全 文 :书玉米持绿相关犙犜犔整合图谱构建及一致性
犙犜犔区域内候选基因发掘
方永丰1,2,3,李永生3,白江平1,2,3,慕平3,孟亚雄1,2,3,
张金林4,王汉宁1,2,3,尚勋武3
(1.甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室,甘肃 兰州730070;2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室,甘肃 兰州730070;
3.甘肃农业大学农学院,甘肃 兰州730070;4.兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州730020)
摘要:以玉米高密度遗传连锁图谱IBM22008Neighbors为参考图谱,收集来自不同实验中的173个玉米持绿相关
数量性状位点(quantitativetraitlocus,QTL)信息,利用BioMercator2.1软件,构建出玉米持绿相关 QTL整合图
谱;采用元分析技术,在1,4,5,9号染色体上发掘出5个持绿“一致性”QTL区间。根据“一致性”QTL区间两端标
记在玉米物理图谱B73RefGen_v2上的位置,将“一致性”QTL区间进行物理图谱定位,利用PlantGDB(http://
www.plantgdb.org/)在线区段批量下载工具(downloadregiondata)下载“一致性”区间的1445个预测基因序列并
进行生物信息学分析,发现预测基因主要参与具体的细胞过程,执行结合功能,催化、转移酶活性和氧化还原酶活
性等分子功能。根据“一致性”QTL区间的基因位点名称,在NCBI中下载相关基因序列,与所在“一致性”QTL区
间所有预测基因保守结构域进行比对,在5个“一致性”持绿 QTL区间内初步确定8个持绿相关候选基因。利用
GRAMENE网站(http://www.gramene.org/)的Cmap功能,将水稻持绿基因狊犵狉(staygreen)转定位于玉米物理
图谱B73RefGen_v2上,找到与其同源的玉米候选基因GRMZM2G091837_T01,其序列与已发表的玉米衰老诱导
叶绿体持绿蛋白基因狊犵狉1序列一致。
关键词:玉米;持绿性;数量性状位点(QTL);整合图谱;元分析
中图分类号:S513.03;Q943.2 文献标识码:A 文章编号:10045759(2012)04017511
玉米(犣犲犪犿犪狔狊)是重要的饲料、工业加工原料和粮食作物,其产量和品质对保障粮食安全和人民生活具有
举足轻重的战略作用[1]。持绿性是指在籽粒生理成熟期叶片因衰老进程延缓而保持绿色的特性,被认为是作物
的理想农艺性状[2]。玉米持绿型品种后期绿色叶片数和重量、叶面积指数、叶面积持续期等均优于常规品种,具
有较高的光合活性,较高的蛋白质、蔗糖及脂类含量,较低的纤维含量,其生物产量、籽粒产量和秸秆营养价值也
较高[35],并且对一些不良的条件如病害、旱灾、倒伏等具有较强的抗性[6],是玉米品种的演进方向[7,8]。但由于玉
米的持绿性表现为一个典型的数量性状,而且只有在籽粒到达生理成熟期才能准确鉴定,使得用传统方法选育具
持绿性状的品种进展缓慢[9]。分子数量遗传学和分子标记技术的发展使得剖析数量性状的多基因遗传行为成为
可能,至今在玉米中已定位170多个持绿相关数量性状位点(quantitativetraitlocus,QTL)[1016],但由于各实验
所用的材料、作图群体、实验设计、统计方法、性状多少、标记多少、群体大小等互不相同,致使不同实验检测出的
QTL数目和座位存在较大差异,虽然这些研究结果在探索玉米持绿性的遗传机制及其与环境的互作上提供了有
益的参考,但在玉米持绿性育种实践中应用仍有限[17]。
元分析(metaanalysis)是一种可以合并不同研究数据进行统计分析且可以对实际数据进行全面检验的方
法[18]。它可以在整合QTL的基础上,建立数学模型优化QTL,缩小置信区间,提高QTL定位的准确度和有效
性[19]。随着生物信息学、比较基因组学理论和方法的发展以及水稻(犗狉狔狕犪狊犪狋犻狏犪)、玉米等重要作物全基因组测
序的完成,在全基因组序列水平,功能水平上进行比较基因组研究成为了可能[20,21]。2004年,Chardon等[22]利用
第21卷 第4期
Vol.21,No.4
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
175-185
2012年8月
收稿日期:20120220;改回日期:20120418
基金项目:973计划前期研究专项(2012CB722902)和甘肃省科技攻关计划项目(2GS064A4100105)资助。
作者简介:方永丰(1976),男,甘肃临洮人,讲师,在读博士。Email:fangyf@gsau.edu.cn
通讯作者。Email:wanghn@gsau.edu.cn,shangxunwu@163.com
元分析的方法对313个玉米花期相关QTL信息进行整合分析,最后确定62个“一致性”QTL的准确位置,并通
过与水稻花期性状基因的共线性分析进行验证,发现玉米19处“一致性”QTL区域与水稻花期性状基因紧密相
关。目前,该方法已被广泛应用于各种作物不同性状的整合定位研究[23,24]。在玉米上,李雪华等[25]、栗文娟
等[26]分别对不同遗传背景的遗传图谱进行整合,构建了玉米抗旱性的一致性遗传图谱;王毅等[27]、张耿等[28]、王
