全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(2): 275284 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由重庆市重大科技专项(CSTC2010AA1022), 中央高校基本科研业务费专项(XDJK2009C122), 国家大学生创新性实验计划项
目(091063510)和重庆市主要农作物种质资源共享平台建设项目(CSTC2010AA1033)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 蔡一林, E-mail: caiyilin1789@yahoo.com.cn, Tel: 023-68250447
第一作者联系方式: E-mail: qhn224@126.com, Tel: 13594180038
Received(收稿日期): 2011-04-14; Accepted(接受日期): 2011-09-10; Published online(网络出版日期): 2011-11-07.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20111107.1048.012.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.00275
玉米籽粒中花色苷和黑色素含量的 QTL分析
覃鸿妮 晏 萌 王召辉 郭 莹 王 辉 孙海燕 刘志斋 蔡一林*
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: 花色苷和黑色素是黑玉米籽粒中重要而有益的化学成分, 深入开展其 QTL 定位研究, 对于色素相关基因
的克隆与转化和分子标记辅助育种, 具有重要的理论意义和应用价值。本文利用 1个黑玉米自交系 SDM为共同父
本, 分别与白玉米自交系木 6 和黄玉米自交系 Mo17 杂交, 构建 2 个相关 F2:3群体(分别缩写为 WD 和 YD), 对玉
米籽粒中花色苷含量和黑色素含量进行 QTL 分析。结果表明, 黑玉米 SDM 籽粒中的花色苷和黑色素含量均极显
著高于木 6和 Mo17, 2 种色素含量间呈极显著正相关。2个群体中共检测到 17个色素相关的 QTL, 其中与花色苷
含量相关的 QTL 在 2 个群体中各 4 个, 分布在第 4、第 6、第 7 和第 10 染色体上, 与黑色素含量相关的 QTL 在
WD和 YD群体中分别为 4个和 5个, 分布在第 1、第 2、第 6、第 7和第 10染色体上。2个群体检测到 QTL 的数
量、分布和对表型的贡献率均高度一致, 而且解释花色苷含量和黑色素含量变异大的 QTL 在 2个群体中均有成簇
分布的现象, 主要表现在 bin 6.04处的标记区间 umc1796mmc2006内和 bin 10.04处的标记区间 umc2043bnlg1028
内, 分别解释表型变异的 12.7%~21.3%和 8.6%~21.3%。它们可能是一因多效的同一 QTL 或者是在该区段内紧密
连锁的不同 QTL。上位性分析表明, 2个群体中检测到的上位性 QTL 的数量、位置和对表型的贡献率差别均较大,
WD群体的上位性效应明显大于 YD群体, 说明上位性效应对遗传背景更加敏感, 需要进一步深入研究贡献率大的
上位性 QTL 及其利用。
关键词: 玉米籽粒; 花色苷; 黑色素; QTL分析
QTL Mapping for Anthocyanin and Melanin Contents in Maize Kernel
QIN Hong-Ni, YAN Meng, WANG Zhao-Hui, GUO Ying, WANG Hui, SUN Hai-Yan, LIU Zhi-Zhai, and
CAI Yi-Lin*
Maize Research Institute, Southwest University / Key Laboratory of Biotechnology and Crop Quality Improvement, Ministry of Agriculture,
Chongqing 400716, China
Abstract: Anthocyanin and melanin are important and beneficial chemical components in black maize kernel. It is important to
comprehensively study the QTL mapping for anthocyanin and melanin, cloning and transfer of pigmentation-related genes and
marker assistant breeding. In this study, two related F2:3 populations derived from crosses of Mu6×SDM (WD) and Mo17×SDM
(YD) were used to identify QTLs for anthocyanin and melanin contents in maize kernels. The results showed that the phenotype
and QTL identification of two populations were highly consistent. The anthocynian and melanin contents of SDM were signifi-
cantly higher than those of Mu 6 and Mo17. The positive correlation between the two pigment contents in kernel was highly sig-
nificant. A total of seventeen QTLs were identified, including eight QTLs for ACK and nine QTLs for MCK. For ACK, four QTLs
were both detected in two populations, which were distributed on chromosomes 4, 6, 7, and 10. For MCK, four and five QTLs
were identified in WD and YD populations, respectively, which were distributed on chromosomes 1, 2, 6, 7, and 10. The number,
distribution and effects of QTLs in two populations were highly consistent, and the major QTLs of ACK and MCK in two popula-
tions were both clustered, which were detected in the intervals of umc1796–mmc2006 (bin 6.04) and umc2043–bnlg1028 (bins
276 作 物 学 报 第 38卷

