玉米穗部性状的QTL定位

第34卷第5期西南师范大学学报(自然科学版)2009年10月Vol134N o15Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition)Oct12009文章编号:1000-5471(2009)05-0133-06玉米穗部性状的QTL定位代国丽,蔡一林,徐德林,吕学高,王国强,王久光,孙海艳西南大学玉米研究所,农业部生物技术与作物品质改良重点实验室,重庆400716摘要:以玉米自交系L26和095组配的F2世代为定位群体,采用SSR分子标记技术构建了包括98个位点的连锁图谱,结合F2穗部性状的鉴定结果,利用复合区间作图法对秃尖长等8个穗部性状进行基因定位,共检出21个QT L.其中穗长检测到3个Q T L;穗粗、穗行数分别检测到2个QT L;行粒数检测到3个Q T L;轴粗检测到2个Q T L;200粒质量检测到3个QT L;穗粒质量检测到6个Q T L;秃尖长没有检测到QT L.检出的21个Q T L 中,有10个Q T L的解释变异率超过了20%,表现为主效QT L效应.研究还发现,穗部性状QT L在玉米10条染色体上分布不均匀,且成簇分布.该试验中检测到的21个QT L中,有10个影响不同性状的QT L位于3个染色体区域.各个Q T L位点上起增、减效作用的等位基因在亲本间分布不均匀.关键词:玉米;SSR;穗部性状;Q T L定位中图分类号:S513文献标识码:A提高玉米产量一直是玉米工作者追求的主要目标之一,通过检出产量相关连锁标记有效促进品种选育和性状改良,这已获得广泛共识.果穗是玉米的主要收获器官,穗部性状是构成产量的重要组成因素.借助QTL作图,确定出玉米穗部相关性状的主要QTLs位点及这些QT Ls之间的互作关系,能够对这些性状的育种改良提供实践指导和理论依据.认识性状的遗传规律是对其进行选择和改良的基本前提.然而,玉米的穗部性状遗传规律复杂且易受环境影响,国内外对穗部性状进行了大量的QTL研究,而对同一性状由于所用材料、环境差异和QT L分析方法不同,检测出同一性状的QT L逐渐增多,但研究结果不尽相同[1-4].大量类似研究检出的QTL由于位置的不确切性和解释表型变异率不大,很难应用于有效提高分子标记辅助选择(Marker-assisted selec-tion,MAS).本研究采用在多个穗部性状表型上表现明显差异的自交系L26和自交系095为亲本材料,组配后代家系构建分子标记连锁图,对与产量密切相关的多个穗部性状进行全基因扫描(scanning),检测该遗传背景下各性状的QTL位点,以期进一步揭示多个性状的遗传机理和检出贡献率较大的调控位点,为分子标记辅助选择提供依据,并丰富现有玉米基因组资料,为全面研究数量遗传打下基础.1材料及方法111材料及田间试验2006年春用L26作母本,095作父本组配F1代,095是重庆西南大学玉米研究所通过诱变育种方法得¹收稿日期:2008-11-21基金项目:重庆市/水稻玉米良种创新0资助项目(CSCT,2007AA1022).作者简介:代国丽(1982-),女,内蒙古赤峰人,硕士,主要从事遗传育种研究.通讯作者:蔡一林,教授,博士生导师.134西南师范大学学报(自然科学版)投稿网址http://xbgjx t1sw u1cn第34卷到的玉米自交系.2006年冬在海南种植F1代,通过自交获得F2代,2007年春在西南大学玉米研究所试验场依次种植P1(095)、P2(L26)、F1、F2共4个世代,密度为415株/m2,田间水肥管理与大田生产同.112穗部性状考查待果穗成熟收获晒干、室内考种,P1、P2、F1、F2共4个世代依次随机取40,40,50,186个果穗,进行秃尖长(BL)、穗长(EL)、穗粗(ED)、穗行数(RN)、行粒数(RKN)、轴粗(CD)、200粒质量(TH KW)、穗粒质量(KW)等性状表型数据的测量.113SSR标记分析与图谱构建在苗期分别剪取P1、P2、F1、F2单株叶片,采用Sagha-i M ar oof提出的CTAB法抽提叶片DNA[5].从玉米基因组数据库(http://w ww1maizeg db1or g)上选取均匀分布在玉米10条染色体上的507对引物(由赛百盛和上海生工两家公司合成).对这507对SSR引物进行亲本间多态性引物的筛选,将筛选出的差异引物进行作图群体标记带型数据采集,用于连锁图谱的构建和各性状的QT Ls分析.用JoinM ap310(Meer et al1,2004)进行标记连锁分析,LOD=310,重组率014,采用Kosam bi[6]作图函数,利用绘图软件Map-Chart215绘制连锁图(Voo rrips,2002).114QTL定位结合分子标记和性状表型数据,利用绘图软件Window s QTL Carto grapher210,采用复合区间作图(CIM)法,对8个性状进行Q TLs检测,每个性状分别进行1000次的排列测验(per mutation test)以确定QTL的LOD值,同时计算每个QT L位点的遗传效应及其对表型的贡献率.