帮太等[29]、王晓丽等[30]分别构建了玉米产量及构成因子一致性遗传图谱;吉海莲等[31]构建了玉米抗丝黑穗病一
致性遗传图谱,但对玉米持绿性状QTL的一致性遗传图谱的构建及元分析还未见报道。
本研究利用生物信息学方法,对前人定位的玉米持绿相关性状QTL进行收集整理,利用BioMercator2.1
软件[19],以玉米高密度分子标记连锁图谱IBM22008Neighbors为参考图谱,将原始图谱上不同来源的QTL映
射到参考图谱上,构建玉米持绿性状QTL整合图谱,通过元分析的方法进行“一致性”QTL区间的鉴定,结合玉
米基因组序列信息以及生物信息学方法,发掘玉米持绿相关的基因组区域及其候选基因,为深入理解玉米持绿性
状的遗传控制机制和分子设计育种提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
以玉米基因组数据库(http://www.maizeGDB.org/)和已发表文献中的玉米持绿相关QTL定位信息为研
究对象。
1. 实验方法
1.2.1 玉米持绿性相关QTL数据的收集 从玉米基因组数据库(http://www.maizeGDB.org/)和已发表的文
献中对玉米成熟期绿色叶片数、成熟期绿叶面积、叶片叶绿素含量、光合速率等持绿相关性状QTL定位信息进
行收集,将收集到的每个QTL数据按BioMercator2.1软件的要求建立QTL数据。QTL的位置(最大可能性
的位置及其置信区间)、连锁系数(logarithmofodds,LOD)(当LOD值≥3.0时,表明标记和QTL连锁)和贡献
率犚2(解释表型变异的比率)是QTL的3个重要参数,如果某一QTL的置信区间未知,则根据Darvasi和Sol
ler[32]的公式推断其95%的置信区间。
犆.犐.=530/(犖×犚2) (1)
犆.犐.=163/(犖×犚2) (2)
式中,犆.犐.指QTL的置信区间(confidenceinterval),犖 代表作图群体的大小,犚2 代表该 QTL的贡献率,公式
(1)适用于回交和F2 作图群体,公式(2)适用于重组自交系群体。
1.2.2 玉米持绿性相关QTL信息的整合 根据收集到的玉米持绿QTL信息确定其所涉及的染色体,以IBM2
2008Neighbors为参考图谱,将原始图谱和参考图谱上相关标记载入BioMercator2.1软件,构建图谱信息库,然
后将QTL数据分不同性状载入对应图谱,利用齐序函数(homotheticfunction)计算共有标记间距,将原始QTL
的最大可能性位置及置信区间的两端标记按比例标注到参考图谱上,即映射(projection),如果某个QTL的任一
位置标记不能映射,则去掉该QTL[19]。
1.2.3 玉米持绿性相关QTL的元分析 利用BioMercator2.1软件中的元分析(metaanalysis)程序估算“一致
性”QTL存在的位置和置信区间。按照软件要求和综合图谱上QTL置信区间信息,通过染色体步移法,对不同
性状QTL分别进行元分析,对独立来源的同一染色体上相同性状且位于同一座位或有重叠座位的QTL计算出
一个“一致性”QTL,这个“一致性”QTL包括1,2,3,4和 NQTL五个模型,其中可靠性检验值(akaiketype
criteriavalues,AIC)最小的模型为最优模型,即最优“一致性”QTL,也是比较接近“真实”QTL的模型,并通过高
斯定理最大似然比估算“一致性”QTL存在的位置和置信区间[19]。
1.2.4 玉米持绿性“一致性”QTL区间的物理图谱定位及候选基因 GeneOntology(GO)分析 利用 Maize
GDB网站(http://www.maizeGDB.org/)中的GenomeBrowser工具将玉米物理图谱B73RefGen_v2序列信
息与IBM22008连锁图谱的标记信息进行整合,将元分析所得“一致性”QTL区间进行物理图谱定位,利用Plant
GDB(http://www.plantgdb.org/)在线区段批量下载工具(downloadregionrata),下载“一致性”QTL区间所
有候选基因序列,利用AgBas(http://www.agbase.msstate.edu)在线 GOSlimViewer功能,对候选基因进行
671 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.4
GeneOntology(GO)分析[33],以了解玉米持绿“一致性”QTL区间候选基因所涉及的生物学功能。
1.2.5 玉米持绿性“一致性”QTL范围内持绿相关基因位点候选基因发掘 在参考图谱IBM22008Neighbors
上,对“一致性”QTL区间及其邻近区域的持绿相关基因位点进行整理,根据“一致性”QTL区间的基因位点名
称,在NCBI(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)中检索,即可得到该基因或相似功能基因的序列信息。利用
PlantGDB在线区段批量下载工具,下载“一致性”区间所有蛋白序列,然后,利用Pfam网站(http://pfam.san
ger.ac.uk/)批量搜索工具(batchsearch),对所有蛋白序列进行保守结构域分析。最后将这些分析的结果与
NCBI网站提供的基因注释信息进行对比与整合,发掘“一致性”QTL区间及其邻近区域的持绿相关基因位点玉
米持绿相关候选基因。
1.2.6 基于基因比较定位的玉米持绿性候选基因发掘 从水稻基因组数据库 GRAMENE(http://www.
