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Mapping of Gene Conferring Resistance to Anthracnose in Common Bean (Phaseolus vulgaris L.) by Molecular Makers

利用分子标记定位普通菜豆抗炭疽病基因



全 文 :作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(12): 21302135 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家科技支撑计划项目(2006BAD13B05)和农业部作物种质资源保护与利用专项资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 王述民, E-mail: smwang@mail.caas.net.cn
第一作者联系方式: E-mail: sscmlss.cool@yahoo.com.cn
Received(收稿日期): 2011-04-19; Accepted(接受日期): 2011-06-25; Published online(网络出版日期): 2011-09-29.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20110929.1552.015.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.02130
利用分子标记定位普通菜豆抗炭疽病基因
陈明丽 1 王兰芬 1 王晓鸣 1 张晓艳 2 王述民 1,*
1中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081; 2青岛市农业科学院, 山东青岛 266100
摘 要: 为了定位中国普通菜豆的抗炭疽病基因, 选取抗炭疽病地方品种红芸豆(国家库编号 F2322)与高感菜豆品种
京豆(国家库编号 F0777)配制杂交组合, 构建 F2抗感分离群体和 F2:3家系, 用菜豆炭疽菌 81 号生理小种鉴定抗病性
并分析遗传性。结果表明, 红芸豆对菜豆炭疽菌 81 号小种的抗性是由一显性单基因控制的, 暂将该基因命名为 Co-
F2322。用分离群体分组分析法(BSA)和 SSR、CAPs分子标记技术, 将该基因定位在B1连锁群上, 利用软件Mapmaker
3.0 和 Mapchart 3.0 计算标记与目的基因间的遗传距离, 检测到 3 个 SSR 标记 BMc32、C871、Pvm98 和 2 个 CAPs
标记 g1224、g683与抗炭疽病基因连锁, 遗传距离分别为 26.06、3.58、13.56、3.81和 12.75 cM。
关键词: 普通菜豆; 炭疽病; 分离群体分组分析法(BSA); 抗炭疽病基因; 分子标记
Mapping of Gene Conferring Resistance to Anthracnose in Common Bean
(Phaseolus vulgaris L.) by Molecular Markers
CHEN Ming-Li1, WANG Lan-Fen1, WANG Xiao-Ming1, ZHANG Xiao-Yan2, and WANG Shu-Min1,*
1 Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2 Qingdao Academy of Agricultural Sciences, Qing-
dao 266100, China
Abstract: To locate gene conferring resistance to anthracnose caused by pathogenic fungus (Colletotrichum lindemuthianum)
from Chinese common bean, we established F2 plants and F3 families derived from a cross between red common bean cultivar
F2322 (resistant to race 81) and Jing common bean cultivar F0777 (susceptible to race 81), identified resistance, and did genetic
analysis. The results showed that red bean carried a single dominant gene for resistance to anthracnose, designated as Co-F2322
tentatively. Molecular genetic linkage map was constructed with Mapmaker 3.0 and Mapchart 3.0. Three SSR markers (BMc32,
C871, Pvm98) and two CAPs markers (g1224 and g683) that linked to the resistance gene were mapped on B1 linkage group of
common bean with the distance of 26.06, 3.58, 13.56, 3.81, and 12.75 cM, respectively.
Keywords: Common bean; Anthracnose; Bulked segregant analysis (BSA); Anthracnose resistant gene; Molecular marker
普通菜豆是世界上重要的食用豆类作物, 在人
们的生活中占有重要地位[1]。但是许多病虫害严重
影响菜豆产量 , 由致病真菌 (菌名 )(Colletotrichum
lindemuthianum)引起的普通菜豆炭疽病是危害我国
乃至全球普通菜豆产量的重要病害之一, 我国菜豆
炭疽病发生比较普遍, 黑龙江、内蒙古、新疆、山
西、云南等菜豆主产区炭疽病发生都比较严重, 对
生产影响较大 [2], 对适宜真菌生长的普通菜豆产区
造成巨大的经济损失。
目前已经发现 100多种炭疽菌生理小种[3]。1991
年 Pastor-Corrales[4]提出由 12个鉴别寄主Michelite、
Michigan、Dark Red Kidney (MDRK)、Perry Marrow、
Cornell49242、Widusa、Kaboon、Mexico 222、PI
207262、TO、TU、AB136 和 G2333 为国际统一鉴
别寄主, 小种采用二进制法命名。用 12个鉴别寄主
对炭疽病菌分离物鉴定, 不同的炭疽菌生理小种表
型不同, 目前炭疽菌 81号生理小种是我国菜豆炭疽
菌的优势菌株, 在大部分省市广泛流行[5]。
发掘抗病基因, 培育抗病品种是控制普通菜豆
炭疽病最经济、有效、环保的措施。为此, 国内外
第 12期 陈明丽等: 利用分子标记定位普通菜豆抗炭疽病基因 2131


