全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(2): 256−260 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(2006BAD13B03)，北京市自然科学基金项目(6071003)和农作物种质资源保护与利用项目(NB06-070401-
22-27-04)资助。
第一作者联系方式: E-mail: shiyunsu@mail.caas.net.cn; Tel: 010-62186647
Received(收稿日期): 2009-06-29; Accepted(接受日期): 2009-09-09.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.00256
一个新矮生玉米种质资源矮生性状 QTL的定位
石云素 于永涛 宋燕春 刘志斋 黎 裕 王天宇
中国农业科学院作物科学研究所 / 农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程, 北京 100081
摘 要: 用新发现的玉米矮生种质资源矮 2003×冀 257构建的 255个 F2:3家系为作图群体, 利用 114个覆盖玉米全基
因组的 SSR标记构建连锁图谱, 图谱总长度 2 852.1 cM, 标记间平均距离为 27.42 cM。2006年在北京与海南进行随
机区组试验, 鉴定了 255个 F2:3家系成株期株高。用复合区间作图法(composite interval mapping, CIM), 对控制玉米
株高性状的遗传位点进行 QTL 检测。在两个不同环境下均检测到相同的控制玉米株高的 QTL 位点 3 个, 分别位于
第 1和第 2条染色体。其中在第 1染色体上的 1.10~1.11区段存在一个控制株高的主效 QTL, 与 dwarf plant8 (d8)位
置相近, 在北京和海南环境下分别能够解释株高表型变异的 50.5%和 37.5%, 作用方式表现为显性效应。深入的序列
分析结果显示, 该基因/QTL位于已知的 d8基因下游 20~30 cM的染色体区间, 这可能是玉米中控制株高的一个新基因。
关键词: 玉米; 矮生资源; SSR; 株高; QTL
QTL Identification for Plant Height in a New Dwarf Germplasm of Maize
SHI Yun-Su, YU Yong-Tao, SONG Yan-Chun, LIU Zhi-Zhai, LI Yu, and WANG Tian-Yu
Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement,
Beijing 100081, China
Abstract: Dwarf germplasm is important for both breeding programs and basic researches in maize (Zea mays L.). Previously we
found a naturally occurred dwarf mutant from the inbred “K36” and developed a new dwarf germplasm, “Ai 2003”, with good
agronomical performance. Classical genetic analysis showed that this dwarfing character was controlled by a major single reces-
sive nuclear gene. However, the character of plant height in the germplasm is also likely associated with other genetic loci. There-
fore, quantitative trait locus (QTL) analysis was conducted to elucidate the genetic basis of plant height of this dwarf germplasm
by using a segregating population consisting of 255 F2:3 lines derived from a cross between Ai 2003 and a normal inbred, Ji 257.
A genetic linkage map was constructed by 114 polymorphism simple sequence repeat (SSR) markers covering the entire maize
genome. The total map length was 2 852.1 cM, with an average distance of 27.4 cM between markers. Composite interval map-
ping (CIM) was used to identify the genes/QTLs controlled plant height based on the phenotypic characterization of 255 F2:3 fami-
lies in Beijing and Hainan in 2006. The same three QTLs located on chromosomes 1 and 2 were identified under both environ-
ments, explaining 4.8% to 50.5% of the phenotypic variances, among which, one major QTL located in the region of bin
1.10–1.11 explained 50.5% and 37.5% of the phenotypic variation in Beijing and Hainan, respectively. A further sequences analy-
sis revealed that the QTL is located in the 20–30 cM interval downstream of dwarf plant8 (d8), a well-known maize dwarf gene,
implying that the locus is a gene newly discovered for controlling plant height in maize.