gramene.org/)检索水稻持绿相关基因信息,利用GRAMENE网站的Cmap功能,将其转定位于玉米IBM2008
连锁图谱上;利用PlantGDB网站在线区段批量下载工具分段下载该区间范围内已预测基因蛋白序列,利用
Pfam网站批量搜索工具,将下载的预测基因蛋白序列与水稻持绿基因的蛋白序列进行保守结构域分析,发掘与
水稻持绿基因同源的玉米持绿候选基因。
2 结果与分析
2.1 玉米持绿性相关QTL信息的收集与整理
从玉米基因组数据库和已发表的相关文献中共收集了来源于B73×Mo17、Q319×Mo17、A15032×Mo17、
黄C×178、444×Mo17等7个作图群体、涉及4个玉米持绿相关性状的173个 QTL。包含81个叶绿素含量
QTL,16个成熟期绿叶数QTL,42个绿叶面积相关QTL,34个叶片光合特性QTL(表1)。173个QTL在10
条玉米染色体上呈不均匀分布,其中,在第1,4,5染色体上较多,第3,6,10染色体上较少;叶片叶绿素含量QTL
主要分布在第1,4,5,7染色体上,成熟期绿叶面积和叶片光合特性QTL主要集中在第1染色体上,而成熟期绿
叶数QTL在各染色体上的分布差别不大。
表1 叶片持绿相关性状犙犜犔在各染色体上的分布
犜犪犫犾犲1 犇犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅犳犙犜犔狊犳狅狉犿犪犻狕犲狊狋犪狔犵狉犲犲狀犪狀犱犻狋狊狉犲犾犪狋犲犱狋狉犪犻狋狊狅狀犮犺狉狅犿狅狊狅犿犲狊
性状
Trait
QTL类别
QTLtype
QTL数目
QTLnumber
染色体Chromosome
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
叶绿素含量Chlorophycontent qchl 81 10 5 2 16 21 0 10 5 8 4
绿叶面积 Relativegreenleafarea qgl 42 15 4 2 4 7 3 0 3 3 1
成熟期绿叶数 Greenleafnumberatmaturetime qstagr 16 2 2 1 1 3 2 0 2 2 1
叶片光合特性Photosyntheticcharacteristics qpnl 34 8 1 3 4 2 3 3 3 3 4
总计 Total 173 35 12 8 25 33 8 13 13 16 10
整合的QTLTotalnumberofQTLonreferencemap 150 32 8 8 19 33 8 4 13 16 9
2.2 玉米持绿性相关QTL的图谱整合
将原始图谱与参考图谱IBM22008Neighbors上相关标记载入BioMercator2.1软件,利用其图谱映射程序
(Mapsprojection)构建玉米持绿相关性状QTL整合图谱。当LOD值≥3.0时,173个QTL中有150个被成功
整合到IBM22008Neighbors图谱,被整合的QTL在玉米10条染色体上均有分布,但分布不均匀(表1),其中,
在第1,4,5,9染色体上集中了66.7%的QTL,其余6条染色体上分布的QTL数较少,第7染色体上最少,仅整
合了4个QTL。
玉米持绿相关性状QTL在整合图谱上有明显成簇分布现象,存在 QTL富集区域(图1),在第1染色体的
umc1598~umc2390、umc1395~bnlg421和umc1245~umc2047标记区间分别集中了8,10和6个QTL;第2染
色体的umc1845~umc1541标记区间集中了5个 QTL;第3染色体的umc1347~umc1449和umc1266~
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umc1286标记区间分别集中了3和2个QTL;第4染色体的phi72~umc1288和bnlg126~umc1702标记区间分
别集中了8和7个QTL;第5染色体的umc1240~umc1496、umc1587~umc1870和phi85~umc1792标记区间
分别集中了6,12和7个QTL;第6染色体的phi26~umc2314和umc2317~umc1795标记区间分别集中了4和
3个QTL;第7染色体的4个 QTL主要分布在bnlg1642~umc1015标记区间;第8染色体的umc1139~
umc1483和phi115~csu31a标记区间分别集中了5和6个QTL;第9染色体的wx1~umc1107标记区间集中了
12个QTL;第10染色体的bnlg1451~umc1077和umc1677~bnl7.49a标记区间各集中了4个 QTL。一些
QTL重叠区域与单个性状有关,如集中在第4染色体的phi72~umc1288标记区段内的8个QTL均为控制叶片
