全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (8): 1227~1237　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.0117 1227
收稿 2014-04-22　　修定 2014-07-07
资助 贵州省国际科技合作计划项目[黔科合外G字(2012)7011]、
四川省国际科技合作与交流研究计划项目(12GH0093)和
国家科技部国际科技合作专项(S2013ZR0452)。
致谢 以色列海法大学进化研究所和中国科学院寒区旱区环境
与工程研究所陈国雄研究员提供研究材料。
* 通讯作者(E-mail: chengjianping@gmail.com; Tel: 0851-
3859973)。
约旦野生二棱大麦群体籽粒休眠特性的网络分析
文玲玲1, 薛文韬1, 严俊2, 赵钢2, 程剑平1,*
1贵州大学麦作研究中心, 贵阳550025; 2成都大学生物产业学院, 成都610106
摘要: 本研究以来自约旦的16个野生二棱大麦群体206个基因型为材料, 对籽粒不同部分的氮素营养相关性状以及40 ℃下
不同贮藏时间后的萌发率进行了测定, 并利用网络相关性技术分析其与起源地生态地理因素之间的相关性。结果表明, 来
自于不同地区的大麦群体在种子含氮量、壳含氮量、种子可溶性蛋白质含量、单粒重及单壳重上存在明显差异, 并且籽
粒不同部位含氮量发生分配平衡, 种子含氮量较高的群体壳含氮量较低。同时, 网络相关性分析证实壳含氮量与籽粒萌发
特性呈显著负相关, 而壳中潜在抑制萌发的含氮物可能在42 d的高温储藏下分解或失活。
关键词: 野生二棱大麦; 籽粒休眠; 氮素营养; 生态地理因素
The Network Analysis on Characters of Caryopsis Dormancy in Wild Barley
(Hordeum spontaneum) Populations from Jordan
WEN Ling-Ling1, XUE Wen-Tao1, YAN Jun2, ZHAO Gang2, CHENG Jian-Ping1, *
1Institute of Triticeae Crops, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2Faculty of Biotechnology Industry, Chengdu University,
Chengdu 610106, China
Abstract: In this study, 206 genotypes of wild barley (Hordeum spontaneum) with 16 populations derived from
different habitats of Jordan were studied for caryopsis nitrogen-related traits and germination characters under
different storage time at 40 ℃. Also the correlations between those traits and eco-geographic factors were ana-
lyzed by correlation-based network analysis (CNA). The results showed that there are significant differences
among the populations on the traits of seed nitrogen concentration, shell nitrogen concentration, seed solu-
ble-protein concentration, single seed weight and single shell weight. The nitrogen trade-off occurred between
the organs of seed and shell which makes the populations with high seed nitrogen concentration associated with
low shell nitrogen concentration. Meanwhile, the results of CNA suggest the shell nitrogen concentration sig-
nificantly negative-correlated with the germination characters of caryopsis, and the putative inhibitors in shell
could be degraded or inactivated after the 42 days of storage at 40 ℃.
