全 文 :收稿日期 : 2002207202
基金项目 : 国家农业新技术引进项目“杨树抗病虫害育种新技术引进”(9624224)的部分内容
作者简介 : 张蕴哲 (1976 —)女 ,江苏苏州人 ,硕士.3 致谢 :本文得到北京林业大学沈瑞祥和杨旺教授的指导 ,中国林业科学研究院林研所李玲、李淑梅、周银莲 3 位老
师的帮助 ,在此一并表示感谢 !
林业科学研究 2003 ,16 (5) :595~603
Forest Research
文章编号 : 100121498 (2003) 0520595209
毛新杨 ×毛白杨 AFLP 分子遗传图谱 3
张蕴哲1 , 刘红霞2 , 邬荣领3 , 李明亮1 , 胡建军1 , 尹伟伦2 ,韩一凡1
(1. 中国林业科学研究院林业研究所 ,北京 100091 ;2. 北京林业大学 ,北京 100083 ;
3. Department of Statistics ,533 McCarty Hall C ,University of Florida ,Gainesville , FL 32611 ,USA)
摘要 :利用毛新杨 ×毛白杨的杂交群体构建了毛新杨 ×毛白杨的 AFLP 分子遗传图谱 ,这个群体对杨
树溃疡病的抗性是正态分布。本实验使用 AFLP 分子标记技术对这一构图群体进行了分析 ,共选用
了 19 对 PstI/ MseI 引物和 4 对 EcoRI/ MseI引物 ,得到标记 662 个 ,其中 3∶1 标记占 4312 % ,异倍标记占
1415 % ,偏分离标记 (P < 0105)占 4818 %。在双亲整合的图谱中 ,239 个标记形成 22 个含 4 个以上标记
的连锁群 ,总图距 4 418 cM ,标记间的平均图距是 1815 cM。图中还有 8 个重复位点和 7 个只与连锁群
中的某一个标记连锁 ,但却无法加入这一连锁群的标记 ,这可能是由染色体的同源性造成的。此外还
得到 15 个属于双亲共有的只有 2~3 个标记的小连锁群 ,13 个父本独有的连锁群和 21 个母本独有的
连锁群。
关键词 :AFLP ;遗传图谱 ;毛白杨 ;毛新杨
中图分类号 :S792111 文献标识码 :A
遗传图谱的构建在引入 DNA 分子标记后取得了重大进展 ,成为遗传学领域的研究热点之
一。杨树作为一种重要的工业用材树种和模式植物 ,得到了广泛的研究 ,现已获得了几张不同
杨树群体的遗传图谱。1994 年建立美洲黑杨 ( Populus deltoids Marsh) ×毛果杨 ( P1 trichocarpa
Torr & Gray) F2 群体的遗传图谱 ,图中有 RFLP、RAPD、STS 三类标记 343 个 ,毛果杨的致死基因
造成一些标记偏离正常的分离比例 , Bradshaw 等[1~4 ]用这张图谱进行了树干生长、干形、树叶
萌发和叶片变异等 QTLs 的定位研究。Frewen 等[5 ]用美洲黑杨 ×毛果杨的 F2 群体构建了有
AFLP 和微卫星标记的遗传图谱 ,用以研究控制花芽发生时间和萌发时间的 QTLs。他们采集
了位于不同地点的相同无性系数据进行分析 ,定位了 3 个控制花形成、6 个控制花萌发的
QTLs ,2 个候选基因 PHYB2 (参与光周期) 和 ABI1B (参加脱落酸信号反应) 在图谱上与这些
QTLs 一致。
苏晓华等[6 ]用 3 代群体构建了美洲黑杨 ×青杨 ( P1 cathayana Rehd1) 的含有 110 个 RAPD
标记的图谱 ,总图距覆盖基因组总长度的 70135 %。尹佟明等[7 ]利用 RAPD 标记响叶杨 ( P1
adenopoda Maxim1) ×银白杨 ( P1 alba L1)的 F1 群体 ,按拟测交的作图策略 ,分别构建了响叶杨
和银白杨的分子标记连锁图谱。利用多点连锁分析 ,银白杨中有 189 个连锁标记构成了 20 个
不同的连锁群 (4 个以上) ,6 个三连体和 16 个连锁对 ,总图距 2 40214 cM。响叶杨有 41 个连锁