基因的作用方式按Stuber等(1987)[7]的标准判定,DR=显性效应值/加性效应值,DR=0-0120为加性方式,记为A;DR=0121-0180为部分显性,记为PD;DR=0181-1120为显性方式,记为D;DR>1120时为超显性方式,记为OD.2结果及分析211组合L26@095的遗传连锁图507对均匀覆盖在基因组上的SSR引物经亲本L26和095的多态性筛选共检测到140对差异引物,占总引物数目的28%.其中有27对引物或没能扩增出条带,或多拷贝引物、差异带为弱带,或差异带不易分辨,因此选用了108对引物进行F2分子标记数据采集.利用Jo imap310作图软件,对上述引物所有带型进行遗传连锁分析,结合该连锁群上各标记位点在多个标准图谱(如http://w w w1m aizeg db1org/上IBM2 2005Neighbo rs Fram e5等)染色体上的位置,第1染色体上的标记被划分为3个连锁群,第3染色体上的标记被划分为2个连锁群,最终构建出整合了98对SSR引物位点的L26@095的遗传连锁图(图1).从图1可以看出,本遗传图共15个连锁群,连锁群长度919~9011cM,含2~13个标记位点,总的遗传长度为81013cM,约占玉米全基因组的58190%,标记间的平均距离为8127cM,满足基因初步定位的要求.212穗部性状的QTL分析基于Joinm ap310软件构建的L26@095的遗传连锁图,结合各性状的表型值,利用QTL定位软件WinQT LCart210,选择CIM(composite interval mapping)作图法,对穗部性状进行全基因组QT L扫描,结果如表1、图1.从表1可以看出,在L26@095组合中,8个穗部性状共检测出21个QTL,其中秃尖长未检出QT L位点,而穗粒质量检出6个QTL.21个QT L分布在Ch1、Ch2、Ch3、Ch5、Ch8、Ch9、Ch10共7条染色体上,解释表型变异率范围为10173%~37139%,qEL1、qEL2、qRNK1、qRNK2、qT H KW2、qTH KW3、qKW1、qKW2、qKW3、qKW4等10个Q TL的解释表型变异率均超过20%,表现出一定程度的主效QT L 效应.从表2中各位点的增减效应来看,父本自交系095在qEL1、qEL2、qRNK1、qRNK2、qCD1、qTH-KW1、qKW1、qKW4共8个位点上对相应性状起增效作用,而在其它13个位点上,母本L26起增效作用.括号内的数字为标准图谱上标记所在的染色体编号.图1 用L26@095的F 2群体构建的遗传连锁图及各性状QT L 位点图21211 穗长QT L 检测穗长检测到3个位点,qEL1-qEL3,分布于Ch2、Ch5、Ch10,连锁标记依次为umc2252、bnlg2305-phi087、umc1962-umc1152,染色体区段分别为241248-311393cM 、0-11cM 、1819-2315cM ,可分别解释表型变异的24145%,29108%,18131%,前2个位点表现出一定程度的主基因效应.母本L26在前2个位点上起减小穗长作用,而在第三个位点上使穗长增加.21212 穗粗QT L 检测穗粗检测到2个QT L,qED1和qED2,均分布于Ch10,连锁标记依次为bnlg1074-bnlg1655、um c1962,染色体区段分别为515-9146cM 、181301-191462cM,可分别解释表型变异的12187%,135第5期 代国丽,等:玉米穗部性状的QTL 定位13105%.母本L26在2个位点上均起增加穗粗作用.基因互作方式上,2个位点均为加性,可见加性对穗粗起着重要作用.表1穗部性状的QTL分析结果QT L 名称连锁群染色体区段双侧标记L OD值解释性状变异率/%遗传效应加性效应显性效应基因效应qEL1Ch2241248-311393umc2252-bnlg371414824145-11381107PD qEL2Ch50-11bnlg2305-phi0872********-11271130D qEL3Ch101819-2315U mc1962-umc115231521813101520131PD qED1Ch10515-9146Bnlg1074-bnlg16553114121870145-0107A qED2Ch10181301-191462umc1962-umc115241711310501480109A qR N1Ch1011743-71743Bnlg1074-bnlg16554179171321125-0163PD qR N2Ch101815-1915umc1962-umc11523179161251118-0157PD qRN