10.04) and explained 12.7–21.3% and 8.6–21.3% of phenotype variation, respectively. These QTLs which were stable in different
genetic backgrounds might be closely linked to each other, or a same pleiotropic QTL which could be used in fine mapping and
cloning of pigmentation-related genes in maize. The result of epistasic analysis indicated that the number, position and effects of
epistatic QTLs between two populations were much different, and epistasic effects were more obvious for WD than for YD. Some
epistatic QTL pairs explaining more than 10% variation of phenotype play an important role in pigment production and should be
further studied.
Keywords: Maize kernel; Anthocyanin; Melanin; QTL mapping
玉米籽粒中色素的成分和含量与玉米营养品质
密切相关。不同颜色的玉米中所含的色素成分不同[1],
普通黄玉米主要是类胡萝卜素, 而黑玉米主要是花
色苷和黑色素。花色苷属于酚类色素, 赋予植物鲜
艳的颜色以利于授粉和种子传播、抵抗植物虫害
等[2]。植物中所含的黑色素主要为异黑色素, 呈棕色
或黑色, 是花色苷等酚类物质经过氧化和多聚化生
成的不溶于酸、微溶于水、溶于碱的高分子量色
素[3-4]。黑色素作为一种保护性色素, 强化了生物机
体对环境胁迫的耐受力 [5], 更为重要的是花色苷和
黑色素对人体具有许多生理保健功能[4, 6]。因此, 黑
玉米中的主要色素既可作为天然食用色素, 又可作
为抗氧化剂用于医药、保健品和化妆品, 具有广阔
的应用前景。
早期有关玉米色素的研究与易于观察的色泽变
异紧密结合, 早在 1900 年以前, 玉米红色和蓝色籽
粒的分离现象就引起植物学家的重视, 随后通过大
量杂交试验 , 研究了玉米的色泽变异与基因位
点[7-12]。Emerson[7]选择几种彩色玉米对其遗传进行
了研究, 基于完全连锁理论, 认为玉米籽粒不同色
泽之间并非独立遗传。Hayes[8]认为玉米种皮的颜色
受一系列复等位基因控制 , 而非 2个或者更多的紧
密连锁基因控制。Anderson[9]研究发现, 某些有关玉
米种皮颜色的基因在遗传上是等位基因或紧密连锁,
有大量的基因参与性状的表达。Rhoades[12]研究基因
剂量效应对玉米糊粉层颜色的影响, 指出影响玉米
糊粉层颜色的 4个基因 A1、C、R和 A2必须至少各
有一个显性基因, 才能使糊粉层显颜色。崔丽娜等[1]
通过徒手切片和分光光度法, 研究玉米籽粒色泽的
组成、分布和积累规律表明, 不同颜色的玉米其色
素组成和分布均不同; 其中 2个黑玉米材料紫糯香
和西星黑糯 1 号的籽粒色素成分主要是花色苷, 且
主要存在于糊粉层中。随着分子标记技术的应用 ,
玉米色素相关基因的定位也取得了进展。Sourdille
等[13]对含 392单株的 F2群体的叶缘、主茎、颖片和
花丝等颜色基因的 QTL 定位, 检测到 8 个位点, 分
别位于第 2、第 3、第 4、第 5、第 7、第 9、第 10
染色体, 其中第 2 和第 10 染色体上的 QTL 对表型
的贡献率最大。Brown 等[14]利用 IL731AW×6786W
的 F2:3群体, 通过 RFLP标记, 对控制玉米叶片、果
皮、茎秆等颜色的基因进行 QTL定位, 通过 2年的
表型鉴定, 检测到 2个与花色苷含量相关的 QTL,
位于第 10 和第 5 染色体 , 分别解释表型变异的
18.8%和 7.1%。孙玲凌等[15]利用自交系 K12和琼 68
的 F2和 BCI群体对玉米红花丝进行遗传分析, 发现
K12 的红花丝由 1 对显性基因控制, 利用数量性状
和质量性状结合的基因定位方法, 将该基因定位在
第 10 染色体上, 与 SSR 标记 umc1576 之间的遗传
距离为 3.0 cM。Lee等[16]用 2个白玉米自交系(其中
一个自交系籽粒上有紫色条纹)构建了 F2:3群体, 采
用 58个 SSR标记, 2年重复检测到 1个控制白玉米
籽粒上紫色条纹的 QTL, 位于第 6 染色体, 其最近
标记为 umc1979, 从而推测控制 PKS 的基因就是与
这个位点紧密相连的 pl1基因。
到目前为止, 前人对玉米色泽相关性状的 QTL
研究较零散, 找到的 QTL 较少, 且定位区间大。前
人所有的色泽相关 QTL研究, 其表型的鉴定均是通
过颜色深浅分等级评估色素含量, 颜色越深代表花
色苷含量越多, 没有针对某种色素测定其具体含量,
而黑(紫)玉米中色素相关性状是非常复杂的, 肉眼
观察到的颜色深浅并不能代表某种色素含量的多
少。因此有关黑玉米中色素含量的 QTL还需进一步
深入研究。本试验组配 2个 F2:3群体, 相关色素的含
量经实验室定量测定, 对控制黑玉米籽粒中花色苷
和黑色素含量的基因进行 QTL定位, 为玉米中色素
相关基础研究提供参考, 为玉米中色素的分子标记
辅助育种及玉米色素相关基因的克隆与转化提供了
依据。
1 材料与方法
1.1 材料
以西南大学玉米研究所新培育的全黑玉米自交
系 SDM为共同父本, 分别与白玉米自交系木 6和黄
玉米自交系Mo17杂交, 构建 2个各含 189个家系的
第 2期 覃鸿妮等: 玉米籽粒中花色苷和黑色素含量的 QTL分析 277


F2:3群体, 作为目标性状定位的基础群体, 分别以缩
写“WD”和“YD”代表“木 6×SDM”和“Mo17×SDM”的
F2:3群体。SDM全籽粒墨黑, 穗轴为深紫色(图 1)。
Mo17是玉米育种的骨干亲本, 籽粒颜色为黄色。木
6 是中国西南地区广泛应用的一个玉米自交系, 其
籽粒为白色。

图 1 SDM的果穗、籽粒和穗轴
Fig. 1 Ear, kernel, and cob of SDM inbred line
A、B、C分别为 SDM的果穗、籽粒和穗轴。
A, B, C is the ear, kernel, and cob of SDM, respectively.