Key words: Hordeum spontaneum; caryopsis dormancy; nitrogen nutrition; eco-geographic factor
野生二棱大麦是现代栽培大麦的祖先, 其种
质丰富的遗传多样性, 是大麦遗传育种的重要资
源(Harlan和Zohary 1966; Grando和孙洪伟1987;
Baek等2003)。近东新月地带包括约旦、以色列、
土耳其、叙利亚、巴勒斯坦和伊朗等地被普遍认
为是大麦的起源中心, 该区域的野生大麦具有相
当广泛的环境与气候适应性(Volis等2002)。野生
二棱大麦是一年生自花授粉植物, 其成熟时籽粒
易掉落, 脱落后的种子往往插入土壤缝隙中, 或与
其他植株缠绕, 造成很难自然迁移(严俊等2010)。
而不同地区及不同微域的生态地理条件差异, 造
成野生二棱大麦在长期适应其起源地生态地理环
境的过程中, 通过自然选择演化产生了不同特征
的大麦群体与基因型(Nevo等1979a, b)。另外, 野
生二棱大麦麦穗由三联小穗构成, 每个三联小穗
由一个中央小穗和两个侧生小穗通过花轴连接; 在
进化过程中, 中央小穗正常发育, 而两个侧生小穗
败育并发挥与中央小穗不同的功能(Komatsuda等
2007)。
除此之外, 在长期的环境和气候适应中, 野生
二棱大麦还形成了深度休眠和幼苗抗旱的重要特
植物生理学报1228
性(Gutterman 2002)。这种特性能够确保其在恶劣
的环境中存活, 以及防止后代种子在不适宜的季
节萌发。而对栽培大麦而言, 生产上需要种子发
芽迅速、整齐并成苗快, 但缺乏休眠的种子可在
成熟期的雨季发生穗发芽现象, 并造成大麦品质
的严重下降(Howard等2012)。为解决这一难题, 除
了栽培和田间管理外, 还可以通过育种手段适度
提高栽培大麦的休眠深度(杨建明等2003), 因此需
要对大麦籽粒休眠的机理有较为深入的研究。前
人已对来自于以色列地区不同群体的野生二棱大
麦基因型籽粒休眠、抗旱(Van Rijn等2000; Yan等
2008; 严俊等2011)等性状进行了系统研究并揭示
了其多样性特征, 并分析了群体籽粒休眠特性与其
起源地生态地理数据之间的关系。另有研究报道
证实 , 大麦种子的休眠深浅与其淀粉含量有关
(Howard等2012)。但大麦籽粒氮素营养与其休眠
特性关系的研究尚无报道, 特别是野生大麦三联小
穗中败育小穗在休眠中的生理功能尚无明确报
道。本文通过对来自约旦的16个野生二棱大麦群
体籽粒休眠深度与籽粒氮素营养相关性状进行测
定, 并结合其约旦起源地生态地理数据进行相关性
分析, 探讨影响野生大麦籽粒休眠的生理和生态因
素, 为大麦籽粒休眠机理的研究提供参考和依据。
材料与方法
1 供试材料及田间试验
本文材料由以色列海法大学进化研究所提供,
包括16个群体的野生二棱大麦(Hordeum spon-
taneum C. Koch.)共206个基因型。该群体材料均
采自约旦, 其起源地分布如图1所示(Baek等2003),
各位点地理名称及相关起源地生态地理数据如表
1所示。本文中籽粒为颖果(caryopsis), 即为野生二
棱大麦完整的三联小穗(图2-A), 种子为三联小穗
中的中央小穗(图2-B), 图2-C的部分定义为壳, 该
部分包含了三联小穗中2个败育的侧生小穗。
该野生二棱大麦16个群体的206个基因型分
别于2011和2012年种植于贵州省贵州大学农学院
麦作研究中心试验农场和安顺市农科院试验农场,
并于2012年6月和2013年5月收获。两个环境的生
态地理数据如表2所示。两个环境的田间设计相
同, 采用随机区组排列种植并重复3次, 每个基因
型进行沟施, 沟长1.5 m, 每沟播种50粒种子, 沟间
距为40 cm。每沟内的所有麦穗收获于同一纸袋内
并作为一个种子库(seed bulk), 每个基因型的样品
种子库重复3次。收获后的种子避免高温晾晒, 待
种子在室温下储藏2个星期后去除麦芒, 立即进行
萌发实验, 用于籽粒氮素营养相关性状分析的样
品则在40 ℃烘干后, 研磨过筛待测。
2 萌发测试
分别从2012年收获的大麦基因型3个种子库
中随机选出饱满籽粒放入40 ℃恒温烘箱内储存,
并在放入后的14、28和42 d进行萌发实验, 每个基
因型的单个种子库重复萌发3次, 每次萌发25粒。
