全 文 :书高粱棕色中脉基因犫犿狉6的遗传分析
和犛犛犚标记定位
李杰勤,王丽华,詹秋文,范军成
(安徽科技学院植物科学学院,安徽 凤阳233100)
摘要:高粱棕色突变体的叶片中脉是棕色的,此类突变体能使家畜难以消化的木质素含量降低40%~60%,从而大
幅度提高了家畜对高粱秸秆的消化率。利用高粱棕色中脉材料N592(bmr6类型)和白色中脉(Sa)进行杂交和自
交,构建F2 分离群体,F1 表现为白色中脉,F2 白棕分离比符合3∶1,说明棕色中脉基因受一对等位基因控制,表现
为隐性遗传。用已知定位到连锁群上的微卫星标记对棕色中脉基因进行了连锁分析,发现1个与棕色中脉
(bmr6)基因连锁的微卫星标记,连锁距离为4.2cM,初步将该基因定位于第7连锁群。
关键词:高粱;bmr6;SSR;基因定位
中图分类号:S514.03;Q943 文献标识码:A 文章编号:10045759(2010)05027305
高粱(犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉)是禾本科一年生草本植物,因其具有抗旱、耐涝、耐盐碱和适应性强等特性,是世界
第五大粮食作物,同时又是一种优质饲料作物[13]。棕色中脉(Brownmidrib,bmr)是指叶脉和茎秆木质部呈棕
灰或红棕色的自然或化学突变体。研究发现[4],叶片中脉颜色与木质素含量和组成有着密切关系。一般认为总
木质素含量和木质素单体的组成比例对细胞壁的可消化性影响较大[5]。在饲用高粱及高粱-苏丹草(犛狅狉犵犺狌犿
狊狌犱犪狀犲狀狊犲)杂交种中,棕色中脉与传统的白色中脉品种相比,其叶和秸秆中家畜可消化的纤维素和半纤维素含量
增加,而难以消化的木质素含量降低40%~60%,极大地提高了叶和秸秆的适口性,各种放牧家畜特别喜食,同
样的饲喂量可获得更高的效益。因此利用棕色中脉突变体来改善饲用高粱及高粱-苏丹草杂交种品质引起了各
国研究者的广泛关注。
1924年,棕色中脉突变体首先在玉米(犣犲犪犿犪狔狊)中被发现,接着在高粱、珍珠粟(犘犲狀狀犻狊犲狋狌犿犪犿犲狉犻犮犪狉狌犿)
等作物中陆续被发现[6,7]。高粱中的棕色中脉类型较多,目前已经报道的类型有19种,其中既有自然突变体也有
化学突变体[8]。在这些类型中,最重要的主要有bmr6、bmr12和bmr18三种类型[9,10]。因为这3种类型的可
消化率远高于其他类型,因此应该是与木质素合成有关的基因发生突变的结果。等位分析证明bmr12和bmr
18是等位基因,bmr6和bmr12位于不同的染色体上[11]。日前,bmr12和bmr18基因已经克隆,但bmr6基
因定位还未见相关报道。
本研究利用从美国引进的高粱棕色中脉材料(bmr6类型)与白色中脉材料的杂交F2 分离群体,分析了高粱
棕色中脉基因bmr6的遗传特点,并利用分子标记对bmr6进行了基因定位,为进一步对bmr6基因的克隆和
利用打下基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
棕色中脉材料N592是由美国Nebraska-Lincoln大学提供。N592是由N121(bmr6)与RoxOrange进行
多代回交选育而成。
第19卷 第5期
Vol.19,No.5
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
273-277
2010年10月
收稿日期:20091125;改回日期:20091225
基金项目:科技部农业科技成果转化资金项目(No:2008GB2C300125),国家自然科学基金(No:31071470),安徽省“115”产业创新团队资助
(No:皖人才办[2009]2号),国家科技支撑计划项目(No:2008BADB3B10),安徽省高校学科拔尖人才基金(No:教秘人[2005]79
号)和安徽科技学院稳定人才专项(No:ZRC2009236)资助。
作者简介:李杰勤(1980),男,四川宜宾人,硕士。Email:wlhljq@163.com
通讯作者。
1.2 定位群体的构建
将高粱棕色中脉材料N592分别和白色中脉材料Sa和S722分别进行杂交,获得F1 代。将F1 植株单穗进
行套袋自交,获得F2 代分离群体。2008年将该群体种植在安徽科技学院农场中,种植密度为行距50cm,株距
30cm,常规肥水管理。
1.3 定位亲本叶中脉组织切片
在能辨别棕色中脉和白色中脉性状的6叶期,取N592和Sa的叶中脉,徒手切片,切片置于载玻片上,加入1
滴间苯三酚/盐酸试剂(2mol/L盐酸,1% 间苯三酚,溶于95%乙醇),室温放置1min后,观察拍照。
1.4 χ
2 测验
利用公式χ
2
犮=∑
(|犗-犈|-0.5)2
犈
对2个杂交F2 群体的棕色中脉和白色中脉的株数进行测验,理论比率为
3∶1。式中,犗为观测值,犈为理论值。
1.5 DNA提取
在6叶期对F2 单株的棕色中脉单株进行统计,并取幼嫩叶片。同时取N592和Sa双亲的幼嫩叶片,并做好
编号标记。
DNA的提取方法,参照Brown等[12]的方法,取嫩叶片0.5g,加液氮研磨成粉末,加500mL提取液(65℃)
摇匀,65℃温浴30min;加20μLKAC(预冷),冰浴20min,禁止摇动;加400μL氯仿/异戊醇(24∶1)摇匀,
10000r/min离心10min;取上清液于离心管中,加入预冷的无水乙醇;吸出位于液面上白色絮状物DNA,之后
用70%的乙醇冲洗2次,加无水乙醇脱水1次,保存。