叶绿素含量的QTL;还有一些QTL重叠群由多个持绿相关性状QTL组成,如第9染色体wx1~umc1107标记
区间集中了6个控制叶片叶绿素含量、2个成熟时绿叶面积、3个叶片光合特性和1个成熟时绿叶数的QTL。
图1 第4和第5染色体持绿性相关犙犜犔在犐犅犕2犖犲犻犵犺犫狅狉狊2008上的整合图谱
犉犻犵.1 犜犺犲犻狀狋犲犵狉犪犾犿犪狆狅犳狊狋犪狔犵狉犲犲狀犙犜犔狊狅犳犿犪犻狕犲狅狀狋犺犲犳狅狌狉狋犺犪狀犱犳犻犳狋犺犮犺狉狅犿狅狊狅犿犲犪狀犪犾狔狕犲犱犫狔犐犅犕2犖犲犻犵犺犫狅狉狊2008
2.3 玉米持绿性相关QTL的元分析
利用BioMercator2.1软件中元分析(metaanalysis)程序对整合QTL数目较多的第1,4,5,9染色体进行分
析,以每次 Meta分析中AIC值最小,确定1个“一致性”QTL(图2),最终得到5个“一致性”QTLs(表2)。
在第1染色体上确定2个“一致性”QTL,其中1个控制绿叶面积和光合特性的“一致性”QTL(CQTL1),另
1个控制叶绿素含量和绿叶面积的“一致性”QTL(CQTL2)(表2);在第4染色体上确定1个控制叶片叶绿素含
871 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.4
量的“一致性”QTL(CQTL3),介于标记umc1276~umc1757,置信区间为33.90~70.23cM,间距36.33cM(表
2);在第5染色体上得到1个控制叶片叶绿素含量、成熟期绿叶面积及绿叶数的“一致性”QTL(CQTL4),置信区
间为207.57~222.28cM,间距14.71cM,由标记umc1852和umc1468界定(表2);在第9染色体上确定1个控
制叶片叶绿素含量和叶片光合特性的“一致性 QTL”(CQTL5),置信区间为225.63~226.27cM,间距0.64cM,
由标记phi065和bnlg127界定(表2)。与原来的QTL相比,检测到的5个“一致性”QTL的置信区间明显变窄。
图2 第4染色体持绿性相关犙犜犔元分析
犉犻犵.2 犜犺犲犿犲狋犪犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犙犜犔狉犲犾犪狋犲犱狋狅狊狋犪狔犵狉犲犲狀狋狉犪犻狋狊狅犳犿犪犻狕犲狅狀狋犺犲犳狅狌狉狋犺犮犺狉狅犿狅狊狅犿犲
表2 玉米持绿性相关犙犜犔的元分析
犜犪犫犾犲2 犜犺犲犿犲狋犪犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犙犜犔狉犲犾犪狋犲犱狋狅狊狋犪狔犵狉犲犲狀狋狉犪犻狋狊犻狀犿犪犻狕犲
“一致性”QTL
ConsensusQTL
染色体
Chromosome
AIC值
ValueofAIC
位置
Position(cM)
置信区间
Confidenceinterval(cM)
间距
Interval(cM)
置信区间标记
Markoninterval
CQTL1 1.04 139.68 386.44 384.52~388.37 3.85 umc2390~umc2228
CQTL2 1.07 139.68 662.37 647.47~677.27 29.80 umc1486~umc1245
CQTL3 4.01 247.02 52.05 33.90~70.23 36.33 umc1276~umc1757
CQTL4 5.03 262.14 214.92 207.57~222.28 14.71 umc1852~umc1468
CQTL5 9.03 153.33 225.92 225.63~226.27 0.64 phi065~bnlg127
2.4 玉米持绿性“一致性”QTL区间的物理图谱定位及候选基因GeneOntology(GO)分析
根据“一致性”QTL区间两端标记在玉米物理图谱B73RefGen_v2上的位置,将“一致性”QTL进行物理图
谱定位,统计“一致性”QTL区间内包含的基因个数(表3)。5个“一致性”QTL区间总计包含1445个预测基因,
其中CQTL2覆盖范围最大(9.11Mb),包含的基因个数最多(709个);CQTL5覆盖范围最小,仅为0.19Mb,其
包含的基因个数也最少(28个)。单位长度基因个数最少的是CQTL1,为61.30个基因,单位长度基因个数最多
的是CQTL5,包含147.4个基因。
利用PlantGDB在线区段批量下载工具(downloadregiondata),下载5个“一致性”QTL区间所有基因序
列,利用AgBas网站(http://www.agbase.msstate.edu)的GOSlimViewer对候选基因进行GeneOntology分
析,发现1445个候选基因中,有513个基因参与植物体内的生物过程,165个基因是细胞组成成分,767个基因
具有分子功能,分别涉及22种生物过程,23种分子功能,11种细胞成分。具有分子功能的基因中最主要涉及的