1.2 方法
1.2.1 田间试验 2008年春在重庆北碚获得 F1
种子 , 2008年冬在海南利用 F1套袋自交产生 F2种
子 , 2009年春在重庆北碚利用 F2套袋自交产生 F2:3
种子。2010 年春在重庆北碚种植 F2:3 家系 , 采用
田间完全随机区组设计 , 重复 2 次 , 每小区种 20
株 , 种植密度为 45 000 株 hm2, 套袋自交 , 成熟
收获晒干后脱粒 , 测定全部 20 株果穗籽粒的花色
苷和黑色素含量 , 取其 2 个重复的平均值供 QTL
分析。
1.2.2 花色苷含量的测定 用蒸馏水浸泡干籽粒
24 h, 剥离白色 /黄色胚乳 , 将剩下的紫黑色部分
55℃恒温烘干即为待测样品。采用 pH 示差法测定
样品中的花色苷含量[17-18]。称取 0.1 g样品, 加 5 mL
5%盐酸甲醇溶液, 于 50℃恒温水浴 1 h, 10 000×g离
心 5 min, 对残渣重复提取 2 次, 合并 3 次上清液,
定容至 15 mL, 将该色素溶液在 200~800 nm 扫描,
确定花色苷的最大吸收波长, 于花色苷最大波长处
(507 nm)测定吸光度。吸取 2 mL样品液, 分别用 pH
1.0 [0.2 mol L1 KCl 0.2 ∶ mol L1 HCl = 25 67, ∶ V/V]
和 pH 4.5 [0.2 mol L1 NaAc·3H2O 0.2 mol L∶ 1 HAc
= 1 1, ∶ V/V]的缓冲液稀释至 10 mL并混匀, 以 2 mL
溶剂加 8 mL相应缓冲液作空白, 分别在 507 nm和
700 nm测吸光值。
MF = A V N M
me
´ ´ ´
´

式中, MF为花色苷质量分数(mg g1); A = (Amax 
A700)pH1.0  0.1(Amax  A700)pH4.5; V为定容体积(mL); N
为稀释倍数; M 和 分别为 Cyanidin-3-glucoside 的
分子量(449)和消光系数(29 600); m为样品质量(g)。
1.2.3 黑色素含量的测定 参照曲存民等 [19]的
方法将提取过花色苷的残渣加入 5 mL 2% NaOH,
置 70℃水浴加热提取 1 h, 于 10 000×g离心 5 min,
收集上清液于 25 mL离心管中。取残渣按上述方法
再提取 2次, 合并 3次上清液, 然后用 2% NaOH溶
液定容至 25 mL, 再吸取 2 mL上清液用 2% NaOH
溶液稀释至 10 mL。在 290 nm处测定吸光值, 以A290
nm g1干重表示黑色素含量。
1.2.4 遗传连锁图谱的构建 在植株长至 5 片叶
左右时, 取 F2单株及亲本的嫩叶, 用 CTAB 法[20]提
取 DNA。参照 http://www.maizegdb.org/上的相关信
息, 选取覆盖玉米全基因组的 SSR 标记进行多态性
引物的筛选, 分别利用筛选出的 SSR 标记并采用
JoinMap Version 3.0软件[21]构建“WD”和“YD”的遗
传连锁图谱。
1.2.5 QTL 分析 基于完备区间作图方法(inclu-
sive composite interval mapping, ICIM)的 QTL Ici-
mapping 3.0 软件[22]进行 QTL 定位和上位性分析。
对 QTL检测, 选用 1 cM的步长(walking speed), 选
取参数 1 000次回归, 显著水平 0.05, 丢失数据以删
除处理。对上位性效应的检测, 采用 ICIM-EPI的方
法进行全基因组上位性扫描, 步长为 5 cM, 作 1 000
次回归, LOD阈值采用手动设定为 5.0, 丢失数据也
以删除处理。使用 Map Chart Vision 2.2 绘图。按
Stuber 等[23]标准判定基因作用方式, 当显性效应值
与加性效应值比值的绝对值为 0~0.20时认为是加性
(additive, A), 0.21~0.80 为部分显性 (partial domi-
nance, PD), 0.81~1.20为显性(dominance, D), 大于
1.20为超显性(over dominance, OD)。QTL命名方法:
以MCK-1a为例, MCK表示玉米籽粒中黑色素含量,
短线后的数字 1表示第 1染色体, a表示在该染色体
上定位的黑色素含量 QTL的序号。
278 作 物 学 报 第 38卷

2 结果与分析
2.1 亲本及 F2:3家系籽粒中 2种色素含量的表型
分析
表 1表明, 黑玉米 SDM籽粒中的花色苷和黑色
素含量均极显著高于木 6和 Mo17 (P < 0.01)。F2:3
群体籽粒中的花色苷和黑色素含量表现为连续分布
(图 2), 说明 2种色素含量是数量性状, 适合作 QTL
检测。花色苷含量的峰度和偏度系数均较大, 黑色
素含量峰度较大(表 1), 表明这 2种色素含量不是典
型的正态分布, 存在控制 2种色素含量的主效基因。
相关分析结果表明, 玉米籽粒中花色苷含量和黑色
素含量在 2 个群体中均呈极显著正相关, 在 WD 和
YD群体中的相关系数分别为 0.616和 0.427。