在普通菜豆炭疽病抗性遗传研究方面做了大量工
作。已发现抗炭疽病基因及其等位基因有 Co-1、
Co-12、Co-13、Co-14、Co-15、Co-2、Co-3、Co-32、
Co-4、Co-42、Co-43、Co-5、Co-6、Co-7、Co-8、
Co-9/ Co-33、Co-10、Co-11、Co-12、Co-13和 Co-F2533,
其中抗病基因 Co-1、Co-12、Co-13、Co-15、Co-12、
Co-13 和 Co-F2533 来源于安第斯基因库, 其他基因
来源于中美基因库[6]。随着分子标记的广泛应用, 许
多抗性基因被定位在普通菜豆遗传连锁图谱上。
Co-1、Co-12、Co-13、Co-14、Co-15分别从品种 MDRK、
Kaboon、Perry Marrow、AND277和 Widusa中发现,
这些抗病基因被定位在 B1 连锁群上。Co-2 基因存
在于菜豆品种 Cornell 49242中, 被定位在 B11连锁
群上。菜豆品种 Mexico222和 PI207262中含有 Co-3/
Co-9 基因, 该基因在 B4 连锁群上。Co-4 基因及其
等位基因被定位在 B8连锁群上, 这 3个基因分别存
在于品种 TO、G2333和 PI207262中。Co-5基因存
在于菜豆品种 TU和 G2333中, 该基因被定位在 B7
连锁群上。Co-6基因在品种 AB136中被发现, 定位
在 B7连锁群上, Co-10基因在巴西品种 Ouro Negro
中被发现, 定位在 B4连锁群上, Co-F2533[15]基因在
我国地方品种红花芸豆中, 被定位在 B6 连锁群上,
Co-7、Co-8、Co-11、Co-12和 Co-13尚未定位[7-8]。
目前研究发现的 14个菜豆抗炭疽病基因中, 13
个抗病基因是由国外研究发现的, 国内对菜豆抗炭
疽病基因研究比较落后, 王坤等[15]在国内菜豆高抗
材料红花芸豆(国家库编号 F2533)中发现 1个抗炭疽
病基因, 但没有进一步作等位性鉴定, 因此从国内
抗炭疽病病资源中发掘新的抗病基因意义深远。红
芸豆是我国高抗炭疽病地方品种, 本研究旨在利用
分子标记确定红芸豆携带的抗炭疽病基因及其在菜
豆连锁群上的位置, 为菜豆抗炭疽病分子育种奠定
基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
用普通菜豆抗病地方品种红芸豆和感病品种京
豆配制杂交组合, 自交得到 F1、F2 代群体, 将同一
个 F1单株上收获的 F2种子分为两部分, 一部分(182
个单株)用于抗性鉴定 , 另一部分自交获得 172个
F23家系, 采集国内菜豆炭疽菌优势生理小种 81 号
(由中国农业科学院检疫基地提供), 苗期鉴定双亲、
182个 F2和 172个 F2:3家系的抗性并作遗传分析; 菜