类是:结合功能,催化活性,转移酶活性以及氧化还原酶活性(图3A);从细胞组成分类来看,细胞及细胞组成成分
所占比例最大,其次为胞内物质、细胞质及细胞膜(图3B);所参与的生物学过程按照比例从大到小依次包括:细
胞过程、代谢过程、大分子代谢过程、生物学过程、刺激的应答反应、核酸代谢过程、生物合成、细胞间通讯、运输、
分解代谢过程、细胞死亡、细胞内氨基酸代谢过程等(图3C)。
971第21卷第4期 草业学报2012年
表3 “一致性”犙犜犔区间的物理图谱定位
犜犪犫犾犲3 犜犺犲犮狅狀狊犲狀狊狌狊犙犜犔狉犲犵犻狅狀狅狀犿犪犻狕犲狆犺狔狊犻犮犪犾犿犪狆狅犳犅73
“一致性”QTL
ConsensusQTL
染色体
Chromosome
物理图谱距离
Intervalofphysicalmap(Mb)
间距
Interval(Mb)
QTL范围内基因个数
Genesnumberininterval
CQTL1 1.04 71.02~73.19 2.17 133
CQTL2 1.07 205.73~214.85 9.11 709
CQTL3 4.01 2.88~4.68 1.80 223
CQTL4 5.03 16.15~20.90 4.75 352
CQTL5 9.03 26.82~27.01 0.19 28
总计Total 1445
利用PlantGDB在线区段批量下载工具(downloadregiondata),下载“一致性”QTL区段的1445个候选基
因对应的蛋白序列,利用Pfam在线批量搜索工具(batchsearch),对其蛋白序列进行保守结构域分析,发现在5
个“一致性”QTL区段分别包含GRAS、CBF、SRF转录调控因子、叶绿体结合蛋白、植物激素诱导(响应)蛋白及
细胞分裂周期相关蛋白、细胞色素P450氧化酶、细胞分裂素脱氢酶、磷脂酶PLD、RuBP羧化酶、糖基转移酶等已
报道的与持绿性相关的功能蛋白或转录因子家族的保守结构域。
图3 “一致性”犙犜犔区间候选基因犌犗分析
犉犻犵.3 犌犲狀犲犗狀狋狅犾狅犵狔犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳犵犲狀犲狊狉犲犾犪狋犲犱狋狅犮狅狀狊犲狀狊狌狊犙犜犔
A:参与细胞组成的基因 Genesconcernedwithcelularcomponent;B:具有分子功能的基因 Molecularfunctiongene;C:参与生物过程的基因
Genesconcernedwithbiologicalprocess.
2.5 玉米持绿性“一致性”QTL范围内持绿相关基因位点候选基因发掘
在参考图谱IBM22008Neighbors上,对“一致性”QTL区间及其邻近区域的持绿相关基因位点进行整理,
发现7个与玉米持绿性有关的基因(表4),涉及到信号传递、胁迫应答、细胞组成、代谢调节等多种生理生化途
径。根据“一致性”QTL区段的基因名称,在NCBI中搜索,即可得到该基因或相似功能基因的序列信息,下载后
在Pfam 网站搜索其保守结构域信息,与所在“一致性”QTL区段的所有基因序列保守结构域进行比对发现,
081 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.4
CQTL1区间的基因 犿狊狏1与该区段内的 GRMZM2G172322_T01基因序列保守结构域相同,序列同源比为
74%;犵狊狋42基因与该区段内的 GRMZM2G398357_T04基因序列保守结构域相同,且序列相似度高达95%。
CQTL2区间狅狆狉7基因与该区段的GRMZM2G148281_T02基因序列一致,且保守结构域相同;犮狀犮狉1基因与该
区段的GRMZM2G131205_T01基因序列保守结构域相同,且序列相似度达90%。CQTL3区间犫狓3和犫狓4两个
基因分别与该区段的GRMZM2G167548_T02和GRMZM2G473480_T02基因序列一致,且保守结构域相同。
CQTL4区间狋犺犪9基因与该区段的GRMZM2G802029_T01基因序列一致,且保守结构域相同。CQTL5区间
狆犲狆1基因与该区段的序列GRMZM2G083841_T02保守结构域相同,序列同源比为84%。
表4 “一致性”犙犜犔区间基因与玉米基因组预测基因序列的一致性
犜犪犫犾犲4 犆狅犺犲狉犲狀犮犲狅犳犵犲狀犲犾狅犮犻犪狀犱狆狉犲犱犻犮狋犲犱犵犲狀犲狊犳狉狅犿犿犪犻狕犲狊犲狇狌犲狀犮犲犱犪狋犪犫犪狊犲犻狀犮狅狀狊犲狀狊狌狊犙犜犔狉犲犵犻狅狀
“一致性”QTL
ConsensusQTL
基因
Gene
预测基因号
GeneIDfromGramene
保守结构域是否相同
With(Y)orwithout(N)equalconserveddomain
序列同源比例
Conservedproportion(%)