表 1 亲本及 2个 F2:3群体的表型分析
Table 1 Analysis of phenotypic values of the parents and F2:3 families in two populations
亲本 Parental lines F2:3群体 F2:3 population 性状
Trait
群体
Population SDM 木 6
Mu 6
Mo17 t值
t-value
平均值
Mean
范围
Range
标准差
Standard deviation
偏度
Skewness
峰度
Kurtosis
WD 5.20 0.24 — 42.7** 1.94 0–9.76 1.92 1.37 1.99 ACK
(mg g1) YD 5.20 — 0.14 43.7** 3.16 0–9.85 3.36 1.26 1.47
WD 7.90 2.19 — 38.2** 4.49 1.85–7.69 1.38 0.13 0.70 MCK
(A290nm g1) YD 7.90 — 2.44 41.9** 4.25 0.30–7.83 1.42 0.52 0.87
** 表示在 0.01水平差异显著; ACK: 籽粒中花色苷含量; MCK: 籽粒中黑色素含量; WD: 木 6和 SDM杂交获得的 F2:3群体; YD:
Mo17和 SDM杂交获得的 F2:3群体。
** indicates significance at P<0.01, ACK: anthocyanin content of kernel; MCK: melanin content of kernel; WD: F2:3 population derived
from cross of Mu6×SDM (WD); YD: F2:3 population derived from cross of Mo17×SDM.


图 2 2个 F2:3群体籽粒中花色苷和黑色素含量的频率分布
Fig. 2 Frequency distribution of anthocyanin and melanin
contents in kernel of F2:3 families

2.2 遗传连锁图谱的构建
对于 WD群体, 从 1 000对覆盖玉米全基因组
的 SSR引物中筛选出 150对多态性引物进行连锁分
析, 构建了含 124个标记位点的玉米基因组的 10个
连锁群(图 3), 总的遗传距离为 1 085.8 cM, 标记间
的平均距离为 8.7 cM。每个连锁群含有 7~18个 SSR
标记, 平均为 12.4 个。大部分标记与标准图谱 IBM2
2008 Neighbors Frame6上的位置较一致, 极少数标记
的位置不一致, 其中标准图谱上位于第 6、第 8和第 9
染色体上的 3个标记 umc1833、mmc0001和 bnlg1131
在本连锁图谱上分别位于第 1、第 3和第 8染色体。
对于YD群体, 从 1 000对覆盖玉米全基因组的
SSR引物中筛选出 182对 SSR多态性引物进行连锁
分析, 构建了含 145 个标记位点的玉米基因组的 11
个连锁群, 其中第 7染色体被分成了 2个连锁群(图
4)。连锁群全长 1 023.4 cM, 标记间平均距离为 7.1
cM。每个连锁群包括 8~22个 SSR标记, 平均为 13.2
个。与标准图谱比较, 标记 umc1386a 和 bnlg1191
在标准图谱上分别位于第 3 和第 9 染色体, 而在本
连锁图谱上分别位于第 1和第 8染色体。
2.3 色素相关性状的 QTL检测
2.3.1 玉米籽粒中花色苷含量的 QTL检测 WD
群体和 YD 群体中各检测到 4 个控制玉米籽粒中花
第 2期 覃鸿妮等: 玉米籽粒中花色苷和黑色素含量的 QTL分析 279


色苷含量的 QTL, 增效基因均来自父本 SDM。从
WD中检测到的 QTL位于第 6、第 7和第 10染色体
上(图 3和表 2), 其中位于第 6和第 10染色体上的 2
个 QTL ACK-6a和 ACK-10b的贡献率最大, 分别解
释表型变异的 21.3%和 12.5%, 基因作用方式分别
为加性和部分显性, 分别位于标记区间 umc1857
umc1979和 umc1477umc2043, 2标记间的距离分别
为 1.7 cM和 8.9 cM。从 YD中检测到的 QTL位于
第 4、第 6和第 10染色体上(图 4和表 3), 其中位于第
6和第 10染色体上的 2个 QTL ACK-6b和 ACK-10c
贡献率最大, 分别解释表型变异的 20.0%和 16.9%,
基因作用方式分别为部分显性和加性, 分别位于标
记区间 mmc0523umc2006和 bnlg1028IDP7852, 2
个标记间的距离分别为 3.9 cM和 8.8 cM。
2.3.2 玉米籽粒中黑色素含量的 QTL检测 2个
群体中共检测到 9 个控制玉米籽粒中黑色素含量的
QTL, 增效基因均来自父本 SDM。从 WD群体中检
测到 4个 QTL, 位于第 1、第 6和第 10染色体上(图

表 2 WD群体中检测到的 QTL
Table 2 QTLs identified in the WD population
QTL 位点
Bins
位置
Position
标记区间
Marker interval
LOD 加性效应
A
显性效应
D
基因作用方式
Gene action
贡献率
Phenotypic variance
explained (%)
籽粒中花色苷含量 Anthocyanin content of kernel
ACK-6a 6.04 76 umc1857–umc1979 13.16 1.22 0.23 A 21.30
ACK-7a 7.02 31 umc1409–bnlg2259 3.26 0.53 0.80 OD 8.13
ACK-10a 10.07 9 umc2021–umc1196a 4.18 0.66 0.12 A 6.45
ACK-10b 10.04 47 umc1477–umc2043 7.98 0.82 0.55 PD 12.56
籽粒中黑色素含量 Melanin content of kernel
MCK-1a 1.02 0 umc1166–bnlg1007 3.17 0.39 0.10 PD 4.00
MCK-1b 1.04 58 bnlg1429–umc2217 9.29 0.62 0.01 A 12.97
MCK-6a 6.04 78 umc1979–umc1796 12.48 0.82 0.20 PD 18.68
MCK-10a 10.04 40 umc1477–umc2043 12.28 0.84 0.20 PD 21.28
加性效应: 负值表示增效等位基因来源于 SDM, 正值表示增效等位基因来源于木 6。ACK: 籽粒中花色苷含量; MCK: 籽粒中黑
色素含量。
A: additive effect of the QTL. negative values indicate that the alleles for increasing trait values are contributed by SDM; positive val-
ues indicate that the alleles for increasing trait values are contributed by another parent Mu 6. D: dominant effect of the QTL. ACK: Antho-
cyanin content of kernel; MCK: Melanin content of kernel.