K1Ch1471094-551094bnlg1025-bnlg615215529165-31323147D qRN K2Ch9101253-111779bnlg1191-umc2343315027157-31513145D qRN K3Ch10181801-271462U mc1962-umc115271941710131000144A qCD1Ch5451986-471431umc1557-bnlg105218711172-01290110PD qCD2Ch9191779-211779Bnlg1191-umc234321861017301060118O DqT HK W1Ch2271128-321393umc2252-bnlg371412719149-21700137AqT HK W2Ch3211646-29193Bnlg1449-bnlg1350a7108331185152-5143DqT HK W3Ch8231503-261521umc2367-bnlg11522172291943132-2148PD qK W1Ch18-91539umc1819-phi064219525125-1617713128PD qK W2Ch20-2Bnlg1006-umc186131343713936176-16123PD qK W3Ch8511219-561346Bnlg1152-bnlg160731032919720111-16164D qK W4Ch98-141779bnlg1191-umc2343219525175-1616818187D qK W5Ch1021576-91243Bnlg1074-bnlg1655314314159101005143PD qK W6Ch10171801-191462umc1962-umc1152515417176151130163A注:/-0表示L26等位基因的加性效应减少性状表型值,反之为L26等位基因的加性效应增加性状表型值.21213穗行数QT L检测穗行数检测到2个QTL,qRN1和qRN2,均分布于Ch10,连锁标记依次为bnlg1074-bnlg1655、um c1962,与穗粗性状相同,但qRN1和qRN2染色体区段分别为11743-71743cM、1815-1915cM,可分别解释表型变异的17132%,16125%.母本L26在2个位点上均起增加穗行数作用.基因互作方式上,2个位点均为部分显性,可见部分显性对穗行数起着重要作用.21214行粒数QT L检测行粒数检测到3个QT L,qRN K1-qRNK3,分布于Ch1、Ch9、Ch10,连锁标记依次为bnlg1025-bn-lg615、bnlg1191、umc1962-umc1152,染色体区段分别为471094-551094cM、101253-111779cM、81801-271462cM,可分别解释表型变异的29165%,27157%,17101%,前2个位点表现出一定程度的主基因效应.母本L26在前2个位点上起减少行粒数作用,而在第三个位点上起增效作用.21215轴粗QT L检测轴粗检测到2个Q TL,qCD1和qCD2,分布于Ch5和Ch9,连锁标记依次为um c1557-bnlg105、bn-lg1191-umc2343,染色体区段分别为451986-471431cM、191779-211779cM,可分别解释表型变异的11172%,10173%.母本L26在第一个位点上起减小轴粗作用,而在第二个位点上使轴粗增加.21216200粒质量QTL检测200粒质量检测到3个QT L位点,qT H KW1-qT H KW3,分布于Ch2、Ch3、Ch8,连锁标记依次为um c2252-bnlg371、bnlg1449-bnlg1350a、umc2367,染色体区段分别为271128-321393cM、211646-29193cM、231503-261521cM,可分别解释表型变异的19149%,33118%,29194%,qT H KW2和qTH-KW3表现出一定程度的主效QTL效应.母本L26在第一个位点上起减效作用,而在后2个位点上起增加200粒质量作用.136西南师范大学学报(自然科学版)投稿网址http://xbgjx t1sw u1cn第34卷21217 穗粒质量QT L 检测穗粒质量检测到6个Q TL,qKW1-qKW6,分布于Ch1、Ch2、Ch8、Ch9、Ch10、Ch10,连锁标记依次为umc1819、bnlg1006-um c1861、bnlg1152-bnlg1607、bnlg 1191、bnlg1074-bnlg1655、um c1962,染色体区段分别为8-91539cM 、0-2cM 、511219-561346cM 、8-141779cM 、21576-91243cM 、171801-191462cM ,可分别解释表型变异的25125%,37139%,29197%,25175%,14159%,17176%,其中前3个位点的贡献率较大,表现为一定程度的主效基因效应.