Keywords: Maize; Dwarf germplasm; SSR; Plant height; QTL
矮生种质资源的利用在 20 世纪 60 年代为小麦
和水稻等粮食作物的增产作出了巨大贡献 [1], 也使
矮秆基因 Sd1和 Rht成为著名的绿色革命基因[2]。玉
米中的显性矮秆基因 dwarf plant8 (d8)即是这类基因
的直向同源基因, 该基因为显性遗传, 表现对赤霉
素不敏感, 与开花期有关[2-5]。尽管对玉米株高的遗
传及 QTL 定位研究已有很多报道[6-10], 但挖掘可以
在玉米育种中应用的新矮秆基因及其遗传机制研究
并不多。我们在玉米种质资源扩繁与鉴定过程中发
现了一个矮生突变体, 继而培育出稳定的矮秆自交
系“矮 2003”, 其矮生性状受一对主效单基因控制 ,
表现为隐性遗传且对赤霉素反应不敏感[11]。该系在
第 2期 石云素等: 一个新矮生玉米种质资源矮生性状 QTL的定位 257
北京春播株高约 60.0 cm, 穗位高 25.6 cm, 主茎 15
片叶, 生育期 100 d。黄绿色花丝, 纺锤型果穗, 白
轴, 黄粒, 叶片夹角 35°~40°。整体表现植株清秀,
茎秆坚硬 , 株型半紧凑 , 结实正常 , 农艺性状有特
点且显示出较好的利用潜力。本研究利用复合区间
作图法通过该矮生资源与正常株高的材料构建的
F2:3群体对其株高等主要农艺性状进行 QTL 定位研
究, 并与位于同一条染色体上临近区域的显性矮秆
基因 dwarf plant8 (d8)序列进行了比较。旨在解析玉
米株高等农艺性状的分子遗传机制, 为分子标记辅
助选择、QTL克隆等深入研究奠定基础。
1 材料与方法
1.1 群体构建
以矮生资源“矮 2003”为母本, 以正常株高的自
交系“冀 257”为父本配制杂交组合, 自交获得 255个
F2:3家系的作图群体。
1.2 株高测定
将 255个 F2:3家系及其亲本于 2006年分别在北
京昌平春播和海南三亚冬播, 单行区, 行长 5 m, 随
机排列, 3 次重复, 于籽粒灌浆后期进行株高测定,
各家系每重复测量 10株。通过 Microsoft Excel (2003)
和 SAS(V 9.0)对株高数据进行初步统计。
1.3 基因型鉴定
在玉米长至 5~6 片叶时, 剪取每株心叶的幼嫩
部分, 各家系取样 15株进行混合。采用 CTAB法提
取基因组 DNA[12]。从玉米基因组数据库(http://www.
maizegdb.org/)中选取 500 对均匀分布在各条染色体
上的 SSR引物。用亲本 DNA筛选出有明显差异, 且
带型清晰、扩增稳定的引物, 对 255个 F2:3家系进行
基因型鉴定。用 PTC-100扩增仪进行引物的 PCR扩
增 , 采用 5%变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测扩增
产物。
1.4 遗传图谱构建和 QTL检测
利用基因型数据, 通过 MAPMAKER/EXP V3.0
软件构建遗传连锁图谱。根据标记间的距离和标记
顺序, 用 MapChart V2.1 软件绘制图谱。分别应用
PlabQTL V1.2软件[13]和QTL Cartographer V2.5软件[14]
通过复合区间作图法进行 QTL 检测, 采用的 LOD
值为 2.5。将不同环境株高数据分别进行 QTL检测。
根据 Edwards 等[15]推荐的方法, 用 DR 比值(即
显性效应与加性效应的比值的绝对值)评估 QTL 的
基因作用方式, 即 DR≤0.2, 基因效应为加性; 0.2<
DR≤0.8, 基因效应为部分显性; 0.8
1.5 新矮生基因与 d8基因间遗传距离的检测
依据 NCBI上检索的 d8基因的序列信息设计引
物, 对冀 257与矮 2003进行 PCR扩增, 并对扩增产
物测序, 分析目标基因/QTL与 d8的序列差异, 并据
此开发分子标记, 检测所鉴定的目标基因/QTL与 d8
间的遗传距离。
2 结果与分析
2.1 株高
统计分析显示, 在 2006 年北京环境下, 各家系
间平均株高存在显著差异 , 株高范围 47.0~262.3
cm。高于 120 cm的作为高株, 矮于 120 cm的作为
矮株, 矮 2003×冀 257 的 F2群体株高分布符合 3∶1
高矮秆分离比例(图 1, χ2=2.84)。同一环境下不同重
复间各家系株高差异不明显, 而不同环境下各家系
株高有显著差异, 北京昌平株高总平均为 176.7 cm,
海南三亚株高总平均为 163.4 cm。因此分别利用两