标记 ,分属 2 个连锁群 ,总图距为 47914 cM。张新叶等[8 ]利用 RAPD 标记和美洲黑杨 ×欧美杨
( P1 euramericana (Dode) Guinier)的 F1 群体构建了美洲黑杨 ×欧美杨的分子标记图谱 ,241 个
标记形成 19 个连锁群、6 个三连体和 14 个连锁对。19 个连锁群共含标记 129 个 ,图距 1 91412
cM。邬荣邻等[9 ]利用美洲黑杨回交群体先分别构建了两个亲本的 AFLP 分子标记连锁图谱 ,
并以异倍标记为桥梁 ,将两张图整合为一张 ,这张图包括总图距为 2 927 cM 的 19 个主要连锁
群和 24 个小连锁群 ,主要连锁群有 198 个 AFLP 标记。房建军等[10 ]将甙类次生代谢产物和抗
光肩星天牛 ( Anoplophora glabripennis Motsch1)的 QTLs 定位在这张图上。
杨树溃疡病是杨树的一种重要病害 ,病原菌为 Dothrorella gregaria Sacc1。这种病原菌侵入
树体后 ,是否继续进行扩展 ,并表现出症状 ,取决于树木的抗病性 ,不同杨树对杨树溃疡病的抗
性不同[11 ] 。目前 ,对于造成这种抗性差异的机制还不完全清楚 ,本文利用 AFLP 标记构建遗传
图谱将有利于了解抗病的分子机理 ,也使育种的早期筛选成为可能。
1 材料与方法
111 材料
材料为毛新杨 ( P1 tomentosa Carr ×P1 alba L1var1 pyramidalis Bge) ×毛白杨 ( P1 tomentosa
Carr. )的杂交群体 ,共有子 1 代个体 73 株。母本毛新杨是我国 20 世纪 50 年代徐纬英研究员
培育的毛白杨 ×新疆杨 ( P. alba L. var. pyramidalis Bge. ) 的杂交种 ,对溃疡病有中等程度的抗
性 ,父本毛白杨为鲁毛 50 ,对溃疡病有很强的抗性 ,这一性状在子 1 代中发生分离。
112 总 DNA的提取和纯化
采用 CTAB 法提取总 DNA[12 ] 。DNA 纯化采用博大科技公司 (BioDev) 的 DNA 快速纯化回
收试剂盒 ,实验过程依据其产品说明进行。
113 AFLP分析
按照 Vos P1 等[13 ]人的方法进行分析。用 EcoRI/ MseI ( E/ M) 酶切总 DNA ,其后的连接、预
扩增和选择扩增都按照 GIBCOBRL 公司的 AFLP 分析系统 Ⅰ使用说明进行 ,共使用 4 对引物
(表 1) 。再使用 PstI/ MseI(P/ M)酶切总 DNA ,酶联后的反应液稀释 10 倍 ,作为预扩增的模板。
共用了 4 对引物 ( P + A/ M + A、P + A/ M + G、P + C/ M + A、P + C/ M + G) 进行预扩增的 PCR 反
应 ,反应条件为 :94 ℃,30 s ;60 ℃,60 s ;72 ℃,60 s ,25 个循环 (Perkin2Elmer 9600PCR 仪 ,下同) 。
预扩增产物稀释 100 倍后作为选择扩增的 PCR 反应模板。选择扩增共用 19 对引物 (表 2) ,反
应分为两步 : (1)梯度降温扩增 :第一个循环为 94 ℃,30 s ;65 ℃,30 s ;72 ℃,60 s。以后每个循
环的退火温度依次降低 017 ℃,共 13 个循环。(2) 普通扩增 :94 ℃,30 s ;56 ℃,30 s ;72 ℃,60
s ;23 个循环。
P2接头 : 5′2CTC GTA GAC TGC GTA CAT GCA23′
3′2 CAT CTG ACG CAT GT25′
M2接头 :5′2GAC GAT GAG TCC TGA G23′
3′2 TA CTC AGG ACT CAT25′
预扩增引物 :
695 林 业 科 学 研 究 第 16 卷
P + A :5′2GAC TGC GTA CAT GCA GA23′ P + C :5′2GAC TGC GTA CAT GCA GC23′