CQTL1 犿狊狏1 GRMZM2G172322_T01 Y 74
犵狊狋42 GRMZM2G398357_T04 Y 95
CQTL2 狅狆狉7 GRMZM2G148281_T02 Y 100
犮狀犮狉1 GRMZM2G131205_T01 Y 90
CQTL3 犫狓3 GRMZM2G167548_T02 Y 100
犫狓4 GRMZM2G473480_T02 Y 100
CQTL4 狋犺犪9 GRMZM2G802029_T01 Y 100
CQTL5 狆犲狆1 GRMZM2G083841_T02 Y 84
犿狊狏1:玉米条纹病抗性基因 Maizestreakvirustolerancegene1;犵狊狋42:谷胱甘肽S转移酶基因GlutathioneStransferasegene42;狅狆狉7:12羰植物
二烯酸还原酶基因12oxophytodienoicacidreductasegene7;犮狀犮狉1:肉桂酰辅酶 A还原酶基因 CinnamoylCoAreductasegene;犫狓3,犫狓4:细胞色素
P450氧化酶基因Benzoxazinonesynthesisgene3,gene4;狋犺犪9:叶绿体类囊体构成基因 Thylakoidassemblygene9;狆犲狆1:磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶
基因Phosphoenolpyruvatecarboxylasegene1.
2.6 基于基因比较定位的玉米持绿性候选基因发掘
从GRAMENE网站检索到1个位于水稻遗传图IGCN1998第9染色体131.1~134.7cM区段的衰老诱导
叶绿体持绿蛋白基因(senescenceinduciblechloroplaststaygreenprotein)狊犵狉(LOC_Os09g36200.1)(GenBank:
AY850134.1)。利用GRAMENE网站的Cmap功能,将该基因成功转定位于玉米IBM2008图谱的第7染色体
上,位于rz617~rz404标记区间,区间长度为179.4cM(图4A);利用 MaizeGDB网站中的GenomeBrowser工
具将B73RefGen_v2序列信息与IBM22008Neighbors标记信息进行整合,将水稻狊犵狉基因定位在玉米物理图
谱B73RefGen_v2的94.42~143.41Mb范围,利用PlantGDB网站(http://www.plantgdb.org/)的在线区段
批量下载工具(downloadregiondata),分段下载该区间范围内已预测基因蛋白序列,与水稻持绿狊犵狉(LOC_
Os09g36200.1)基因的蛋白序列进行保守结构域分析,最后在玉米第7染色体上(chr7:143020452Mb~
143022372Mb)找到与水稻狊犵狉基因同源的玉米基因GRMZM2G091837_T01(图4B),其编码蛋白序列与水稻
狊犵狉基因一致(图4C)。
进一步将该预测基因序列与NCBI网站(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/)提供的基因注释信息进行比对,
发现预测基因GRMZM2G091837_T01与GenBank中的玉米衰老诱导叶绿体持绿蛋白基因(senescenceinduc
iblechloroplaststaygreenprotein)狊犵狉1(AY850138.1)序列一致,表明GRMZM2G091837_T01为玉米叶片持绿
的一个候选基因。
3 讨论
叶片衰老是一个受特定基因调控的主动的衰退过程,受不同生理生化途径的调控。对玉米持绿相关的4个
性状的173个QTL进行整理,当LOD值≥3.0时,173个QTL中有150个被成功整合到IBM22008Neighbors
181第21卷第4期 草业学报2012年
图4 水稻持绿基因(狊犵狉)在玉米图谱的比较定位及其蛋白序列比对
犉犻犵.4 犆狅犾犻狀犲犪狉犻狋狔犮狅犿狆犪狉犲犱狋犺犲狊狋犪狔犵狉犲犲狀犵犲狀犲狊(狊犵狉)犻狀狏狅犾狏犻狀犵犻狀狉犻犮犲犪狀犱犿犪犻狕犲犪狀犱狋犺犲犻狉狆狉狅狋犲犻狀狊犲狇狌犲狀犮犲犪狀犪犾狔狊犻狊
A:在玉米IBM2Neighbors2008遗传图谱上水稻持绿基因(狊犵狉)的比较定位 Colinearitycomparedthestaygreengene(狊犵狉)involvinginrice
andmaizeonIBM2Neighbors2008map;B:水稻持绿基因(狊犵狉)在玉米物理图谱B73RefGen_v2上的比较定位 Mapedthericestaygreengene
(狊犵狉)onB73RefGen_v2;C:持绿基因(狊犵狉)蛋白序列同源比对结果 Theblastpresultsofstaygreengeneproteinsequenceofriceandmaize.