母本L26在qKW1和qKW4上起减少穗粒质量的作用,而在其它位点上起增加作用.秃尖长未检出QT L.21218 控制不同性状的QT L 在染色体上分布本实验中检测到的21个QT L 中,有10个影响不同性状的QT L 位于染色体3个区域,从图1可以看出,不同性状的QT L 位于染色体上相同标记区间内和相同标记连锁的现象广泛存在.可见,在表型上表现相关的性状,它们的QT L 中也有一个到多个的Q TL 位点位于染色体相同标记区间,如行粒数(RN K)与穗粒质量(KW)、行粒数(RNK)与穗长(EL)、穗粗(ED)与穗行数(RN)、穗行数(RN )与穗粒质量(KW)统称为QTL 相关.3 讨 论311 等位基因座的增效性与减效性对于不同性状的不同Q TL,亲本的增减效应均有差异.如本实验中,父本095在qKW1和qKW4上起增加穗粒质量的作用,而在qKW2、qKW3、qKW5和qKW6位点上母本L26起增效作用.Song 等[8]将这些作用称为隐蔽基因效应(cr yptic g ene effect),认为这些等位基因在亲本中被紧密连锁的其它基因所隐盖,发生重组后可被检测到.由于增效等位基因可同时来自双亲,所以在聚合创制优良育种新材料时,双亲材料的遗传贡献均应当引起重视[9].312 不同性状的QTL 分布在染色体同一区域与/一因多效0本研究还发现了不同性状的QT L 位于染色体同一区域,即若干个性状QTL 成簇分布的现象,如第十染色体的bnlg 1074-bnlg1655标记间聚集了qED1、qRN1、qKW5共3个QTL,同一条染色体的umc1962标记区附近聚集了qRNK3、qEL3、qED2、qRN2、qKW6共5个QTL.产生这种现象的主要原因有:¹同一个QT L,能影响不同性状的表现,即/一因多效0;º不同的QTL,但紧密连锁,即控制不同性状的QTL 在染色体上成簇分布[10].无论是单个QT L 的/一因多效0,还是不同QT L 间的紧密连锁,QT L 区域的连锁表现在性状表型上必然是一定程度的相关,影响不同性状的QT L 区域必然会使不同性状之间产生某种相关.Liu 等[11]人的研究认为,植物抗病基因成簇分布是由基因的跳跃复制和突变机制形成的,玉米数量性状的QTL 成簇分布原因有待进一步研究,但本实验揭示的多个性状QT L 分布在相同标记间的现象,可能是发掘通用QT L 的候选位点,即对育种中M AS 达到/一选多效0的效果.313 穗部性状的QTL 定位目前,对穗部性状QT L 定位的研究较少,已有的研究报道中,吕学高等[12]在染色体9上检测到行粒数的QT L 分布,而本研究中行粒数检测到3个位点,分别位于1,9和10染色体上.本研究在和前人研究结果一致的基础上又丰富了已有的行粒数的QTL 位点.谢惠玲等人[12]在不同试点检测玉米穗部性状的QTL,3个试点共检测到9个控制穗行数的QT L,位于1,4,5,6和10染色体上,其中第10染色体上控制穗行数的QT L 只在一个试点被检测到,本研究也在染色体10上检测到穗行数的QTL.兰进好等[14]在北京和新疆2个生态环境下对穗部性状进行QT L 定位,大部分QTL 只在单一环境下被检测到,说明环境会影响到穗部性状的QTL 定位.因此,在不同环境下对穗部性状进行QT L 检测,利于丰富穗部性状的QT L 位点.参考文献:[1]向道权,杨俊品.玉米SSR 遗传图谱的构建及产量性状基因定位[J].遗传学报,2001,28(8):778-784.[2] 王春丽.玉米穗部性状及主要农艺性状发育动态的Q T L 定位[D].郑州:河南农业大学,2005.[3] 杨俊品,荣廷昭,向道权.玉米数量性状基因定位[J].作物学报,2005,31(2):188-196.137第5期 代国丽,等:玉米穗部性状的QTL 定位138西南师范大学学报(自然科学版)投稿网址http://xbgjx t1sw u1cn第34卷[4]严建兵,汤华,黄益勤.玉米产量及构成因子主效和上位性Q T L的全基因组扫描分析[J].科学通报,2006,51(12):1413-1421.[5]Sagha-i M aroo f M A,Soliman K M.R ibo somal DN A Spacer-leng th Po lymo rphisms in Barley:M endelian Inher itance,Chromo so mal L ocation,and P opulatio n D ynamics[J].Pr oc.N atl.A cad.Sci,1984,(81):8014-8018.[6]K osambi D D.T he Estimat ion of M a p Distance Fro m Recombination V alues[J].Ann.Eug en,1944,(12):172-175.