籽粒用3%的过氧化氢溶液消毒30 min后, 均匀置
放于9 cm垫有双层滤纸的无菌培养皿内, 加入5
mL蒸馏水, 用透气胶带将培养皿封好并用锡箔纸
包裹避光, 在22 ℃培养箱中萌发10 d。在萌发到第
10天后记录种子萌发数并计算最大萌发率(maxi-
mum germination percentage, Gmax)。种子的萌发以
是否长出胚根为准。
图1 约旦16个野生二棱大麦群体地理分布
Fig.1 Geographic distribution of 16 populations of H. spon-
taneum from Jordan
参考Baek等(2003)文献修改。
文玲玲等: 约旦野生二棱大麦群体籽粒休眠特性的网络分析 1229
基于2012年的萌发数据, 分别对2013年收获
的JP1、JP2、JP8、JP9和JP11五个群体共计66个
表1 约旦16个野生二棱大麦群体的生态地理数据
Table 1 Geographical and climatological data for 16 populations of H. spontaneum from Jordan
群体 起源地点 地理位置 海拔/m
年平均降 八月平均 一月平均 八月和一 季节平均
雨量/mm 温度/℃ 温度/℃ 月平均温差/℃ 温差/℃
JP1 Shuni North 35º37E, 32º36N 50 370 29 14.4 21.7 14.6
JP2 Irbid 35º51E, 32º32N 585 433 22.3 11.4 16.85 10.9
JP5 Mafrak 36º12E, 32º15N 695 164 25.3 11.2 18.25 14.1
JP6 Zarqa 36º06E, 32º04N 610 148 26.1 10.4 18.25 15.7
JP7 Amman 35º55E, 31º53N 750 260 22.2 10.4 16.3 11.8
JP8 Madaba 35º49E, 31º40N 790 368 21.9 9.8 15.85 12.1
JP9 Mount Nebo 35º42E, 31º43N 802 300 24.4 10.2 17.3 14.2
JP11 Wadi Arnon 35º51E, 31º26N 500 200 24 13.4 18.7 10.6
JP13 Karak 35º43E, 31º08N 1 150 370 23.8 9.5 16.65 14.3
JP15 Wadi Hassa South 35º43E, 30º55N 300 170 21.4 8.1 14.75 13.3
JP16 Tafila 35º37E, 30º48N 600 420 19 5.4 12.2 13.6
JP17 Dana 35º36E, 30º37N 1 500 220 18.5 4.7 11.6 13.8
JP18 Wadi Mussa North 35º31E, 30º22N 1 650 240 26.5 11.3 18.9 15.2
JP20 Shuna South 35º40E, 31º52N –120 215 23.2 10.8 17 12.4
JP23 Jarash 35º52E, 32º16N 630 385 20.7 9.2 14.95 11.5
JP25 Qalat Ajlun 35º46E, 32º19N 1 000 600 20.5 10.6 15.55 9.9
　　该表群体数据和表中数据源自Baek等(2003)文献。
图2 野生二棱大麦的籽粒结构
Fig.2 Structure of triple spikelet of H. spontaneum
A为完整的三联小穗, B为正常发育的中央小穗, C部分包含两
个败育的侧生小穗。
表2 2012及2013年试验地生态地理数据
Table 2 Geographical and climatological data of two fileds from the year of 2012 and 2013
试验地 地理位置 海拔/m 年平均降雨量/mm 全年无霜期/d 年平均日照数/h 土壤类型
贵州大学麦作中心试验农场 106°27′E, 26°34′N 1 100 1 178.1 285 1 274.2 砂质黄壤
安顺市农科院试验农场 105°55′E, 26°15′N 1 395 1 300.0 301 1 164.9 粘质黄壤