M + A :5′2GAT GAG TCC TGA GTA AA23′ M + G:5′2GAT GAG TCC TGA GTA AG23′
表 1 EcoRI/ MseI酶切组合中所使用引物的序号及选择碱基
EcoRI1 EcoRI2 MseI3 MseI4 MseI6 MseI8
AAC AAG CAG CAT CTC CTT
表 2 PstI/ MseI酶切组合中所使用引物的序号及选择碱基
PstI1 PstI2 PstI3 PstI4 MseI1 MseI2 MseI3 MseI5 MseI9 MseI10
AAC ACC CAA CCT GAA ACA ACC GGC GCA GCG
114 电泳及检测
用 6 %变性聚丙烯酰胺凝胶 (丙烯酰胺∶N ,N′2亚甲双丙烯酰胺 = 19∶1) ,在伯乐 DNA 测序
仪上进行电泳。功率是 50 W ,315 h。上样量为 4μL·次 - 1。采用银染法进行检测。银染所用
试剂是 Bioneer 公司银染试剂盒 ,实验过程按照用户使用说明进行。
115 构建遗传图谱
首先进行方差分析 ( P < 0105) ,判断标记是否符合孟德尔规律。然后使用 Mapmaker 310
软件在LOD ≥310 ,最大图距为 3712 cM(根据 Kosambi 函数将重组率转换成图距单位 cM) 的条
件下 ,构建父本图谱[14 ,15 ] 。Mapmaker 310 软件是一种连锁分析软件 ,用于构建杂交试验中发生
分离的标记的连锁遗传图谱 ,它可以对显性、隐形和共显性标记进行多点连锁分析 ,即同时估
计所有数据间的连锁关系。具体过程如下 :
对所有标记使用“group”命令 ,进行两点分析 ,以推测可能有的连锁群 ;然后用“compare”命
令计算指定序列的最大拟然值 ,找出标记的最佳顺序 ,当某一顺序的 LOD 值比其它顺序的
LOD 值至少大 110 时 ,这一序列被确定下来 ;用“build”命令尝试将不连锁的标记加入各小组 ;
并用“ripple”命令对序列进行细微的调整 ,得到父本的图谱。对用于构建母本毛新杨图谱的所
有标记也在LOD ≥310 ,最大图距为 3712 cM 的条件下使用“group”命令。发现与父本图谱中的
标记绝大部分相同 ,于是将不相同部分的标记加到父本的数据中 ,构成综合数据 ,用“build”命
令尝试将新加入的数据插入已有的连锁群 ,对剩下的标记使用“compare”和“ripple”命令 ,寻找
存在的连锁群。最后得到两个亲本的通用图谱。
2 结果与分析
211 标记的多态型
实验使用了 23 对引物 ,PstI/ MseI引物 19 对 ,EcoRI/ MseI 引物 4 对 ,共得到标记 662 个 (图
1) 。其中 19 对 PstI/ MseI引物得到 484 个标记 ,平均每对组合产生 2515 个。EcoRI/ MseI 引物
平均每对组合产生标记 4515 个 ,共 178 个。
把符合孟德尔规律的标记分为 4 类 ,3∶1 标记 (“a”) , 异倍标记 (“b”) [16 ] ,属于母本的 1∶1
标记 (“c”) 和属于父本的 1∶1 标记 (“e”) 。偏分离标记占总数的 4818 % ,3∶1 标记占 4312 %。
用 PstI/ MseI引物得到的 c 类标记 (2719 %) 多于 e 类标记 (2015 %) ,而用 EcoRI/ MseI 引物得到
的 c 类标记 (415 %)少于 e 类标记 (2113 %) 。实验分别采用两种 6 个碱基识别位点的内切酶进
795第 5 期 张蕴哲等 :毛新杨 ×毛白杨 AFLP分子遗传图谱
图 1 变性聚丙烯酰胺凝胶银染结果
行酶切 ,使标记在两个亲本间的分布
更均匀。
212 AFLP分子遗传图谱
用 Mapmaker 310 软 件 分 别 用
“group”命令处理两亲本的数据 ,发现
能够连锁在一起组成图谱的标记绝大
多数是相同的 ,所以只对父本毛白杨
的数据进行了进一步的分析 ,得到各
个连锁群 ,再将母本独有的标记用
“build”命令加入。这样得到了含 4 个
