vol. 158. no. 3797, pp. 113 - 114 )
Semences mésobiotiques : 3-15 ans
• la majorité des espèces
Semences microbiotiques : < 3 ans
• semences récalcitrantes
• semences lipidiques

1300 ans
2000 ans

Valeur estimée de la période de demi-vie (P 50
) des semences de
quelques espèces cultivées conservées à l’air libre
Espèces P 50
(années)
Espèces P 50
(années)
Avoine 12,9 Lentille 10,6
Betterave 16,5 Luzerne 10,5
Blé 7,6 Maïs 9,6
Carotte 6,6 Oignon 5,4
Céleri 4,1 Orge 7,2
Colza 13,9 Pois 15,8
Concombre 4,9 Radis 13,8
Endive 5,4 Seigle 4,5
Epinard 12,7 Soja 3,4
Fève 15,6 Tabac 10,3
Haricot 15,8 Tomate 24,5
Laitue 6,4 Tournesol 5,4
Nota : Ces valeurs de P 50
peuvent varier assez fortement selon les conditions climatiques de conservation.

Processus physiologiques
accompagnant le
vieillissement des
semences:
Perte de vigueur

Détérioration des semences au cours de la conservation
Perte de vigueur puis de viabilité

WHAT ARE HIGH QUALITY SEEDS ?
They are seeds :
1 - which germinate all
2 - which germinate quickly
3 - which give rise to normal and vigorous seedlings
4 - which are little sensitive to external factors (temperature,
oxygen availability, water potential of the soil, …),
and then which germinate
in a wide range of environmental conditions
5 - which can be easily stored
For seed companies a
major challenge toward
improving crop yield is
a better control of seed
vigor
Bad
Good

LOSS OF SEED VIGOUR DURING STORAGE
Rape
Germination (%)
100
75
50
25
Vigour
Viability
Germination (%)
100
75
50
25
A
T
1
2
100 B
T
2
75
1
3
3
50
4 4
25
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Duration of ageing (days)
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Temperature
Température (°C)
(°C)
0
0 5 10 15 20
Oxygen
Oxygène (%)
(%)
Control non aged
seeds
Lettuce
Aged seeds
Sensitivity
of seed
batches to
ageing
Prediction of
storability
Germination (%)
100
75
50
25
0
Batch
3
Wheat
Batch 2
Batch 1
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Duration of ageing (days)

Ex: semences de tournesol

Perte de vigueur des semences
au cours du vieillissement
ISTA tests
100
A
100
B
T
Colza
Germination (%)
75
50
25
T
1
2
2
75
1
3
3
50
4 4
25
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Température (°C)
0
0 5 10 15 20
Oxygène (%)
Effets du vieillissement (45°C et 100% HR) des
semences sur leur réponse à la température et à la teneur
en oxygène de latmosphère

Mécanismes cellulaires de la
détérioration des semences

LIPID
PEROXIDATION
H2O
LOSS OF SEED
VIGOUR
AGEING
CAT
O2 .-
H2O2
SOD
APX
H2O
ASA DHA
DHAR
GSSG GSH
GHR
NADPH NADP
Electron transport
CAT : catalase
GHR : glutathione reductase
SOD : superoxide dismutase
APX : ascorbate peroxidase
DHAR : dehydroascorbate reductase
ASA : ascorbate
DHA : dehydroascorbate
GSH : reduced glutathione
GSSG : oxidized glutathione
APX : ascorbate peroxidase

Germination after 7 days (%)
100
SEED VIABILITY AND SEED MOISTURE CONTENT
75
50
25
0
Sunflower
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Duration of controlled deterioration (days)
P 50 (days)
10
8
6
4
2
0
Embryonic
axis
Whole
seeds
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Water content (g H 2 O g -1 DM)
Effects of duration of treatment at 35°C of seeds previously equilibrated at water contents of
0.043 (), 0.084 (), 0.146 (), 0.213 (∆), 0.299 (), 0.375 () and 0.488 () on seed viability
and the half-viability period (P 50 ).
- The higher the MC, the faster was seed deterioration.
- There existed a negative linear relationship between the time taken for
germination to drop to 50% (P 50 ) and the embryonic axis MC.