表 3 YD群体中检测到的 QTL
Table 3 QTLs identified in the YD population
QTL 位点
Bins
位置
Position
标记区间
Markers interval
LOD 加性效应
A
显性效应
D
基因作用方式
Gene action
贡献率
Phenotypic variance
explained (%)
籽粒中花色苷含量 Anthocyanin content of kernel
ACK-4a 4.06 58 bnlg2291–umc1945 3.12 0.94 0.74 PD 4.89
ACK-6b 6.04 7 mmc0523–umc2006 11.28 2.04 0.78 PD 20.03
ACK-10c 10.04 46 bnlg1028–IDP7852 11.55 2.06 0.08 A 16.88
ACK-10d 10.03 82 phi084–umc1272 3.51 0.19 1.54 OD 5.48
籽粒中黑色素含量 Melanin content of kernel
MCK-1c 1.07 2 umc2550–umc2217 7.36 0.69 0.05 A 13.82
MCK-2a 2.07 43 umc1497–mmc0271 2.71 0.50 0.04 A 5.06
MCK-6b 6.04 5 umc1014–mmc0523 6.52 0.73 0.09 A 12.70
MCK-7a 7.02 54 umc1393–phi112 3.42 0.55 0.31 PD 6.31
MCK-10b 10.04 47 bnlg1028–IDP7852 5.12 0.47 0.48 D 8.56
加性效应: 负值表示增效等位基因来源于 SDM, 正值表示增效等位基因来源于 Mo17。ACK: 籽粒中花色苷含量; MCK: 籽粒中
黑色素含量。
A: additive effect of the QTL. negative values indicate that the alleles for increasing trait values are contributed by SDM; positive val-
ues indicate that the alleles for increasing trait values are contributed by another parent Mo17. ACK: Anthocyanin content of kernel; MCK:
Melanin content of kernel.
280 作 物 学 报 第 38卷

3和表 2), 其中位于第 6和第 10染色体上的 2个QTL
MCK-6a 和 MCK-10a 的贡献率最大, 分别解释表型
变异的 18.6%和 21.2%, 基因作用方式均为部分显性,
分别位于标记区间 umc1979umc1796 和 umc1477


图 3 WD群体中检测出的色素相关 QTL在连锁群上的分布
Fig. 3 Distribution of QTLs for pigmentation-related traits on linkage map in the WD population

第 2期 覃鸿妮等: 玉米籽粒中花色苷和黑色素含量的 QTL分析 281


umc2043, 2标记间的距离分别为 3.1 cM和 8.9 cM。
从 YD 中检测到 5 个 QTL, 位于第 1、第 2、第 6、
第和第 10染色体上(图 4和表 3), 其中位于第 1、第 6
和第 10 染色体上的 3 个 QTL MCK-1c、MCK-6b 和
MCK-10b 贡献率最大, 分别解释表型变异的 13.8%、
12.7%和 8.6%, 基因作用方式分别为加性、加性和显
性, 分别位于标记区间 umc2550umc2217、umc1014
mmc0523和 bnlg1028IDP7852, 2个标记间的距离分


图 4 YD群体中检测出的色素相关 QTL在连锁群上的分布
Fig. 4 Distribution of QTLs for pigmentation-related traits on linkage map in the YD population

282 作 物 学 报 第 38卷

别为 9.3、2.4和 8.8 cM。
2.4 色素相关性状的 QTL上位性分析
2个群体的上位性分析结果见表 4。WD群体中
检测到 9 对花色苷含量的双基因互作和 4 对黑色素
含量的双基因互作。其中与花色苷含量相关的上位
性 QTL有 5对属于一个有显著效应的座位与一个没
有显著性效应的座位间的互作, 位于第 10染色体与
第 2、第 6和第 7染色体之间, 即当 QTL ACK-10b
(位于 bin 10.04, 标记区间 umc1477umc2043内)单
独存在时对表型的贡献率仅为 12.5%, 而当与另一
个 QTL 发生互作后对表型的贡献率可达到 17.3%~
24.0%, 以显显互作方式为主。而且从单座位 QTL
的加性效应与双座位间的上位性效应可以看出 ,
QTL 的加性效应与加性×加性互作的作用方式和效
应大小各不相同。另外 4 对花色苷含量相关的上位
性 QTL为没有显著效应的座位间的互作, 即单独存
在时对表型的贡献率非常小, 几乎检测不到, 但 2
个 QTL 同时存在时, 发生上位性互作, 以显显互作
和显加互作方式为主, 互作后对表型的贡献率最大
为 20.4%, 最小为 8.8%。与黑色素含量相关的 4 对
上位性 QTL 全部为没有显著效应的座位间的互作,
其中 3 对位于第 2 染色体与第 8 染色体之间, 以显
显互作方式为主, 对表型的贡献率为 6.2%~12.2%。
1对位于第 1染色体和第 5染色体之间, 以加显互作
方式为主, 对表型的贡献率为 13.0%。YD群体中共
检测到 9 对双基因互作, 其中 4 对与花色苷含量相
关, 5对与黑色素含量相关, 这 9对上位性 QTL全部
为没有显著效应的座位间的互作, 以显显互作和显
加互作为主, 互作后对表型的贡献率不大, 均小于
10%。总体来看, 2个群体中检测到的上位性 QTL的