基因型进行萌发测试。将种子放入40 ℃恒温烘箱
内储存14、28、42、56、70、84和98 d后取出进
行萌发, 并设置未放入40 ℃恒温烘箱的为0 d对
照。每个基因型单个重复3次, 每次萌发25粒。萌
发方法与2012年相同。
3 无机总氮含量的测定
野生大麦种子和壳无机总氮含量的测定采用
半微量凯氏定氮法。用Foss凯氏定氮仪8400测定
206个基因型种子和壳中的总氮含量, 每个基因型
重复 3次。样品消解反应体系包含待测样品
0.200~0.250 g、硫酸铜0.195~0.205 g、硫酸钾
0.900~0.950 g、浓硫酸10 mL。样品消煮2 h, 温度
梯度设置为240 ℃ 0.5 h、420 ℃ 1.5 h。待样品消
解完全后 , 冷却至室温并上机测定 , 滴定剂为
0.1000 mol·L-1盐酸标准溶液, 碱溶液为40%氢氧化
钠, 接收液为1%硼酸溶液并混合10 mL·L-1 0.1%溴
甲酚绿和7 mL·L-1 0.1%甲基红指示剂。
植物生理学报1230
4 种子可溶性蛋白质含量的测定
将去除麦芒的大麦种子研磨成粉末并过筛,
称取100 mg样品, 加入1.6 mL 0.1 mol·L-1的NaOH
溶液, 80 ℃恒温震荡2 h。13 000×g离心15 min后,
上清液待测。可溶性蛋白质含量的测定采用Brad-
ford紫外分光光度法(Bradford 1976)。吸取30 μL
可溶性蛋白质提取液, 加120 μL PBS缓冲液(pH
7.4)和850 μL的考马斯亮蓝反应液, 显色反应后用
紫外分光光度计在595 nm处测定吸光值 , 并用
1mg·mL-1牛血清白蛋白(bovine serum albumin,
BSA)标准溶液作标准曲线后, 计算可溶性蛋白质
含量。
5 统计分析
用JMP 6.0对群体间各项指标进行Tukey’s
HSD显著性差异检验(P<0.05); 用Mev 4.9.0对所有
基因型氮素相关性状进行主成分分析(principal
component analysis, PCA), 各指标数据间的量纲差
异采用Log10进行处理; 用Sigmaplot 12.0对群体
JP1、JP2、JP8、JP9和JP11籽粒Gmax进行数学方程
拟合, 曲线方程的数学模型为Hill三参数模型, 曲
线公式为 (El-Kassaby等2008; Joosen等
2010)。用GERMINATOR对Gmax拟合方程曲线参
数: (1) Gmax达到50%的时间(T50), (2) Gmax达到10%
的时间(T10), (3) Gmax拟合曲线下的面积(area under
the curve, AUC)进行计算(El-Kassaby等2008; Joos-
en等2010)。用R 2.11构建籽粒氮素营养相关性
状、籽粒萌发特性与起源地生态地理数据间的皮
尔森相关性矩阵(Pearson correlation matrix), 指标
间的相关性系数阈值|r|>0.3; 用Cytoscape 2.7.0对
相关性矩阵进行相关性网络分析(correlation-based
network analysis, CNA)。
实验结果
1 野生二棱大麦群体和基因型种子和壳的氮素营
养特征差异显著
如图3所示, 约旦不同地区的野生二棱大麦籽
粒在种子和壳含氮量性状上存在显著差异。来自
Shuni North的JP1群体具有最高的种子含氮量(图
3-A); 而相较于北部的群体, 南方大麦群体整体含
氮量较低, 如群体JP13、JP15、JP16、JP17和
JP18; 这一结果也说明群体氮素水平的变化趋势
受地理位置影响。在壳含氮量性状中, 含氮量最
低为来自Wadi Arnon的JP11群体(图3-C); 另外, 种
子含氮量较低的群体壳含氮量普遍较高, 如群体
JP5、JP6、JP16、JP17和JP18; 而种子含氮量最高
的JP1群体壳含氮量偏低, 这说明野生大麦三联小
穗尽管仅有中间的小穗发育成可育后代, 但两边
败育的小穗在氮素营养分配上仍与中央小穗呈竞
争关系。但整体水平上, 种子平均含氮量仍是壳
的5倍左右, 种子仍是氮素积累的主要器官。
种子的单粒重(图3-B)和单壳重(图3-D)性状
并未保持着氮素营养间的分配平衡(trade-off)规律,
