Intracellular glasses and seed survival in the dry state

So-called orthodox seeds can resist complete desiccation and survive the dry state for extended periods of time. During drying, the cellular viscosity increases dramatically and in the dry state, the cytoplasm transforms into a glassy state. The formation of intracellular glasses is indispensable to survive the dry state. Indeed, the storage stability of seeds is related to the packing density and molecular mobility of the intracellular glass, suggesting that the physico-chemical properties of intracellular glasses provide stability for long-term survival. Whereas seeds contain large amounts of soluble non-reducing sugars, which are known to be good glass formers, detailed in vivo measurements using techniques such as FTIR and EPR spectroscopy reveal that these intracellular glasses have properties that are quite different from those of simple sugar glasses. Intracellular glasses exhibit slow molecular mobility and a high molecular packing, resembling glasses made of mixtures of sugars with proteins, which potentially interact with additional cytoplasmic components such as salts, organic acids and amino acids. Above the glass transition temperature, the cytoplasm of biological systems still exhibits a low molecular mobility and a high stability, which serves as an ecological advantage, keeping the seeds stable under adverse conditions of temperature or water content that bring the tissues out of the glassy state. To cite this article: J. Buitink, O. Leprince, C. R. Biologies 331 (2008).

RésuméLes graines dites orthodoxes peuvent résister à une complète dessiccation et ainsi survivre à l'état sec pendant de longues périodes de temps. Pendant la dessiccation de la graine en phase finale de maturation sur la plante mère, la viscosité cellulaire augmente de façon spectaculaire et, à l'état sec, le cytoplasme se transforme en un état vitreux. La formation d'un tel état intracellulaire est indispensable à la survie des graines à l'état sec. En effet, l'aptitude à la conservation des graines est liée à la densité et la mobilité moléculaire intracellulaire de l'état vitreux, ce qui suggère que les propriétés physico-chimiques des états vitreux intracellulaires assurent la survie à long terme. Alors que les graines contiennent de fortes quantités de sucres réducteurs non solubles et que ces sucres sont connus pour leur capacité à générer les états vitreux, des mesures in vivo détaillée utilisant des techniques spectroscopiques telles que RPE et FTIR ont permis de révéler que ces états vitreux intracellulaires ont, chez les graines, des propriétés tout à fait différentes de celles d'états vitreux formés in vitro à partir de sucres simples. Les états vitreux intracellulaires des graines se caractérisent par une très faible mobilité moléculaire et une concentration moléculaire élevée, rappelant ainsi les états vitreux formés à partir de mélanges de sucres et de protéines, complexes qui pourraient interagir avec d'autres composants cytoplasmiques tels les sels, les acides organiques et les acides aminés. Au delà de la température de transition vitreuse, le cytoplasme des graines montre toujours une faible mobilité moléculaire et une grande stabilité, ce qui procure un avantage écologique pour maintenir la stabilité des graines dans des conditions défavorables de température ou de teneur en eau. Pour citer cet article : J. Buitink, O. Leprince, C. R. Biologies 331 (2008).