1.6 SSR反应体系
采用25μL体系:10×Buffer(无 Mg
2+)2.0μL,MgCl22.0μL(25mmol/L),引物:前引物1.0μL(10
μmol/L),后引物1.0μL(10μmol/L),dNTP2.0μL(25mmol/L),模板DNA2.0μL(50ng/μL),双蒸水14.8
μL。
1.7 SSR标记分析
选取均匀分布在高粱10个连锁群上的171对SSR引物进行PCR扩增。SSR引物为txp系列,具体名称和
分布见表1,引物序列参考网站www.gramene.org。SSR引物全部由biosino公司合成。
表1 高粱犛犛犚引物名称及分布
犜犪犫犾犲1 犜犺犲犛犛犚犿犪狉犽犲狉狊狀犪犿犲犪狀犱犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀狅狀犛.犫犻犮狅犾狅狉犾犻狀犽犪犵犲犵狉狅狌狆
连锁群Linkage 引物名称 Markersname
A txp11,txp32,txp43,txp46,txp58,txp61,txp71,txp75,txp79,txp85,txp88,txp149,txp162,txp204,txp208,txp213,txp229,
txp248,txp279,txp284,txp302,txp316,txp319,txp323,txp325,txp335,txp340,txp350,txp357
B txp1,txp3,txp4,txp7,txp8,txp19,txp25,txp50,txp55,txp56,txp63,txp72,txp80,txp84,txp96,txp100,txp179,txp197,
txp201,txp207,txp211,txp214,txp283,txp286,txp296,txp297,txp298,txp315,txp348
C txp9,txp16,txp31,txp33,txp34,txp38,txp48,txp59,txp69,txp70,txp98,txp114,txp183,txp205,txp215,txp116,txp218,
txp228,txp231,txp266,txp285,txp336
D txp12,txp21,txp24,txp41,txp51,txp60,txp77,txp81,txp109,txp131,txp177,txp212,txp327,txp328,txp343
E txp14,txp15,txp23,txp30,txp65,txp91,txp94,txp112,txp113,txp115,txp338,txp225,txp262,txp268,txp299,txp303
F txp6,txp45,txp57,txp95,txp97,txp101,txp104,txp127,txp145,txp176,txp219,txp265,txp274,txp317
G txp36,txp40,txp92,txp99,txp139,txp156,txp159,txp168,txp227,txp278,txp295,txp312
H txp18,txp28,txp47,txp105,txp144,txp210,txp250,txp273,txp292,txp294,txp321,txp354
I txp10,txp67,txp107,txp230,txp258,txp287,txp289,txp324,txp339,txp355,txp358
J txp90,txp129,txp164,txp141,txp217,txp270,txp309,txp320,txp331,txp353,txp337
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1.8 PCR扩增
PCR反应按如下程序进行:94℃预变性5min,94℃变性45s,55℃退火45s,72℃延伸1min循环36次,
72℃延伸7min,4℃保存。反应完成后,加入2.0μL的溴酚蓝,3%的琼脂糖凝胶电泳,溴化乙啶(EB)染色,凝胶
成像系统(PCR)拍照。
1.9 遗传作图
将在亲本间有差异的SSR引物对隐性群体进行PCR扩增,将与母本条带一致的个体赋值为0,与父本一致
的为1,双带为2。将群体基因型数据归类,用Exp3.0b作图软件进行连锁分析[13],采用Kosambi函数将重组值
转换为遗传图距。
2 结果与分析
2.1 N592和Sa的叶中脉表型及其组织切片
普通高粱叶中脉有4种颜色,即白色、绿色、黄色和浅灰色。N592为浅棕色,Sa为白色。两者在颜色上差别
较大,但衰老叶片的叶色中脉都为白色。因此,在收获棕色中脉的饲用高粱要早于普通饲用高粱,以便于减少营
养损失。
图1 犖592和犛犪叶中脉组织切片
犉犻犵.1 犜犺犲犿犻犱狉犻犫犺犻狊狋狅犾狅犵犻犮犪犾狊犲犮狋犻狅狀
间苯三酚是一种用来检测植物组织中木质素的常
用试剂。木质素能和间苯三酚/盐酸试剂产生红色的
化合物。因此,如果组织中红色越深则说明木质素含
量越高,纤维素和半纤维素含量则相应降低。N592的
红色比Sa要浅得多(图1),而且N592被染红的主要
分布在韧皮部,而Sa则在髓部、韧皮部、木质部及表皮
都被染成了红色。这也说明Sa的木质素含量要远高
于N592。
2.2 高粱棕色中脉基因的遗传行为分析
以N592分别与Sa和S722进行杂交,获得的F1
代,叶脉表现全为白色中脉,这表明棕色中脉基因为隐