以上 (包括 4 个) 标记的 22 个连锁群 ,
共有标记 239 个 ,总图距 4 418 cM ,标
记间的平均距离是 1815 cM(图 2) 。其
中最大的连锁群 (LG1) 有 26 个标记 ,
图距为 553 cM。LG13 标记最密集 ,平
均距离 617 cM。此外还得到 15 个属
于双亲共有的只有 2~3 个标记的小
连锁群 ,13 个父本独有的连锁群和 21
个母本独有的连锁群 (未列出) 。没有发现 PstI 酶切与 EcoRI 酶切所得标记分布不均匀的情
况 ,也没有发现同一引物组合产生的标记相聚集的情况[9 ] 。
3 讨论
(1) 3∶1 标记 实验中所得到的 3 :1 标记比例很高 ,这可能与构图群体有关。有报道说[17 ]
毛白杨是天然的杂交种 ,北方型毛白杨的亲本是银白杨和山杨 ( P1 dividiana Dodo) ,所以毛白
杨可能有大量的 Ao 基因型 (o 表示不存在 A 的等位基因) ,这与双假测交的原理相同。因为新
疆杨是银白杨的变种 ,毛白杨和新疆杨的杂交种毛新杨的基因型是 Ao 或 AA 的可能性很大 ,
再与毛白杨杂交就会遇到 Ao ×Ao 或 AA ×Ao 的情况 ,Ao ×Ao 时子代中有带与无带的比例为
3∶1 ,而 AA ×Ao 时所有子代均有带 ,不能作为标记 ,所以实验中所得到的 3∶1 标记比例很高。
(2)异倍标记 b 类标记 (双亲无带 ,而子代中呈 1∶1 分离) 报道不多 ,但在美洲黑杨 ×欧
美杨的 RAPD 图谱和美洲黑杨回交群体的 AFLP 图谱中有报道[8 ,9 ] 。张新叶等[8 ]认为这是由
多等位基因引起的。在本研究中出现两亲本均无带 ,而子代 1∶1 分离 ;或两亲本均有带 ,而子
代也是 1∶1 分离。假设在 1 个基因位点上存在 2 个不同的等位基因 a1、a2 ,基因型 a1a1 和 a2a2
在电泳中谱带相同 ,而基因型 a1a2 的谱带因为产生异螺旋而不同于 a1a1 和 a2a2[16 ] 。这样 a1a2
×a1a2 在双亲中只表现出 1 条谱带 ,但子代中 a1a1∶a2a2∶a1a2 成 1∶1∶2 分离 ,并出现 2 条谱带 ,分
离比均为 1∶1。本研究的构图群体虽然是毛新杨 ×毛白杨的 F1 代群体 ,但双亲都是杂合体 ,遗
传基础复杂 ,双亲之间的亲缘关系却很近 ,所以这个群体可以说是遗传基础复杂的近缘杂交群
体。在这样的群体中 ,出现会产生异螺旋的等位基因的可能性较大 ,这也许是产生 b 类标记较
多的原因。在 3∶1 标记中 ,那些发生严重的偏分离 ,分离比符合 1∶1 的标记 ,可能属于异倍标
895 林 业 科 学 研 究 第 16 卷
记 ,但因为无法与其它因素造成的偏分离标记相区分 ,所以没有和 b 类合并。
注 :连锁群左边数字为图距 ,单位为 cM;右边为标记名称。名称中“”左边为所用的引物组合 :“P”、“E”分别代表由 P/ M
或 E/ M酶切 ;第一个数字代表 P 或 E引物的序号 ,第二个数字代表 M 引物的序号。“ ”右边的数字为标记的长度 ,单位是
bp ;a、b、c、e 代表标记的种类 ,如 211 中所述 ;d 代表偏分离 ,其后可能有数字“1”或“3”,分别代表分离比是 1∶1 或 3∶1 分离 ;r
代表标记间为相斥相 ,A、H分别代表标记向隐性偏离或显性偏离。
图 2 毛新杨×毛白杨 AFLP 分子遗传图谱
995第 5 期 张蕴哲等 :毛新杨 ×毛白杨 AFLP分子遗传图谱
图 2 毛新杨×毛白杨 AFLP 分子遗传图谱 (续)
(3)偏分离标记 实验中得到了大量偏分离标记 ,在所有标记中约占一半。偏分离标记普
006 林 业 科 学 研 究 第 16 卷
遍存在 ,但所占比例相差很大。有人[18 ]比较了 14 个种间构图群体 ,发现平均有 2513 %的标记
发生偏离。这一比例也有接近 50 %的报道 ,如 Joobeur T等[19 ]用杏 ( Pyrus betulaefolia Bunge cv.