不同群体间单粒重的差异趋势与单壳重类似; 如
具有最高单粒重的JP25群体其单壳重也相对较高,
而JP17和JP18群体在单粒重和单壳重上都相对较
低。并且单粒重整体水平是单壳重的3倍左右。
除此之外, 本文还对种子中可溶性蛋白质含量(图
3-E)进行了测定, 结果显示群体JP7和JP8含量最低,
其他群体间该性状含量尽管差异显著, 但相较于
无机总氮含量变化幅度较小, 证明野生大麦种子
可能在此种储藏物质上存在一定的保守性。
对206个基因型的以上所有氮素相关性状数
据进行PCA计算, 结果如图4所示。根据不同群体
在种子含氮量性状上所显示出的显著差异性, 将
所有基因型按照群体分为两个组别: 种子含氮量
高的组别(图4, 红色)包括群体JP1、JP9、JP11、
JP20、JP23和JP25, 而低氮组别(图4, 蓝色)是JP2、
JP5、JP6、JP7、JP8、JP13、JP15、JP16、JP17和
JP18群体。PCA结果显示两个组别在成分1和成分
3 (总解释度为47.941%)的坐标轴中不同位置聚集,
说明种子含氮量在野生大麦籽粒氮素相关性状中
起决定性作用, 可明显影响其他性状的差异性。
2 野生二棱大麦籽粒在40 ºC条件下不同贮藏时间
后的Gmax差异显著
进行萌发实验的籽粒为完整的三联小穗。对
2012年收获的16个野生大麦群体籽粒40 ℃恒温处
理14、28和42 d后进行萌发测试, 结果如图5所
示。整体趋势可以看出, 随着高温贮藏时间的增
加, 各群体的Gmax均呈逐渐上升的动态变化。但各
群体Gmax变化幅度不尽相同, 部分群体变化幅度较
小, 如JP2、JP5、JP8、JP9、JP11等, 部分群体Gmax
上升较快, 包括JP15、JP20、JP23、JP25群体。
文玲玲等: 约旦野生二棱大麦群体籽粒休眠特性的网络分析 1231
图3 野生二棱大麦16个群体的籽粒氮素营养相关性状
Fig.3 Nitrogen-related traits of H. spontaneum caryopsis in sixteen populations
不同字母差异代表群体间的显著性差异(Tukey’s HSD, P<0.05)。图中数值为平均值±标准误差。图5同此。
在14 d的Gmax结果中(图5-A), JP11群体已经超
过50%, 远高于其他群体的20%萌发水平, 并且在
之后的两次萌发测试中JP11群体也保持着较高的
萌发率(图5-B和C)。这一显著结果与JP11群体在
壳含氮量中最低的表现相对应。同时, 具有较高壳
含氮量的群体JP16、JP17、JP20、JP23和JP25尽
管在14 d的萌发率不高, 但随着高温储藏时间的增
加其Gmax值也显著提高。以上结果表明, 壳含氮量
低的野生大麦群体具有较好的萌发优势, 三联小穗
中两边败育的小穗可能含有抑制种子萌发的含氮
物; 而壳含氮量较高的群体随着高温储藏时间的增
加其萌发率逐渐提高的现象也说明, 这种抑制萌发
的含氮物可能在高温条件逐渐降解或失活。
3 群体JP1、JP2、JP8、JP9和JP11的Gmax动态曲
线存在明显差异
基于2012年针对群体JP1、JP2、JP8、JP9和
JP11在高温储藏时间下不同的萌发结果, 将种植于
2013年的该5个群体进行休眠深度测试。该5个群
体包含66个基因型的40 ℃储藏时间增加到98 d, 每
隔14 d进行一次萌发测试, 结果如图6所示。图中
每个点代表群体内单个基因型的Gmax值, 而数学拟
合方程曲线是根据群体内所有基因型Gmax的平均
值进行计算。从拟合曲线方程的系数R2上看, 5个
群体的拟合系数均在0.9以上, 达到较高的数学方
程拟合程度。并且5个群体在该拟合曲线特征上
差异明显; JP11群体(图6-E)的AUC值最高, T10和T50
植物生理学报1232
图4 野生二棱大麦206个基因型籽粒氮素营养相关性状的主成分分析
Fig.4 Principal component analysis on nitrogen-related traits of 206 genotypes of H. spontaneum caryopsis
成分1和3的解释度分别为34.528%和13.413%。
也最小, 表明JP11群体仍然保持着最快的萌发特性
和最浅的休眠深度, 这一结果与2012年一致; JP2
(图6-B)、JP8 (图6-C)和JP9 (图6-D)群体具有类似