豆全基因组 1 313对引物, 其中包括已知序列的 436
对 SSR 引物、34 对 CAPs (或 dCAPs)引物, 未知序
列的位于 B1连锁群上 8对 SSR引物, 由国际热带农
业研究中心(CIAT) Mattew Blair博士提供, 其余 835
对引物在基因组测序基础上, 由本实验室设计。
1.2 接种程序和致病性鉴定
选用MA培养基, 在 19~21℃黑暗条件下, 培养
炭疽菌生理小种 81号, 15 d左右产生大量的分生孢
子。用无菌水冲洗培养皿中孢子 , 配制浓度为
2.0×106孢子 mL–1的悬浮液, 分别接种 F2分离群体
和 F2:3 家系种子。每个 F2:3 家系和抗、感亲本各取
30 粒种子 , 播种在营养钵中 , 于人工气候室培养
8~10 d 后, 用新配制的炭疽菌孢子悬浮液逐株喷雾
接种幼苗, 并置于 20~22℃温度, 95%~100%湿度和
12 h光周期条件下培养, 7~9 d后调查发病情况。抗
感级别为 6级, 0、1、3为抗病; 5、7、9级为感病[9]。
用 SAS8.0对数据进行卡方测验, 检测抗性的实际数
值与理论数值的比率。
1.3 菜豆基因组 DNA提取与抗感池建立
采用改良的 CTAB法[10]提取亲本、F2单株和 F2:3
家系基因组 DNA。用 1%琼脂糖凝胶电泳检测 DNA
纯度, 用紫外分光光度计检测其浓度, 根据测定结
果将样品稀释到 50 ng μL−1备用。采用 Michelmore
等[11]方法, 随机选取 F2代分离群体中 10 个抗病单
株的 DNA 等量混合构建抗池, 取 10 个感病单株的
DNA等量混合建立感池。
1.4 PCR扩增与电泳
PCR体系 15 μL,含 10×PCR缓冲液、2 mmol L−1
MgCl2、100 mol L−1 dNTP、0.4 mmol L−1引物、25 ng
DNA、1 U Taq DNA聚合酶, 在 MJ research ther-
mocycler上扩增, 反应程序为 95℃变性 5 min; 94 ℃
45 s, 47 30 s, 72 30 s; ℃ ℃ 循环 35次, 最后 72℃延
伸 5 min, 4℃保存。产物经 6%的非变性聚丙烯酰胺
凝胶电泳,电泳缓冲液为 0.5×TBE, 120 V恒压电泳 2
h左右, 电泳结束后快速银染法检测, 记录结果。
1.5 分子标记与抗病基因的连锁分析
用菜豆 SSR 引物和 CAPs 引物筛选亲本和抗感
池, 用在亲本和抗感池中都有多态性且带型清楚、
重复性好的标记分析 F2分离群体遗传连锁性, 统计
各单株的标记带型。用软件 Mapmaker 3.0 [12]分析分
离群体的标记和抗性基因。用 Kosambi [13]标测功能
计算定位点之间的距离, MapDraw V 2.1 [14]构建遗传
连锁图谱。
2132 作 物 学 报 第 37卷