Texas) ×桃 ( Prunus persica (L1) Batsch cv1Earlygold)的种间杂交 F2 群体构建图谱时有 46 %的偏
分离标记。
导致偏分离标记的因素有 3 类 :由于存在迁移率相同的不同标记而引起的计数错误 ;因随机
误差产生了弱带而引起的样品误差 ,如在计数时本来应该是“无”的记作了“有”,或本来应该是
“有”的记作了“无”;生物因素 ,包括染色体丢失、遗传隔离机制、隐性纯合子会影响生长或致死
等[1 ,20]。在本试验中 ,这 3 种因素可能同时存在。AFLP 是以片段长度来区分不同标记的 ,如果
两种标记的长度相同 ,就无法加以区别 ,但这类标记在构建图谱时绝大部分会被排除在外。PCR
技术的使用也可能引起假阳性带、假阴性带和弱带 ,读取数据时会产生误差。生物因素可能是一
个最为重要的原因。由图谱可以看出LG13 的偏分离标记很集中 ,偏分离程度很大 ,特别是 E26
118adH 到 P45 86adH ,χ2 为 10~14。LG6 中也存在一个偏分离标记比较集中的区域 ,偏分离程度
比较一致 ,但不很大 ,χ2 为 4~6。毛新杨与毛白杨的亲缘关系很近 ,可能存在近交不亲和的现
象。这两个偏分离标记集中区的标记都是显性个体数超过标准值 ,所以可能与某个隐性致死基
因或与遗传隔离机制有关的基因相对应。在 Kaló等[21]人构建的三叶苜蓿草 ( Medicago sativea
L1)图谱中 ,因为合子选择作用 ,连锁群中出现了偏分离标记集中区。
(4)重复位点 重复位点是指一个标记同时存在于同一张图谱的不同连锁群中 ,或者在一
个连锁群中存在一个标记的多个拷贝 ,实验中就发现有些标记同时存在于不同的连锁群。标
记 P41 41a 同时存在于LG5 和LG4 ;LG1 和 LG10 都有标记 P29 85cdrA ;LG7 和 LG14 更拥有 6
个相同的标记且它们的排列顺序相同 : P22 175a、P19 222edrA、E13 435a、E26 336bd3H、E13
104e、P19 394br。
对于这些位点现在存在不同的处理方法。Grattapaglia[22 ]在将标记加入框架图时 ,只将标
记保留在LOD 值最高、重组率最小的连锁群中 ,这种处理方法得到重复位点的可能性很低。
Lan 等[23~26 ]则保留了重复位点 ,他们发现重复位点不但存在于连锁群之间 ,在同一连锁群内
也有同一个标记的几个拷贝。如两个亲本甘蓝 ( Brassica oleracea L1) 和拟南芥 ( Arabidopsis
thaliana (L1) Heynh)有相同的重复标记 ;甘蓝图谱中几个相同标记存在于一个染色体的现象很
普遍 ,甚至有重复位点组成的大片段 ,这些片断的标记顺序有的没改变 ,有的已经改变。他们
认为一张图谱中的重复位点可以由染色体的同源性来解释 ,而两张图共有的重复位点可能是
在分化前就已存在于它们的祖先的染色体中。
图谱中还有些标记只与连锁群中的某一
个标记连锁 ,但却无法加入这一连锁群 (表
3) 。连锁群中的标记可能就是重复位点 ,只是
本实验还未发现那些与连锁群外的标记相连
锁的其它标记而已。LG7 和LG14 的构建过程
支持了这一解释。构建图谱时先得到了 LG7 ,
然后发现 E26 254a 可与 P19 222edrA , P13
17ed3 H可与 E13 435a连锁 ,而相互连锁的
表 3 与连锁群中 1 个标记连锁的群外标记
所在连锁群 连锁群中的标记 连锁群外的标记 图距/ cM
LG1 P25 186ed3H P21 155ed3H 2414
LG1 P31 45cdrA P25 68c 2618
LG7、LG14 E26 336bd3H P35 31edA 814
LG4 P25 72a P22 263a 2018
LG14 E26 254a P13 153adH 715
LG10 P15 17a P35 166cdrA 2019
LG16 E13 30ad1A P31 199cdA 2315
106第 5 期 张蕴哲等 :毛新杨 ×毛白杨 AFLP分子遗传图谱
E26 254a 和 P13 17ed3H因 E13 108a 的存在无法加入LG7 ,所以暂时将它们分为拥有 6 个相同