的Gmax拟合曲线, 在AUC、T10和T50参数上也相近;
而JP1群体(图6-A)呈现出典型的“S”曲线, 尽管
AUC值较高, 但T10和T50均最高, 其萌发趋势最缓
慢, 休眠程度最深。因此通过T50/AUC的比值可以
看出, 休眠程度最深的JP1群体比值最高。另外, 整
体趋势上看, 5个群体的Gmax拟合曲线在42 d之前差
异显著, 而42 d后均接近100%的萌发率。因此, 42
d的高温储藏时间可能是打破野生大麦群体休眠
的临界值, 这也表明影响野生大麦萌发的抑制物
可能会在42 d内分解或失活。
4 籽粒休眠特性、籽粒氮素营养与起源地生态地
理因素之间具有显著相关性
为了更好地论证野生二棱大麦籽粒氮素营
养、休眠特性和起源地生态地理因素之间的关联,
本文还对2013年收获的5个野生大麦群体籽粒氮
素营养相关性状进行了分析, 结果如表3所示。5
个群体中种子含氮量最高的仍是JP1群体, 壳含氮
量最低的群体也是群体JP11, 与2012年结果吻合。
分别对2012年和2013年籽粒氮素营养相关性
状、休眠特性和起源地生态地理数据进行相关性
网络分析, 结果如图7。在籽粒氮素营养与起源地
生态地理因素的分析中, 2012年(图7-A)的纬度(Lt)
与16个群体206个基因型的种子氮含量呈显著正
相关, 这一结果再次证明野生大麦群体的种子氮
素营养受到约旦境内不同地理环境的影响, 并且
低纬度的大麦群体种子含氮量较低。而在籽粒萌
发特性与起源地生态地理因素的关系中, 2012年中
季节平均温差(Td)、年平均降雨量(Rn)都与14、
28、42 d的Gmax值呈显著负相关, 八月平均温度(Ta)
与28、42 d的Gmax值呈显著负相关; 在2013年(图
7-B)纬度(Lt)、季节平均温差(Td)与0、14、28、42
d的萌发率呈显著负相关, 而年平均降雨量(Rn)几
乎与所有时间点的Gmax值呈显著负相关, 八月平均
温度(Ta)与14、28、42 d的Gmax值呈显著负相关; 特
别是代表种子休眠特性的关键指标T50也与一月平
均气温(Tj)、八月平均温度(Ta)、一月和八月平均
温差(Tav)、年平均降雨量(Rn)、纬度(Lt)和季节平
文玲玲等: 约旦野生二棱大麦群体籽粒休眠特性的网络分析 1233
图5 野生二棱大麦16个群体籽粒在40 ℃贮藏14 (A)、28
(B)和42 d (C)后的Gmax值
Fig.5 Gmax of sixteen populations of H. spontaneum caryopses
after storage at 40 ℃ for 14 (A), 28 (B) and 42 d (C)
该测试籽粒收获于2012年。
均温差(Td)呈显著负相关。以上结果充分证实, 该
野生大麦群体的籽粒休眠特性与起源地生态地理
因素存在显著关联, 不同地理环境下的野生大麦
存在不同的生态适应性, 进而决定其在休眠特性
上选择了不同的进化和遗传方向。
籽粒萌发或休眠特性与籽粒不同部位氮素营
养的相关性分析表明, 壳含氮量与2012年中3个
Gmax值均呈显著负相关; 这一结果在2013年的分析
中得到验证, 5个群体66个基因型的壳含氮量与0和
14 d的Gmax值呈显著负相关, 说明败育小穗中的含
氮物在野生大麦萌发特别是在高温储藏的前期对
萌发存在着明显的负调节作用。值得注意的是,
2013年的网络分析表明, 在0~98 d的8个不同高温
储藏时间下的Gmax值中, 0~42 d的Gmax值与其他性
状间有较密集的负相关(high nodal degree), 而
56~98 d后四个时间点负相关明显减少并且与种子
含氮量和单粒重出现正相关, 这一结果也证明野
生大麦在高温储藏的前期(0~42 d)受负调节的作用
明显, 而随着高温储藏时间的增加该调节作用也
逐渐减弱, 各群体间的萌发特性趋于相似, 这一结
果也与大麦Gmax动态曲线(图6)中的结果一致。
讨　　论
源自不同地区或同一地区不同微域的野生大
麦, 由于环境气候因素的差异, 在长期适应其起源
地生态地理条件过程中, 通过自然选择, 演化产生
出不同特征的群体和基因型(Harlan和Zohary 1966;
Nevo等1979a, b)。这一观点也得到了连锁不平衡
(linkage disequilibrium, LD)分析的证实(Morrell等