高密度连锁图谱上,被整合的QTL在10条染色体上均有分布,这一结果显示,玉米的持绿性作为一个复杂的数
量性状,受众多基因的控制,作用机理复杂,涉及的生理调控途径也较多。Tuberosa等[34]和严建兵等[35]均发现
了QTL聚集现象,本研究也发现不同材料涉及相同性状的QTL在同一区域聚集,如集中在第4染色体的phi72
~umc1288标记区段内的8个QTL均为控制叶片叶绿素含量的QTL,说明QTL可能不是随机分布,而是位于
染色体的特定区域,预示着该区域的确存在“真实”的QTL,这也是本研究仅对玉米持绿QTL相对集中的第1,
4,5,9染色体进行了详细分析的原因。而且涉及不同性状的 QTL也有聚集的现象,如第9染色体 wx1~
umc1107标记区间集中了6个控制叶片叶绿素含量、2个成熟时绿叶面积、3个叶片光合特性和1个成熟时绿叶
数的QTL。这预示着在这一染色体区段可能密集着玉米持绿相关的QTL簇,即基因簇,这种现象进一步说明了
不同性状之间的相互关系可归因于基因多效性或是基因之间的紧密连锁,为下一步基于一致性QTL进行持绿
性相关的关键基因的定位和发掘提供了依据。
Alexandrov等[36]对玉米大规模cDNA测序结果分析以及Carol等[37]对玉米基因组27455条全长cDNA的
GO注释结果分析表明,玉米基因组生物过程分类中,参与代谢过程的基因比例最大;细胞成分分类中,构成膜系
统基因所占比例最大;分子功能分类中,执行结合功能的基因所占比例最大。本研究中参与代谢过程、执行结合
功能的基因所占比例与整个基因组基因的GO分类结果一致,而细胞、细胞组成成分以及胞内物质所占比例远高
于膜系统所占比例,而且生物学过程中的细胞过程、大分子代谢过程、核酸代谢过程、细胞间通讯、运输、分解代谢
过程、细胞死亡、细胞内氨基酸代谢等过程所占比例远远高于基因组基因GO分布中的相应比例。由此可见,本
281 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.4
研究的1445个持绿候选基因主要参与了具体的细胞过程,执行结合功能,催化、转移酶活性和氧化还原酶活性
等分子功能。Wong等[38]发现,控制类胡萝卜素4种组分合成的几个 QTL与相关基因狔1和狏狆9位置重叠。
Zhang等[39]发现,控制玉米花丝内可凝性球蛋白水平的一个QTL与2个相关候选基因狆1和狆2位置重叠。本
研究的5个“一致性”QTL区间在IBM22008Neighbors图谱内都检测到持绿相关基因,在包含持绿相关基因的
MQTL区域,存在与这些基因序列相同或相似的预测基因序列,最终在5个玉米持绿“一致性”QTL内,初步确
定8个玉米持绿性候选基因,下一步将验证其功能。
禾本科作物基因组存在高度保守性,控制重要性状的基因在不同作物中可能位于相同或相近的位置,并与相
同的分子标记相连锁,在某一作物中定位的基因或QTL信息可以用于其他作物[22]。水稻由于其基因组相对较
小,遗传转化体系成熟,且与禾本科粮食作物存在共线性,使其成为作物分子遗传学及基因组学研究的模式植物,
已经有一大批的控制水稻高产、优质、抗逆和营养高效等许多重要农艺性状的基因被成功分离[40]。本研究通过
比较定位将水稻衰老诱导叶绿体持绿蛋白基因狊犵狉转定位于在玉米物理图谱B73RefGen_v2上,采用染色体步
移的方法,找到与水稻狊犵狉基因同源的玉米基因GRMZM2G091837_T01,将该基因序列与NCBI提供的基因注
释信息进行比对,发现与玉米衰老诱导叶绿体持绿蛋白基因狊犵狉1序列一致,为候选基因发掘提供了一条新途径。
4 结论
采用BioMercator2.1软件构建出含150个玉米持绿性相关QTL的整合图谱,150个QTL在10条染色体
上均有分布,但存在明显富集和成簇分布的现象。对玉米持绿QTL相对集中的第1,4,5,9染色体进行元分析,
得到5个玉米持绿“一致性”QTLs。持绿“一致性”QTL区间共有1445个基因,其中,513个基因参与植物体内
的生物过程,165个基因是细胞组成成分,767个基因具有分子功能,分别涉及22种生物过程,23种分子功能,11
种细胞成分。候选基因主要参与了具体的细胞过程,主要执行结合功能,催化、转移酶活性和氧化还原酶活性等
分子功能,包含GRAS、CBF、SRF转录调控因子、叶绿体结合蛋白、植物激素诱导/响应蛋白及细胞分裂周期相关
蛋白、细胞色素P450氧化酶、细胞分裂素脱氢酶、磷脂酶PLD、RuBP羧化酶、糖基转移酶等已报道的与持绿性相
关的功能蛋白或转录因子家族的保守结构域。在包含持绿性相关基因位点的“一致性”QTL区域,均存在与这些
基因序列相同或相似的预测基因,最终,在5个“一致性”持绿QTL区间内初步确定了8个玉米持绿性相关候选
基因。利用比较基因组学方法,将水稻衰老诱导叶绿体持绿蛋白基因狊犵狉转定位于在玉米物理图谱B73RefGen
_v2上,并找到与该基因同源的玉米候选基因GRMZM2G091837_T01,为候选基因发掘提供了一条新途径。
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犆狅狀狊狋狉狌犮狋犻狅狀狅犳犻狀狋犲犵狉犪狋犻狅狀犙犜犔犿犪狆犪狀犱犻犱犲狀狋犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳犮犪狀犱犻犱犪狋犲犵犲狀犲狊犳狅狉狊狋犪狔犵狉犲犲狀犻狀犿犪犻狕犲