表 4 WD和 YD群体中上位性效应
Table 4 Epistasis effects of QTL pair for the two traits in populations WD and YD
群体
Population
染色体
Chr.1×Chr.2
染色体 1标记区间
Marker interval-1
染色体 2标记区间
Marker interval-2
加加互作
AA
加显互作
AD
显加互作
DA
显显互作
DD
贡献率
R2 (%)
籽粒中花色苷含量 Anthocyanin content of kernel
WD 2×6 umc1230–umc1464 umc1520–bnlg1732 0.49 0.59 1.17 1.92 12.55
2×10 mmc0271–umc1536 umc1477–umc2043 0.13 0.67 1.60 2.35 23.44
6×10 bnlg1732–umc2319 umc1477–umc2043 1.46 0.51 0.68 1.41 17.39
6×10 mmc0523–umc1857 umc1477–umc2043 1.21 0.21 0.76 2.04 20.62
6×10 umc1796–bnlg1867 umc1477–umc2043 1.22 0.45 0.93 2.71 24.06
7×10 umc1409–bnlg2259 umc1477–umc2043 1.00 0.36 1.42 0.92 17.49
7×8 umc1001–umc1408 umc1872–umc1415 0.36 0.75 1.27 1.02 8.83
8×9 mmc0001–bnlg240 umc1519–bnlg1129 0.45 1.23 1.92 1.88 20.49
9×10 bnlg1724–bnlg244 umc2021–umc1196a 0.94 0.88 0.74 1.82 17.14

YD 1×7 umc1534–bnlg1598 umc1585–umc1001 0.47 0.06 0.74 0.71 1.85
1×9 umc1383–umc1797 bnlg1626–umc1277 0.45 0.03 0.77 0.68 0.95
2×2 umc1776–bnlg125 phi96100–phi402893 0.06 0.33 0.95 1.24 2.26
3×9 bnlg197–bnlg1350a umc1277–umc1957 0.24 0.06 0.36 2.09 1.41
籽粒中黑色素含量 Melanin content of kernel
WD 1×5 umc1991–umc1534 umc1587–umc1260 0.63 1.02 0.71 0.21 13.06
2×8 bnlg1662–umc2205 umc1075–umc1483 0.15 0.63 0.51 0.64 6.24
2×8 mmc0271–umc1536 umc1075–umc1483 0.19 0.78 0.65 0.99 12.21
2×8 mmc0271–umc1536 umc1483–phi119 0.05 0.16 0.82 1.12 8.23

YD 1×8 umc1386a–umc1395 bnlg669–umc1415 0.22 0.12 0.75 0.61 5.40
3×3 bnlg197–bnlg1350a bnlg1108–bnlg1257 0.82 0.23 0.48 1.11 9.69
6×10 umc1105–umc1014 bnlg1028–IDP7852 0.34 0.62 0.05 0.52 4.60
6×10 umc2006–umc1114 umc1272–bnlg2336 0.11 0.62 0.84 0.43 6.81
6×10 umc1114–bnlg1732 umc1319–umc2034 0.67 0.04 0.21 0.16 4.87
WD: 木 6和 SDM杂交获得的 F2:3群体; YD: Mo17和 SDM杂交获得的 F2:3群体。
WD: F2:3 population derived from the cross of Mu6×SDM (WD); YD: F2:3 population derived from the cross of Mo17×SDM. AA: addi-
tive by additive; AD: additive by dominant; DA: dominant by additive; DD: dominant by dominant.