ANTIOXIDANT DEFENCE SYSTEM AND SEED
MOISTURE CONTENT
Enzyme activity (% initial value)
100
75
50
25
0
GR
SOD
CAT
0 0,1 0.1 0,2 0.2 0,3 0.3 0,4 0.4 0,5 0.5 0,6 0.6!
Enzyme activity (% initial value)
100
75
50
25
0
CAT
SOD
GR
0 25 50 75 100
Water content (g H 2 O g -1 DM)
Viability (%)
- Ageing results in a decrease in antioxidant defence system.
- A sublinear relationship existed between water content(or seed viability and enzyme
activities.

H 2 O 2 CONTENT AND LIPID PEROXIDATION AND
SEED MOISTURE CONTENT
150
300
150
300
H 2 O 2 (% initial value)
145
140
135
130
125
275
250
225
200
175
MDA (% initial value)
H 2 O 2 (% initial value)
145
140
H 2 O 2 H 2 O 2
MDA
135
130
125
MDA
275
250
225
200
175
MDA (% initial value)
120
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
150
120
0 25 50 75 100
150
Water content (g H 2 O g -1 DM)
Viability (%)
- Ageing results in an increase in H 2 O 2 and MDA content. A sublinear relationship
existed between water content and H 2 O 2 content, in contrast MDA content did not
significantly enlarge until 0.248 g H 2 O 2 g -1 DW, and then increased strongly.
- There existed a linear relationship between H 2 O 2 content and seed viability, which
was not the case for MDA.

Aging at high MC vs aging at "low" MC: wheat seeds
High MC
(up to 50 % dw)
"Low" MC
(17 % dw)
Viability (%) ( ) and water content (% DW) (
Viability (%) ( ) and water content (% DW) ( )
Lehner et al (2007) J Cereal Sci, in press
110
8
100
7
90
80
6
70
5
60
4
50
40
3
30
2
20
1
10
0
0
0 1 2 3 4 5 6 7
Duration at 45°C and 100% RH (days)
110
8
100
7
90
80
6
70
5
60
4
50
40
3
30
2
20
1
10
0
0
0 1 2 3 4 5
Duration at 30°C and 75% RH (months)
T 50 (days) ( )
T 50 (days) ( )

Indicators of oxidative stress
Aging treatment H 2 O 2 MDA
Conditions Duration (!mol g -1 DW) (!mol g -1 DW)
45°C 0 d 3.29 ± 0.02 0.42 ± 0.03
100% RH 1 d 2.56 ± 1.20 0.41 ± 0.03
2 d 1.64 ± 0.51 0.39 ± 0.05
3 d 1.04 ± 0.00 0.43 ± 0.01
4 d 1.42 ± 0.20 0.43 ± 0.02
5 d 2.42 ± 0.80 0.42 ± 0.03
6 d 5.54 ± 0.97 0.39 ± 0.04
1
30°C 0 month 3.29 ± 0.02 0.42 ± 0.03
75% RH 1 month - 0.43 ± 0.05
2 months 3.12 ± 0.10 0.45 ± 0.05
2.5 months - 0.43 ± 0.02
3.5 months - 0.41 ± 0.10
4 months 3.42 ± 0.12 0.43 ± 0.03
4.5 months 3.10 ± 0.25 0.39 ± 0.01
High MC: ROS accumulation, not in lower MC

Antioxidant enzymes
Aging treatment
Activity of
1
Conditions Duration CAT SOD GR
SOD GR
45°C 0 d 7.3 ± 1.1 13.2 ± 2.6 235 ± 49
100% RH 1 d 9.6 ± 3.2 6.6 ± 2.1 296 ± 7
2 d 9.2 ± 1.0 5.4 ± 0.7 649 ± 100
3 d 6.7 ± 3.1 3.8 ± 0.8 401 ± 40
4 d 6.1 ± 0.5 1.6 ± 1.2 505 ± 50
5 d 3.0 ± 1.5 0 1150 ± 360
6 d 3.9 ± 1.2 0 1140 ± 200
30°C 0 month 7.3 ± 1.1 13.2 ± 2.6 235 ± 49
75% RH 0.5 5.9 ± 0.6 9.8 ± 1.1 130 ± 30
1 month 6.6 ± 0.7 9.7 ± 2.6 115 ± 60
month 2 6.5 ± 0.7 8.1 ± 1.8 -
2.5 5.9 ± 0.1 7.2 ± 1.9 200 ± 60
months 3.5 6.3 ± 0.3 11.2 ± 3.1 125 ± 40
months 4 5.8 ± 0.5 9.9 ± 2.2 160 ± 32
months 4.5 6.4 ± 1.0 10.1 ± 2.0 180 ± 21
months
High MC: loss of
months
antioxidant enzyme activities, not in lower MC