2 结果与分析
2.1 抗性鉴定与遗传分析
地方品种红芸豆对炭疽菌 81 号生理小种表现高
抗, 反应型为 0, 京豆表现高感, 反应型为 9。其 F2
代群体中反应型为 0级的有 41株, 反应型为 1级的
有 78株, 反应型为 3级的有 19株, 反应型为 5级的
有 4株, 反应型为 7级的有 8株, 反应型为 9级的有
32 株。F2代群体的抗感分离比为 138R∶44S, 卡方
测验符合 3R∶1S的理论比例, χc2=0.0293 (χ20.05, V=1=
3.84)。对 172个 F2:3家系接种鉴定, 其中有 33个 F2:3
家系表现纯合抗性, 86个 F2:3家系表现抗感分离, 53
个 F2:3家系表现纯感病, 符合 1∶2∶1 的分离比例,
χ2=4.6512 (χ20.05, V=2=5.99)。说明红芸豆对炭疽菌 81
号生理小种的抗性是由显性单基因控制(表 1), 将该
基因暂时命名为 Co-F2322。
2.2 基因组 DNA的检测
用 1%琼脂糖凝胶电泳检测菜豆叶片基因组
DNA, 主带清晰、完整、无降解、不含 RNA; 紫外
分光光度计检测 A260/A280 为 1.85, 说明所提取的
DNA纯度较高, 能满足试验要求。
2.3 红芸豆抗炭疽病基因的分子标记
共选用分布于普通菜豆全基因组、已知序列的
436 对 SSR 引物对 2 个亲本进行筛选, 发现 109 个
标记在双亲间有多态性, 其中只有 1个位于 B1连锁
群上的标记 Pvm97在抗、感池间有多态性(图 1), 表
明红芸豆中的抗病基因位于 B1连锁群上。
为了加密标记, 用定位于 B1 连锁群上的 34 个
CAPs(或 dCAPs)引物和国际热带农业研究中心
(CIAT) Mattew Blair博士提供的 B1连锁群上未知序
列的 8 对 SSR 引物, 对亲本和抗、感池进行多态性
筛选, 发现有 15个 CAPs (或 dCAPs)标记和 5个 SSR
标记在亲本间有多态性, 其中有 2个CAPs标记 g683
和 g1224 及个 SSR 标记 BMc32 在抗、感池间有多
态性。此外, 用基因组测序方法获得的含 SSR 位点
的序列, 设计大量 SSR 引物, 选取 835 对引物对亲
本和抗、感池多态性进行筛选, 有 118 个标记在亲
本中有多态性, 其中只有 1个标记 c871在抗感池中
存在多态性(图 1)。用这 3个 SSR标记和 2个 CAPs
标记 , 检测 F2 群体 , 遗传分析结果表明 , 标记
BMc32、g1224、c871、g683 和 Pvm97 与红芸豆中
抗炭疽病基因的遗传距离分别为 26.06、3.81、3.58、
12.75和 13.56 cM。标记与基因在染色体上的位置关系
为 BMc32-g1224-Co-F2322-c871-g683-Pvm97 (图 2)。
离抗病基因最近的标记是 c871 和 g1224, 用这
2个标记进一步检测 172个 F2:3家系, SSR标记 c871
的扩增结果是, 33个纯合抗病家系中 30个为抗病亲
本带型, 2个是杂合带型, 1个是感病亲本带型; 86个
发生抗感分离的家系中 83 个是杂合带型, 2 个是抗
病亲本带型, 1个是感病亲本带型; 53个纯合感病家
系中 49个是感病亲本带型, 3个是杂合带型, 1个是
抗病亲本带型。CAPs标记 g1224的扩增结果是, 33
个纯合抗病家系中 29 个为抗病亲本带型, 4 个是杂
合带型; 86个发生抗感分离的家系中 82个是杂合带
型, 4个是感病亲本带型; 53个纯合感病家系中 49个
是感病亲本带型, 4个是杂合带型(表 2)。根据 F2:3家
系的表现型和基因型数据连锁分析 , 表明 C871和
g1224位于 Co-F2322两侧, 遗传距离分别为 3.7 cM
和 4.0 cM, 与根据 F2群体的分析结果相似。
3 讨论
3.1 源于安第斯基因库的我国红芸豆是炭疽病
抗性基因的重要基因源
抗炭疽病基因主要来源于国外抗性品种, 我国
对菜豆炭疽病抗病基因的研究很有限, 主要做了一
些抗性鉴定、归类整理、少量抗性遗传分析和部分
抗病基因的分子检测[15], 对抗炭疽病基因的定位和
分子标记等研究刚刚起步。赵晓彦等[16]利用 12份含
有不同抗炭疽病基因的鉴别寄主作对照, 对国内 40