[7]Stuber C W,Edw ar ds M D,W endel J F.M o lecular M ar ker-facilitated Investig atio ns of Quantitative T rait L oci in M aize,Facto rs Influencing Yield and its Component T raits[J].Cr op Science,1987,(27):639-648.[8]Song K,Slocum M K,O sbom T C.M olecular M ar ker A nalysis o f Genes Encoding M or pho log ical Va riation in BrassicaRapa(sy n.cam pestris)[J].T heor A ppl G enet,1995,90(1):1-10.[9]陈天青.玉米穗尖扁平及相关穗部性状的Q T L分析[D].重庆:西南大学,2007:34-37.[10]王毅,姚骥,张征锋,等.基于玉米综合QT L图谱的比较分析及株高Q T L的综合分析[J].科学通报,2006,51(15):1776-1786.[11]L iu X M,G ill B S,Chen M S.H essian F ly Resistance Gene H13is M apped t o a Distal Cluster of Resistance Genes inChromo so me6DS o f Wheat[J].T heor A ppl G enet,2005,11(2):243-249.[12]吕学高,蔡一林,陈天青,等.玉米穗部性状Q T L定位[J].西南大学学报(自然科学版),2008,30(2):64-70.[13]谢惠玲,冯晓曦,吴欣,等.玉米穗部性状的Q T L分析[J].河南农业大学学报(自然科学版),2008,42(2):145-149.[14]兰进好,李新海,高树仁,等.不同生态环境下玉米产量性状Q T L分析[J].作物学报,2005,31(10):1253-1259.QTL Mapping for Ear Traits in Maize(Zea Mays L.)DA I Guo-li,CA I Y-i lin,XU De-lin,LV Xue-g ao,WA N G Guo-qiang,WA N G Jiu-guang,SU N H a-i yanMaize Institute,Southw est University,Key Laboratory of Bi otechnol ogy andCrop Quality Improvement,M inistry of Agriculture,Chongq i ng400716,ChinaAbstract:In this paper,21QTLs of8ear traits w ere located on the maize linkage m ap of crossing L26@ 095by m eans of SSR through the CIM analyzing.Wherein these,3,2,2,3,2,3,6QTLs w ere respec-tively identified for Ear Leng th,Ear Diameter,Row num ber,Kernels Number per Row,Cob Diameter, 200-ker nel Weig ht and Kernel Weight,w hereas no QTL w as found for Leng th o f Bare T ip of Ears.Amo ng these,10QT Ls could account for ov er20%o f total variation,w hich show ed the char acters of major g ene. Additionally,these QT Ls w ere not uniform ly distributed on all10chromo som es.10QTLs that co ntro lled different traits distributed3chromo som e bins.T he increased-effect allele and the decreased-effect allele on these Q TLs w ere no t w el-l uniform betw een the parents and m any different Q TLs w er e detected to link w ith the sam e makers.Key words:M aize(Zea May s,L);SSR;ear traits;QT L mapping责任编辑夏娟。