碱基的两个连锁群LG7 (同前)和 LG14。后来将毛新杨标记加入时 ,P33 385cd3H、P41 96cd3H
可以加在LG14 的顶端 ,与 P22 175a 连锁 ,却不能加在同样以 P22 175a 为顶端的LG7。这说明
这两个连锁群既有同源部分又存在变异。
据估计杨树的基因组长度是 2 400~2 800 cM[8 ] ,图 2 的图距远远高于这个值 ,原因可能有
3 个 : (1)图中有许多 3∶1 标记和偏分离标记影响了对交换率的估计 ; (2) 与构图群体有关 ; (3)
AFLP 标记技术产生了假的多态性。
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of Populus tomentosa
ZHANG Yun2zhe1 , LIU Hong2xia2 , WU Rong2ling3 ,
LI Ming2liang1 , HU Jian2jun1 , YIN Wei2lun2 , HAN Yi2f an1
(11Research Institute of Forestry ,CAF ,Beijing 100091 ,China ; 21Beijing Forestry University ,Beijing 100083 ,China ;
3. Department of Statistics ,533 McCarty Hall C ,University of Florida ,Gainesville ,FL 32611 ,USA)
Abstract :The map was constructed using Populus tomentosa ×P. alba var. pyramidalis ×P1 tomentosa hybrid
population in which the resistance of Dothrorella gregaria Sacc was segregated. The authors had obtained 662
markers using 19 PstI/ Mse1 primer pairs and 4 EcoRI/ Mse1 primer pairs ,of which 4312 % had 3∶1 in segrega2
tion ,1415 % appears to be non2parental heteroduplex ,and 4818 % was distorted. 239 markers had been mapped
into 22 linkage groups (each including 4 loci or more) ,and the integrated map was 4 418 cM in length ,with an
average locus interval of 1815 cM.Linkage group LG1 was the largest one and covered 524 cM with 25 markers.
The densest linkage group was LG13 with an average interval of 617 cM in length. There were duplicated loci for
8 markers ,and 7 markers that linked to one of markers in a linkage group but couldn′t be mapped into that
group . In addition ,there were 15 minor groups harboring 2~3 markers belonged to the parents. Moreover ,13 and
21 groups belonged to paternal and maternal parent ,respectively.
Key words :AFLP ;genetic map ; Populus tomentosa ; Populus tomentosa × P. alba var. pyramidalis
306第 5 期 张蕴哲等 :毛新杨 ×毛白杨 AFLP分子遗传图谱