表 1 红芸豆高抗炭疽病基因 Co-F2322的遗传分析
Table 1 Genetic analysis of anthracnose resistant gene Co-F2322 in landrace red bean
亲本或组合
Parent or cross
抗病株数
Resistant plants
感病株数
Susceptible plants
总数
Total
χc2 P
红芸豆 Red common bean 30 0 30
京豆 Jing common bean 0 30 30
红芸豆×京豆 F2 Red common bean×Jing common bean F2 138 44 182 0.0293 0.7974
红芸豆×京豆 F2:3 Red common bean×Jing common bean F2:3 33(RR) 86(Rr) 53(rr) 172 4.6512 0.0977
RR: 纯合抗病家系; Rr: 杂合抗病家系; rr: 纯合感病家系。
RR: homozygous resistant lines; Rr: heterozgous resistant lines; rr: homozygous susceptible lines.
第 12期 陈明丽等: 利用分子标记定位普通菜豆抗炭疽病基因 2133




图 1 分子标记 PVM97、g1224、g683和 C871在亲本和抗感池中的扩增结果
Fig. 1 Amplification results of PVM97, g1224, g683, and C871 on F2 population
PR: 抗病亲本; Ps: 感病亲本; BR1: 抗病池; BS1: 感病池; BR2: 抗病池; BS2: 感病池。1~10: 抗病 F2单株; 11~20: 感病 F2单株。
PR: resistant parent; Ps: susceptible parent; BR: resistant bulk; BS: susceptible bulk. 1–10: resistant F2 individuals; 11–20: susceptible F2 individuals.



图 2 抗炭疽病基因 Co-F2322分子标记连锁图谱
Fig. 2 Linkage map of Co-F2322 and its linked markers

份材料进行炭疽病抗性鉴定表明, 红芸豆是高抗炭
疽病地方品种。红芸豆的形态特征为大叶片、紫花、
直立生长、红色籽粒, 属于典型的安第斯基因库材
料, 菜豆朊蛋白标记也表明红芸豆抗病基因确实来
源于安第斯基因库。迄今发现的抗炭疽病基因除
Co-1 位点的抗病基因属于安第斯基因库外, 其他基
因均来源于中美基因库, 所以红芸豆中的抗病基因
可能是 Co-1 的等位基因, 也可能是一个位于新位
点的抗病基因。
3.2 作图群体的选择与应用
分离群体的构建是遗传分析、分子标记定位和
遗传连锁图谱构建的基础。常用的分离群体有暂时
性分离群体(F2 代群体、F3 代群体和回交群体)和永
久性分离群体(双单倍体群体、近等基因系、重组自
交系)。最常用的群体是 F2群体, 其优点是容易获取,
缺点是不能根据表型完全区分纯合体和杂合体。本
研究同时使用 F2和 F2:3两个群体。由于 F2单株表型
抗性鉴定按照 1~6 级标准人为区分抗感, 因此在 F2
群体基础上构建 DNA 池时, 仅靠表型选择单株, 会
使抗感池间的多态性降低 50%。因此本试验选择 F2
代自交得到相对应的 F2:3家系, 对每个 F2:3家系挑选
30 株单株进行抗性分离, 鉴定 F2单株基因型, 并根
据 F2基因型构建抗感池。这样不仅提高了 DNA 池
的纯度, 而且可以减少接种鉴定时的误差, 使试验
2134 作 物 学 报 第 37卷

表 2 由 F2:3家系苗期反应型推出的 F2基因型及其在 SSR标记位点 C872和 g1224的带型
Table 2 F2 genotypes inferred from seedling reaction of F2:3 lines and the corresponding alleles at SSR loci c871 and g1224
c871标记带型 Marker distribution g1224标记带型 Marker distribution 基因型
Genotype A H B
总和
Total A H B
总和
Total
纯合抗病 RR 30 2 1 33 29 4 33
杂合抗病 Rr 2 83 1 86 82 4 86
纯和感病 rr 1 3 49 53 4 49 53
合计 Total 33 88 51 172 29 90 53 172
A: 抗病亲本红芸豆的带型; B: 感病品种京豆的带型; H: 杂合带型。
A: type of resistant parent red bean; B: type of susceptible parent jing bean; H: heterozygous type.