2005), 在野生大麦的LD分析中, 位点间LD值衰变
迅速并且受到地理环境因素的显著影响。文章中
来自约旦境内不同大麦群体的种子含氮量受生态
地理因素影响的现象也在野生二粒小麦中得到证
实(Nevo和Beiles 1989), 并且约旦境内的野生二粒
小麦在储藏蛋白上的特殊多样性也有报道(Ciaffi
等1993)。在该约旦大麦群体的研究中, 平均等位
基因频率、遗传率与生态地理因素中的海拔呈明
显负相关, 并且有6个SSR位点与海拔和温度呈负
相关, 而SSR标记HVM6和HVM36与降雨水平、纬
度和温度均呈正相关(Baek等2003)。因此, 不同的
生态地理环境造就了具有不同进化方向的野生大
麦群体, 因而也决定这些群体具有不同的种子氮
素水平。约旦境内高纬度地区的群体含氮量较高,
也可能因为该地区降雨量相对充足, 而纬度较低
的地区属干旱沙漠地带, 造成此地区大麦群体生
育期较短, 种子氮素积累不足。
本文中除16个大麦群体具有不同的种子氮素
水平外, 籽粒不同部位种子和壳的氮素营养也差
异显著。但三联小穗中种子与败育的小穗间的氮
素分配关系表现几乎一致, 种子氮含量较高的群
体其败育的小穗中氮含量较低, 壳氮含量较低的
群体种子内含氮量相对较高。这种植物氮素分配
平衡(trade-off)并影响后代种子萌发特性的现象在
其他植物中也有报道。分布于我国东北地区的菊
植物生理学报1234
表3 2013年5个野生二棱大麦群体的籽粒氮素营养相关性状
Table 3 Nitrogen-related traits of caryopsis from five populations of H. spontaneum in 2013
群体　　　　　　 种子氮含量/% 壳氮含量/% 单粒重/mg 单壳重/mg
JP1 3.01±0.14 0.436±0.103 39.5±5.1 14.4±1.6
JP2 2.55±0.13 0.476±0.141 33.6±3.5 8.9±1.0
JP8 2.78±0.25 0.458±0.095 34.7±6.1 10.5±2.5
JP9 2.72±0.16 0.432±0.078 38.6±4.4 17.9±2.1
JP11 2.72±0.22 0.366±0.062 41.9±3.8 15.3±2.2
　　表中数值为平均值±标准误差。
图6 群体JP1、JP2、JP8、JP9和JP11在40 ℃贮藏0~98 d的Gmax动态曲线
Fig.6 Dynamic curves of Gmax in populations of JP1, JP2, JP8, JP9 and JP11 after storage at 40 ℃ for 0~98 d
图中“×”符号代表该群体单个基因型的Gmax值, “▲”代表群体内所有基因型Gmax的平均值。Gmax动态曲线基于群体内平均值数据, 曲线
拟合方程为Hill三参数模型。Gmax动态曲线的参数R
2、AUC、T50、T10及T50/AUC标注在图内。该测试5个群体籽粒收获于2013年。
叶委陵菜(Potentilla tanacetifolia)在高氮土壤环境
中单位面积内所繁殖的种子数量明显高于对照,
但种子单粒重和种子的萌发率均显著低于对照(Li
等2011)。而在不同番茄种子和果实发育过程中的
CNA比较也证实果实中氮素营养与种子器官呈现
竞争关系, 该分析结果还表明较大果实中的后代种
文玲玲等: 约旦野生二棱大麦群体籽粒休眠特性的网络分析 1235
图7 野生二棱大麦籽粒萌发特性、籽粒氮素营养相关性状与起源地生态地理数据相关性网络
Fig.7 The correlation networks of H. spontaneum among germination characters, nitrogen-related traits of caryopsis and its geo-
graphical and climatological data of habitats
SeW: seed weight, 单粒重(mg); ShW: shell weight, 单壳重(mg); SeNC: seed nitrogen concentration, 种子氮含量(%); ShNC: shell nitrogen