第 2期 覃鸿妮等: 玉米籽粒中花色苷和黑色素含量的 QTL分析 283


数量、位置和对表型的贡献率差别均较大, 说明不
同遗传背景对上位性的影响较大。
3 讨论
3.1 黑玉米中色素相关性状的 QTL定位
关于玉米色泽, 早期的研究者是将基因位点与
易于观察的色泽变异相联系, 通过基础杂交研究玉
米色泽的遗传规律。迄今为止, 黑玉米(紫玉米)相关
色素的QTL研究报道还较少, 近 10年来, 国内外研
究者对黑玉米籽粒、穗轴的颜色以及某些农艺性状
如紫色叶脉、叶鞘、花丝等通过颜色的深浅来分等
级衡量色素(主要是花色苷)含量, 定位了玉米基因
组中一些色素相关的 QTL[13-16]。本研究在 2个相关
F2:3 群体中检测到了多个控制黑玉米籽粒中色素含
量的 QTL, 其中某些 QTL 与前人报道的 QTL 处于
同一染色体的相同区域内[13,15-16]。例如, 在 bin 6.04
处 2个群体共同定位到的多个 QTL的重叠区域, 与
Lee等[16]检测到的 1个与白色玉米上紫色条纹 (PKS)
相关的 QTL处于同一区域, 而且二者具有共同的多
态性 SSR标记 umc1979。该区段内存在一个花色苷
的调节基因 pl1 (purple plant 1), 其最近标记为
umc1014 (http://www.maizegdb.org/); Sourdille等[13]和
孙凌玲等[15]在 bin 10.04处分别检测到了 1个与花丝
颜色相关的主效 QTL, 其探针和最近标记分别为
umc57 和 umc1576, 与本研究定位到的另外 1 个与
籽粒中花色苷和黑色素含量均相关的 QTL 区域一
致。该区段附近包括 3 个花色苷的调节基因 r1
(colored 1)、Sn1 (scutellar node color1)、Lc1 (red leaf
color 1) (http://www.maizegdb.org/)。这 2个区域内
存在的 4 个与花色苷相关的基因是否与黑玉米中色
素的合成有关还需要进一步研究, 但该信息为黑玉
米籽粒中相关色素基因的进一步精细定位和克隆提
供参考。同时, Sourdille等[13]检测到位于第 2染色体
上和 Brown等[14]检测到位于第 5染色体上控制多个
紫色植株性状的主效 QTL在本研究中均未发现, 其
最主要的原因可能是控制玉米不同部位颜色的基因
不同, 某些控制色素合成的基因只在植株的特定部
位表达[24], 也可能是试验材料不同, 群体种类和大
小不同。不同群体、不同方法定位出的玉米色素相
关性状的 QTL不同, 说明黑玉米果穗和植株色素的
合成是受多个基因控制的复杂数量性状, 其表达受
到材料、植株部位以及植株发育的不同时期等多种
因素共同影响[1]。
3.2 2个群体间色素相关性状 QTL的比较
本研究中, 3个亲本的籽粒颜色以及相关色素含
量差异大, 因此用其组配的 2个相关 F2:3群体作为定
位的基础群体 , 容易找到对色素含量贡献大的
QTL。从定位结果来看 , 虽然 2个群体的共同标记
只有 48个, 但是检测到的控制玉米籽粒中花色苷和
黑色素含量的 QTL 在 10 条染色体上的分布、效应
及对表型的贡献率都较一致。以 IBM2 2008 Neigh-
bors Frame6作为参考图谱, 对 2个群体定位结果一
致性比较。表明玉米籽粒中花色苷和黑色素含量是
由主效基因和微效基因共同控制的, 主效 QTL的存
在导致 F2:3 家系表型分布频率的峰度和偏度系数均
较大, 偏离了正态分布, 而且贡献率较大的 QTL 在
2 个群体中高度一致。bin 6.04 处 umc1857 和
umc1014附近的 QTL同时与籽粒中花色苷和黑色素
含量相关 , 增效基因均来自父本 SDM, 贡献率为
11.8%~21.3%; bin 10.04处 IDP7852umc1477区间
内的 QTL 同时与籽粒中花色苷和黑色素含量相关,
2个群体的重叠区间为 361.6~366.3 cM, 增效基因均
来自父本 SDM, 贡献率为 9.3%~21.2%; bin 1.04处
umc2217附近的 2个 QTL与黑色素含量相关, 重叠
位点为 341.75, 增效基因均来自父本 SDM, 2个群体
中贡献率分别为 12.7%和 13.8%。2个群体所检测到
的上位性 QTL存在较大差异, 再次证实了上位性对
遗传背景更敏感的结论[25]。但是在特定的遗传背景
下, 上位性对色素含量的影响有着非常重要的作用,
对这些 QTL的利用需要进一步深入研究。
3.3 色素相关性状的成簇分布
表型相关分析表明, 玉米籽粒中花色苷和黑色
素含量呈中度正相关。QTL定位结果显示, 2个群体
中检测到的对花色苷和黑色素含量贡献率较大的
QTL有成簇分布的现象, 主要表现在第 6和第 10染
色体。在第 6 染色体上, 从 2 个群体中检测到的 4
个 QTL分布在 bin 6.04处的 umc1796mmc2006标
记区间内。第 10 染色体上, 2 个群体中检测到的 4
个 QTL 分布在 bin 10.0410.06 的 umc2043bnlg-
1028标记区间内。因此认为第 6和第 10染色体的 2
个区域内的 QTL 是控制玉米籽粒中花色苷和黑色
素含量的一因多效的位点或者是在相邻的位点紧密
连锁, 这与表型的相关性分析结果一致。
4 结论
色素含量受一些主效和微效 QTL共同控制, 从
284 作 物 学 报 第 38卷