结果更加准确。
3.3 分离群体分组分析法的优化及应用
1991年, Michelmore等[17]提出了群体分离分析
法(bulked segregant analysis, BSA), 又称基因池法,
属于选择 DNA 基因池法 (selective DNA pooling,
SDP)。群体分离分析法是快速有效地寻找与目的基
因紧密连锁分子标记的经典方法, 在许多作物育种
中被广泛应用。具有原理简单、操作方便、实用经
济等优点。但是群体分离分析法(BSA)具有物种特异
性, 这种特异性与基因组大小和亲本遗传背景的差
异有关, 一般基因组越大、亲本遗传背景差异越显
著的物种, 获得与目标基因紧密连锁标记的可能性
就越低。研究表明, BSA能检测到的分子标记与目标
基因可信的遗传距离在 15~25 cM以下[18-19], 因此应
用 BSA在一些物种上也不一定能获得目的标记。试
验中需要根据研究物种基因组大小、亲本遗传背景
差异、多态性丰富度来确定 DNA 池规模(每池单株
数)。此外, 应用 BSA最大的限制之一是非连锁的分
子标记在两池内出现多态性条带。本试验中采用两
种方法来降低非连锁标记出现的概率, 一是通过适
当增加混池单株数目; 二是分别构建 2个 DNA抗池
(每池 8株)、2个 DNA感池(每池 8株), 在亲本和 4
个 DNA池中同时监测多态性的分子标记, 效果良好。
3.4 红芸豆抗炭疽病基因Co-F2322与B1连锁群
上其他抗炭疽病基因的关系
本试验利用分离群体分组分析法, 找到 5个与红
芸豆中抗病基因相连锁的分子标记, 而且这 5个标记
位于抗炭疽病基因的两侧, 有利于后续标记加密。
已报道的菜豆抗炭疽病 14 个基因中, 位于 B1 连锁
群上的 Co-1基因有 5个等位基因, 即 Co-1, 存在于
鉴别寄主MDRK中; Co-12、Co-13和 Co-14分别存在于
Kaboon、Perry Marrow和 Widusa中, Co-1与 RAPD
标记连锁[7-8]。巴西学者 Goncalves-Vidigal等[20]通过
抗病品种 AND277和感病品种 Ruda证明基因 Co-14
与分子标记 TGA1.1、CV542014 紧密连锁。但是标
记 TGA1.1,CV542014 在本研究的 2 个亲本中没有多
态性。CAPs标记 g1224、g683距离 Co-14基因遗传
距离分别为 3.7 cM、11.3 cM, 而本研究定位的基因
Co-F2322 距 CAPs标记 g1224、g683 遗传距离分别
为 3.81 cM、12.75 cM (图 3)。二者遗传距离接近且
都是来源于安第斯基因库, 我们初步推断 Co-F2322
基因是 Co-1基因的等位基因。
4 结论
在普通菜豆地方品种红芸豆中发现一个抗炭疽
病基因, 该基因对 81号小种的抗性由单显性基因控
制。位于菜豆 B1连锁群上的 5个分子标记 BMc32、
g1224、c871、g683 和 Pvm97 与红芸豆中的抗炭疽
病基因连锁, 遗传距离分别为 26.06、3.81、3.58、
12.75和 13.56 cM。该基因来源安第斯基因库, 可能
是已知抗炭疽病基因 Co-1的等位基因。

致谢:国际热带农业研究中心(CIAT)Matthew Blair
博士提供部分引物并给予指导, 特此表达感谢。
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