FANGYongfeng1,2,3,LIYongsheng3,BAIJiangping1,2,3,MUPing3,MENGYaxiong1,2,3,
ZHANGJinlin4,WANGHanning1,2,3,SHANGXunwu3
(1.GansuKeyLaboratoryofCropImprovementandGermplasmEnhancement,Lanzhou730070,China;
2.GansuProvincialKeyLaboratoryofAridlandCropScience,Lanzhou730070,China;
3.ColegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China;
4.ColegeofPastoralAgricultureScienceandTechnology,
LanzhouUniversity,Lanzhou730020,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Leafsenescenceisacharacterofplantdevelopment.Delayedleafsenescenceorstaygreencharacter
hasreceivedconsiderableattentionbecauseofitsnegativeimpactonphotosynthesisanditsroleinnutrientre
distributionwithintheplant.Inthepastfewdecades,awealthofQTLs(quantitativetraitlocus)mappingdata
forstaygreenanditsrelatedtraitsinmaizehasbeenproducedusingmolecularmarkerapproaches.Inorderto
unlockthefulpotentialoftheinformationcontainedintheseindependentexperiments,173staygreenandre
latedQTLsinmaizewerecolectedfrommaizegenomicdatabase(maizeGDB),andwerecompiledtoconstruct
theintegrationQTLmapforstaygreeninmaize(犣犲犪犿犪狔狊).Thehighscalegeneticlinkagemapofmaize
IBM22008NeighborswasusedasreferenceandthemapwereconstructedwithBioMercator2.1softwarebased
onthemethodofmetaanalysis.FiveconsensusQTLformaizestaygreenwereidentifiedonmaizechromo
somes1,4,5and9,respectively.AfterprojecttheconsensusQTLregiononmaizephysicalmapofB73Ref
Gen_v2,atotalof1445candidategenesintheconsensusQTLregionwerediscoveredanddownloadedfrom
PlantGDB(http://www.plantgdb.org/).Meanwhile,accordingtotheresultsofgeneontologyanalysis,most
candidategenesmighttakepartintheceldevelopment,catalyticprocess,enzymaticactivityandotherbiologi
calprogresses.Thesequencesofeightstaygreencandidategeneswereidentifiedbycomparativelyanalyzing
thesequencesofstaygreengenesequencefromothercrops.Usingasyntonicconservationapproach,whichis
usedtocomparativelyanalyzethericegeneticmapandmaizephysicalmap,onericegene(狊犵狉)thatiscoding
forthesenescenceinduciblechloroplaststaygreenproteinwasprojectedontothephysicalmapofmaize
B73RefGen_v2.Therefore,theresultssuggestedthatthisapproachprovidedanusefultoolforidentifyingQTL
conferringstaygreenandothercandidategenesinmaize.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犣犲犪犿犪狔狊;staygreen;quantitativetraitlocus(QTL);integrationmap;metaanalysis
581第21卷第4期 草业学报2012年