Influence des conditions de
conservation sur la survie des
semences

Prolongation de la viabilité des semences orthodoxes
Deux principaux facteurs :
• la teneur en eau des semences
• la température
La longévité des semences orthodoxes est doublée :
• chaque fois que, pour la même température de
conservation, leur teneur en eau est abaissée de 2,5% ;
• chaque fois que, pour la même teneur en eau
de celles-ci, la température est abaissée de 5 ou 6°C.

Isothermes de sorption
Courbe indiquant à l'équilibre pour une température donnée la quantité d'eau
retenue par un produit en fonction de l'humidité relative de l'atmosphère
Obtention: en plaçant le produit dans une série de récipients fermés dans
lesquels une gamme d'HR (solutions salines saturées)

ZONE I: eau fortement liée (bound water)
aw comprise entre 0 et 0,2-0,3
Couche mono moléculaire d'eau fixée sur les groupements polaires
de certains composés (NH3+ & COO- des protéines, OH amidon,…)
Difficile à enlever, pas congelable, pas disponible comme réactif, peu
(pas) d'activité physiologique
ZONE II: eau faiblement liée
Vers eau de + en + libre
Couches d'eau fixées sur 1ère couche par liaisons H
Vapeur d'eau condensée dans pores
Disponible comme solvant et réactif (oxydations, transport d'e-)
ZONE III:eau libre
Pas (peu) de différences avec eau faiblement liée
Majeure partie de l'eau des aliments frais
Respiration mitochondriale et autres processus métaboliques

SORPTION ISOTHERMS
Water content (g water/g dw)
0.15
0.10
0.05
0
0
pea
soybean
lettuce
peanut
yew
sunflower
20 40 60 80 100
Relative humidity (%)
Lipid content
(% dry mass)
pea : 2
soybean : 20
lettuce : 37
peanut : 45
sunflower : 58
yew : 71
(Vertucci and Ross, 1990)

Water content (g water/g dw)
0.15
0.10
0.05
0
0
SORPTION ISOTHERMS
Pea seeds
15°C
5°C
25°C
35°C
50°C
20 40 60
Relative humidity (%)
Vertucci and Ross, 1993)

HYSTERESIS des courbes de sorption (dans zone II essentiellement)
Teneur en eau (% MS)
désorption
adsorption
HR
Conséquence: augmentation progressive de la teneur en eau si variation cyclique de lHR

Evaluation de laptitude à la
conservation:
Vieillissement accéléré et détérioration
contrôlée

Evaluation de I 'aptitude à la conservation des semences
1. Vieillissement accéléré
Une seule étape: prise d'eau par les semences et traitement thermique simultanés
40 à 45°C / HR de 75 à 100 % , de qq
jours à plusieurs semaines
2. Détérioration contrôlée
1 / Mise en équilibre (18 à 24 h à 15-20°C) des semences à une teneur en eau donnée
(10 à 25%) grâce à un apport d 'eau (sous forme vapeur ou liquide) dans des sacs ou
boîtes étanches
2/ Traitement thermique
40 à 60 °C, de qq jours à plusieurs semaines

SENSIBILITE DES SEMENCES
AU VIEILLISSEMENT ACCELERE
100
VIABILITY (%)
75
50
25
2
3
SD
1
0
0 2 4 6 8 10 12 14
DURATION OF ACCELERATED
AGEING (DAYS)
1 - Tomate
2 - Poireau
3 - Tournesol
Vieillissement accéléré
- 45°C
- 100% HR

La prédiction de la conservation des
semences orthodoxes

Le modèle d'Ellis et Roberts (1973)
Dans une population de semences la mortalité suit une loi normale en
fonction du temps
L'écart type de cette distribution (σ) représente la répartition de cette
mortalité dans le temps (= vitesse de perte de viabilité)
Transformation probit de la courbe de survie:
v = Ki - p/σ
v, viabilité en probit du lot des semences après p jours de stockage;
Ki, qualité initiale du lot (potentiel à la conservation) = intersection axe y
de la droite de transformation probit
si conservation à une TE m et une température t, on a:
v = Ki - p/10 KE-Cw log m-CHt-CQt 2
KE, Cw, CH, CQ constantes de l'espèce