2个群体检测到 QTL的数量、分布和对表型的贡献
率均高度一致, 而且贡献率较大的 QTL在 2个群体
中均有成簇分布的现象 , 同时控制 2个性状, 主要
表现在 bin 6.04处的标记区间 umc1796mmc2006内
和 bin 10.0410.06 处的标记区间 umc2043bnlg1028
内。这些 QTL 可能是一因多效的同一 QTL 或者是
在该区段内紧密连锁的不同 QTL, 可为玉米中色素
形成遗传机制的深入研究提供重要的参考。从 2 个
群体检测到的上位性 QTL的数量、位置和对表型的
贡献率差别均较大, 说明上位性效应对遗传背景更
加敏感 , 需要进一步深入研究贡献率大的上位性
QTL及其利用。
References
[1] Cui L-N(崔丽娜), Gao R-Q(高荣岐), Sun A-Q(孙爱清), Dong
S-T(董树亭), Zhang H-R(张华荣). Regularity of carotenoids and
anthocyanins accumulation in various genotypes of maize kernel.
Acta Agron Sin (作物学报), 2010, 36(5): 818825 (in Chinese
with English abstract)
[2] Holton T A, Cornish E C. Genetics and biochemistry of antho-
cyanin biosynthesis. Plant Cell, 1995, 7: 10711083
[3] Zhao S-Q(赵肃清), Sun Y-M(孙远明), Cai Y-F(蔡燕飞), Zhang
H-R(张厚瑞). Advances on research of natural melanin. Guang-
zhou Food Sci Technol (广州食品工业科技), 17(3): 5459 (in
Chinese with English abstract)
[4] Jones K. The potential health benefits of purple corn. Herbal
Gram, 2005, 65: 4649
[5] Prota G D, Ischia M, Napolitano A. The Chemistry of melanins
and Related Metabolites. The Pigmentary System. Oxford: Ox-
ford University Press, 1998. pp 307332
[6] Wang J-T(王金亭), Sun C-F(孙长峰), Wu G-Q(吴广庆). Ad-
vances on research and application of natural phenols pigment.
Prog Mod Biomed (现代生物医学进展), 2008, 8(2): 376379
(in Chinese with English abstract)
[7] Emerson R A. Genetic correlation and spurious allelemorphism
in maize. Annu Rep Nebraska Agric Exp Stn, 1911, 24: 5990
[8] Hayes H K. Inheritance of a mosaic pericarp pattern color of
maize. Genetics, 1917, 2: 261281
[9] Anderson E G. Pericarp studies in maize: II. The allelomorphism
of a series of factors for pericarp color. Genetics, 1924, 9:
442453
[10] Anderson E G, Eyester W H. Pericarp studies in maize: III. The
frequency of mutation in variegated maize pericarp. Genetics,
1927, 13: 111120
[11] Emerson R A, Anderson E G. The a series of allelomorphs in re-
lation to pigmentation in maize. Genetics, 1932, 17: 503509
[12] Rhoades M M. The effect of varying gene dosage on aleurone
color in maize. Genetics, 1936, 23: 347354
[13] Sourdille P, Baud S, Leroy P. RFLP markers and genes affecting
anthocyanin pigmentation in maize (Zea mays L.). Euphytica,
1996, 91: 2130
[14] Brown A F, Juvik J A, Pataky J K. Quantitative trait loci in sweet
corn associated with partial resistance to Stewart’s wilt, northern
corn leaf blight, and common rust. Phytopathology, 2001, 91:
293300
[15] Sun L-L(孙凌玲), Lin X-E(林兴娥), Xie H-L(谢慧玲), Fu
Z-Y(付志远), Tang J-H(汤继华). The tagging molecular markers
for red silk gene in maize inbred line K12. J Henan Agric Univ
(河南农业大学学报), 2007, 41(5): 480482 (in Chinese with
English abstract)
[16] Lee E A, Young J A, Azizi F, Jay S, Schaafsma A W. Phenotypic
and genotypic characterization of purple kernel streak in white
food corn. Crop Sci, 2009, 49: 12351241
[17] Zhang J-X(张建霞), Zhang Y(张燕), Sun Z-J(孙志健), Hu
X-S(胡小松), Wu J-H(吴继红), Liao X-J(廖小军). Summary of
resource distribution and qualitative and quantitative analysis
methods of anthocyanin. Food Sci (食品科学), 2009, 30(5):
263268 (in Chinese with English abstract)
[18] Xu J-R(徐金瑞), Zhang M-W(张名位), Liu X-H(刘兴华), Liu
Z-X(刘章雄), Zhang R-F(张瑞芬), Sun L(孙玲), Qiu L-J(邱丽
娟). Correlation between antioxidation, and content of total phe-
nolics and anthocyanin in black soybean accessions. Sci Agric
Sin (中国农业科学), 2006, 39(8): 15451552 (in Chinese with
English abstract)
[19] Qu C-M(曲存民), Fu F-Y(付福友), Liu L-Z(刘列钊), Wang
J-F(王家丰), Mao L-J(毛丽佳), Yuan X-Y(原小燕), Chen L(谌
利), Li J-N(李加纳). QTL mapping of embryonic pigment com-
ponents in Brassica napus. Acta Agron Sin (作物学报), 2009,
35(2): 286294 (in Chinese with English abstract)
[20] Chen D H, Ronald P C. A rapid DNA minipreparation method
suitable for AFLP and other PCR applications. Plant Mol Biol
Rep, 1999, 17: 5357
[21] Stam P. Construction of integrated genetic linkage maps by
means of a new computer package: JoinMap. Plant J, 1993, 3:
739744
[22] Wang J-K(王建康). Inclusive composite interval mapping of
quantitative trait genes. Acta Agron Sin (作物学报), 2009, 35(2):
17 (in Chinese with English abstract)
[23] Stuber C W, Edwards M D, Wendel J F. Molecular marker-
facilitated investigations of quantitative traits loci in maize: II.
Factors influencing yield and its component traits. Crop Sci, 1987,
27: 639648
[24] Goodman C D, Casati P, Walbot V. A multidrug resistance- as-
sociated protein involved in anthocyanin transport in Zea mays.
Plant Cell, 2004, 16: 18121826
[25] Liao C Y, Wu P, Hu B, Yi K K. Effects of genetic background and
environment on QTL and epistasis for rice (Oryza sativa L.)
panicle number. Theor Appl Genet, 2001, 103: 104111