concentration, 壳氮含量(%); TSPC: total soluble protein concentration, 种子可溶性蛋白含量(%); Lt: latitude, 纬度; Ln: longitude, 经度; Al:
altitude, 海拔(m); Rn: mean annual rainfall, 年平均降雨量(mm); Ta: mean hottest month temperature, 八月平均温度(℃); Tj: mean coldest month
temperature, 一月平均温度(℃); Td: seasonal temperature difference, 季节平均温差(℃); Tav: mean of Ta plus Tj, 八月和一月平均温差(℃); Gmax-
0D~Gmax-98D: 40 ℃贮藏0至98 d最大萌发率(%); T50: 籽粒Gmax达到50%的时间(d); T10: 籽粒Gmax达到10%的时间(d); AUC: Gmax动态曲线与横
坐标之间的面积。
植物生理学报1236
子可能具有较弱的繁殖能力(Toubiana等2012)。因
此, 野生大麦三联小穗尽管两边的小穗最终未受精
而败育, 但在籽粒发育的过程中该小穗同样富集一
定的氮素并与中央小穗呈竞争关系, 该积累的氮素
可能在之后的萌发调节中起重要生理功能。
从本文的结果中可以看出, 败育小穗中的含
氮量显著影响着籽粒的休眠特性。不同地理分布
的大麦群体在籽粒发育过程中具有不同的氮素分
配能力, 在败育小穗中得到较多氮素的大麦群体
在后熟过程中具有较低的萌发速率, 而萌发较快
的大麦群体中败育小穗中含氮量相对较低。这种
野生大麦种子器官氮素营养分配影响其萌发或休
眠特性的结果尚无文献报道。同时, 在以上生态
地理因素的分析中发现, 壳氮素较高的群体多出
现在约旦的高纬度地区, 而壳含氮量最低的JP11群
体来源于约旦南部。因此, 从结果上看约旦北部
地区的大麦群体具有较深的休眠特性, 如JP1群
体。约旦南部因沙漠气候可能导致大麦必须在较
短的时间内完成生命周期, 从而造成这些大麦群
体休眠较浅, 以便在短暂雨季内完成快速萌发。
植物种子休眠是植物在长期的环境适应中形
成的一种特性, 这种特性能够确保植物在恶劣的
环境中存活, 减少同一物种中个体之间的竞争, 以
及防止种子在不适合的季节萌发(Finkelstein等
2008)。植物种子的休眠受许多基因的调控, 还受
植物激素和环境因子的影响, 是一种复杂的生理
现象(Finch-Savage和Leubner-Metzger 2006; Finkel-
stein等2008)。基于休眠极深的拟南芥亲本Cvi
(cape verde islands)的发现以及相关遗传分析, 拟南
芥中与休眠相关的DOG1基因已经被克隆(Ben-
tsink等2006)。而在麦类作物中相关休眠机理研究
仍进展缓慢, 其主要原因是至今仍未找到深度休
眠的研究材料。起源于约旦的野生二棱大麦, 在
长期适应干旱少雨气候环境的过程中, 形成的休
眠多样性保证其能在恶劣的环境中存活。但不同
地理来源的群体休眠特性差异较大, 也是该群体
为了适应不同生态条件的进化结果。这为大麦在
休眠机理研究上提供了丰富的实验材料。
由野生二棱大麦败育小穗介导的休眠目前并
无系统的研究报道, 本文结果表明野生大麦败育
的小穗中可能含有抑制萌发的含氮物, 这一结果
对解决栽培二棱大麦穗发芽问题具有全新的应用
意义。适度提高栽培大麦的胚休眠可能会导致其
田间出苗率较差, 而通过传统杂交方法增加栽培
二棱大麦败育小穗中的含氮物, 不仅在田间大麦
后熟期间可抑制种子在雨季中萌发, 并且收获后
通过脱粒去除该败育小穗, 从而不会影响种子的
进一步萌发。
高温储藏打破休眠的方法已经在拟南芥和大
麦等多种作物的休眠研究中普遍使用(Alonso-Blan-
co等2003; Zhang等2005; Yan等2008; Bentsink等
2010)。高温储藏可加速种子后熟的完成, 从而提
前进入萌发期。在本文的研究中发现, 不同的高
温储藏时间对野生大麦萌发特性有着显著影响。
42 d的40 ℃储藏时间可以明显打破所有群体的休
眠, 说明可能抑制种子萌发的潜在抑制物可在42 d
内分解或失活, 这一结果目前也尚无文献报道。
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