Transformation probit des courbes de survie
(Ellis et Roberts)

Effet du lot de semences

Effet des conditions de conservation

Conservation à long terme des
semences des semences
orthodoxes

Déshydrater le plus possible les semences
Abaisser le plus possible la température de conservation
• Conservation au congélateur
• Conservation dans l’azote liquide
• Conservation au froid en atmosphère très sèche
(en présence de silicagel)
• Conservation sous vide après lyophilisation

Création d'une banque de gènes
- Conservation à long terme
. International Board for Plant Genetic Resources
(IBPGR)- International Plant Genetic .Resources
Institute (IPGRI)
Teneur en eau: 5±1 Température: - 18°C
- Cryoconservation
Conservation dans l'azote liquide (- 196°C)
- Déshydratation et conservation sous vide
- Lyophilisation
Congélation + déshydratation par sublimation de la
glace

USDA National Seed Storage Laboratory (Fort Collins, CO)

Problèmes posés par les techniques de conservation à long terme
DESSICCATION . Sensibilité à la déshydratation
. Sensibilité à une réimbibition trop rapide
CONGELATION . Sensibilité à la congélation dans l'azote
liquide
. Sensibilité aux techniques de réchauffage
LYOPHILISATION . Sensibilité à l'azote liquide
. Sensibilité aux techniques de réimbibition

Trois types de semences
Semences tolérant la dessiccation et l'azote liquide
Semences tolérant la dessiccation mais sensibles à l'azote liquide
Prunus luglans' "Corylus"Coffea
Semences sensibles à la déshydratation et à l'azote liquide
Cas des semences récalcitrantes

USDA National Seed Storage
Laboratory (Fort Collins, CO)

Comparison of the threshold embryo (or * embryonic axis) moisture contents
above which ice crystallization occurs at ultra-low temperatures, and below
which loss in viability occurs.
Species
Acer saccharinum 32
21*
Aesculus
hippocastanum
Artocarpus
heterophyllus
!
Threshold embryo moisture content
(%, w.b.) for:
!ice
crystallization
desiccation
damage
40
30*
24* 31*
12-22*
33
18*
43
28*
Reference
Becwar et al. 1983
Pammenter et al. 1993
Pammenter et al. 1993
Pence (1992)
Hor et al. 1990
Pammenter et al. 1993
Avicennia marina 21* 29* Pammenter et al. 1993
Castanospermum
australe
23* 50* Pammenter et al. 1993
Durio zibethinus 32 54 Hor et al. 1990
Landolphia kirkii 22-27* 25 (fast drying), 52
(slow drying) *
Pammenter et al. 1991
Litchi chinensis 23* 42* Pammenter et al. 1991
Nephelium lappaceum 30 39 Hor et al. 1990
Welfia sp. 22* 64* Pammenter et al. 1993

- Gouvernement Norvégien
- Consultative Group on
International Agricultural
Research (CGIAR)
permafrost
526 000 échantillons
en mai 2010

Conclusion
Les semences orthodoxes ont développé des mécanismes biologiques très efficaces les
rendant capables de résister à une déshydratation quasi complète. Cette extraordinaire
capacité de tolérer une intense dessiccation leur permet de survivre très longtemps et
dassurer la pérennité des espèces. Elle facilite aussi grandement leur conservation.
De plus, les systèmes régulateurs de la germination que sont les dormances sont très
bénéfiques aux espèces sauvages car ils sopposent à la germination dans des
conditions écologiques ou climatiques inadéquates.
La sélection très poussée quont subi la plupart des espèces cultivées a fait le plus
souvent régresser ou même disparaître les dormances et a donc fragilisé les semences
en diminuant leur possibilité de survie dans les conditions naturelles.
Quant aux semences récalcitrantes, elles ne peuvent pas être considérées comme des
organes de résistance car leur déshydratation entraîne des dégâts cellulaires
irréversibles. Leur germination doit se produire dès quelles tombent sur le sol, sinon
elles ne survivent pas.