性遗传。将F1 代进行套袋自交,获得的F2 代分离群
体。F2 分离群体中,白色中脉和棕色中脉分离符合1
对等位基因的分离规律(表2)。通过χ
2 测验,说明棕
色中脉bmr6受1对隐性等位基因控制。
2.3 N592和Sa引物筛选
由于N592和Sa杂交F2 群体在数量上和χ
2 测
验的结果都优于 N592和S722,因此选择了 N592和
Sa杂交F2 群体为定位群体。选择了171对SSR标记
表2 高粱棕色中脉基因的χ2 测验
犜犪犫犾犲2 犜犺犲χ2狋犲狊狋狅犳狊狅狉犵犺狌犿犫狉狅狑狀犿犻犱狉犻犫犵犲狀犲
组合
Cross
F2中脉颜色及株数F2color
andpopulation(株Plantnumber)
棕色
Brown
白色
White
总数
Total
χ2
3∶1
χ20.05 χ
2
0.01
N592/S722 62 143 205 2.73 3.84 6.63
N592/Sa 122 398 520 0.58 3.84 6.63
χ20.05,1=3.84.
对定位群体亲本进行了PCR扩增,N592和Sa两个亲本间的SSR标记进行了多态性筛选。在扩增的171对引
物中,24对能够揭示亲本间的多态性(图2),多态性频率为14.1%。
图2 定位亲本间多态性引物筛选
犉犻犵.2 犛犮狉犲犲狀犻狀犵狅犳犛犛犚犿犪狉犽犲狉狊犻狀狆犪狉犲狀狋狊
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图3 犛犛犚标记狋狓狆295在犉2 隐性群体中的部分扩增结果
犉犻犵.3 犃犿狆犾犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳狋狓狆295犻狀犉2狉犲犮犲狊狊犻狏犲狆狅狆狌犾犪狋犻狅狀
2.4 共分离标记的筛选
图4 棕色中脉基因在高粱第7号连锁群上的遗传图
犉犻犵.4 犜犺犲犵犲狀犲狋犻犮犿犪狆狅犳犫犿狉6犵犲狀犲狅狀犛.犫犻犮狅犾狅狉犾犻狀犽犪犵犲犵狉狅狌狆7
应用在双亲间表现多态性的24对差异标记,对
122个F2 棕色中脉单株进行PCR扩增(图3)。对标
记和基因进行了连锁性分析,发现位于第1连锁群的
SSR标记txp295与目的基因连锁。经 Mapmaker分
析,用Kosambi函数将重组值转换为遗传图距,连锁
距离为4.2cM。因txp295位于第7连锁群(表1),初
步将该基因定位于第7连锁群上(图4)。
本研究采用基因定位方法来对bmr6基因进行
了初步定位,为进一步的基因精细定位奠定了基础。
同样的方法也在高粱棕色中脉基因bmr26的定位上
被采用[14]。利用已有的分子图谱对基因进行初步定位,再以这一标记为基点,进行加密探针,可以大大的缩小标
记选择的范围,为目标基因精细定位打下基础[15]。本研究利用已公布的高粱分子图谱中的SSR标记,将棕色中
脉基因直接定位到已知连锁群上,为进一步筛选引物和该基因精细定位打下了基础,同时也为利用分子标记辅助
选择进行棕色中脉品种的选育创造了条件。
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犵犲狀犲犫犿狉6犻狀犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉
LIJieqin,WANGLihua,ZHANQiuwen,FANJuncheng
(Colegeofplantsicenceandtechnology,AnhuiScienceandTechnology
University,Fengyang233100,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Themutants,whichproducedbrownleafmidribs,reducedthecontentofligninby40%to60%com
paredwithnormalvarieties.Thislowlignincontentlargelypromotedtherateofdigestioninlivestock.TheF2
populationwasconstructedfromthehybridofN592(bmr6)andSa(whitemidrib)tomapthebmr6gene.
Theratioofwhiteandbrownmidribswas3to1intheF2population.Therefore,thebmr6geneisasingle
recessivegene.Using171SSRmarkersandF2recessivepopulation,oneSSR(simplesequencerepeats)marker
(txp295)thatlinkedwiththebmr6genewasdetectedandthegeneticdistancewas4.2cM.Inaddition,the
bmr6genewasmappedtotheseventhlinkagegroupofsorghumbecausethetxp295markerwaslocatedonthis
linkagegroup.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉;brownmidribgene(bmr6);SSR;genemapping
772第19卷第5期 草业学报2010年