个环境下不同重复的株高平均值进行 QTL作图。
图 1 矮 2003×冀 257 F2群体中的株高频数分布图(2006, 北京)
Fig. 1 Frequency distribution diagram of plant height of
Ai2003×Ji257 population (2006, Beijing)
2.2 遗传连锁图构建及 QTL
利用筛选出的在双亲间具有多态性的 158 对
SSR标记对 F2 群体作基因型分析获得基因型数据。
除去一些与连锁群连锁距离较远或者偏分离较严重
的标记, 最终, 通过 MAPMAKER/EXP V3.0软件构
建完成的图谱由 114个 SSR标记组成。覆盖 10个连
锁群, 总长度为 2 852.1 cM, 平均标记间距离 27.42
cM。在北京和海南两个环境下分别检测到 3个株高
QTL (LOD≥2.5), 其位置在两个环境中完全相同, 2
个分布在玉米第 1条染色体上, 1个在第 2条染色体
上(图 2和表 1)。
258 作 物 学 报 第 36卷
表 1 利用 PLABQTL中的复合区间作图法得到的株高性状 QTL
Table 1 QTLs for plant height identified through CIM by PLABQTL
QTL QTL峰值位置
QTL peak position 环境
Location 编号 No. Bin Left mark+Pos (cM)
LOD 解释的表型变异
R2 (%)
基因作用方式
Gene effect
等位基因来源
Allele source
北京 Beijing 1 1.09 umc2240+31 6.91 11.7 超显性 (OD) 矮 2003 Ai 2003
2 1.10–1.11 umc1774+16 38.77 50.5 显性 (D) 矮 2003 Ai 2003
3 2.07–2.08 bnlg1633+5 2.66 4.8 部分显性 (PD) 冀 257 Ji 257
海南 Hainan 1 1.09 umc2240+33 5.71 9.8 超显性 (OD) 矮 2003 Ai 2003
2 1.10–1.11 umc1774+18 25.89 37.5 显性 (D) 矮 2003 Ai 2003
3 2.07–2.08 bnlg1633+5 3.30 5.9 部分显性 (PD) 冀 257 Ji 257
图 2 株高 QTL所在遗传连锁图的染色体位置
Fig. 2 Location of plant height QTL on chromosomes in the
genetic map
图中黑色部分表示株高 QTL的染色体区间。
The black bars referred to the chromosomal regions of the identified
QTLs.
从图表中可以看出, 第 1 条染色体上 1.09 处的
QTL, 左侧标记为 umc2240, 右侧为 umc1431, 两个
环境下的 LOD值分别为 6.91和 5.71, 能够解释的表
型变异分别为 11.7%(北京)和 9.8%(海南)。第 1条染
色体上 1.10~1.11 处的 QTL 位于 umc1774 与
umc1861 之间, 两个环境下的 LOD 值分别为 38.77
和 25.89, 解释的表型变异率则达到 50.5%(北京)和
37.5%(海南), 是一个主效 QTL (表 2)。第 2条染色体
上 2.07~2.08处的 QTL位于 bnlg1633~ phi328189区
间, 两个环境下的 LOD值分别为 2.66和 3.30, 解释
的表型变异率分别为 4.8%(北京)和 5.9%(海南)。QTL
的基因效应主要涉及加性效应、显性效应和上位性
效应等。本研究主要对其加性效应和显性效应进行
了分析。在 3个株高 QTL中, 基因作用方式分别表
现为超显性效应(QTL1)、显性效应(QTL2)和部分显
性效应(QTL3), 等位基因两个来源于矮亲矮 2003,
一个来源于高亲冀 257 (表 1)。
3个 QTL的标记区间、LOD值基因的作用方式
以及所解释的玉米株高的表型变异率上表现出高度
的一致性(表 1)。
2.3 新矮生基因与 d8基因间遗传距离的检测
通过在 NCBI上搜索 d8 基因的序列信息, 获得
自交系 B73的 d8基因组DNA序列(序列数据略), 序
列长度近 3 kb。根据该序列分段设计引物, 对矮
2003与冀 257进行 PCR扩增和序列测定。对获得的
序列数据进行比对, 最后得到了两个亲本在 776 bp
处(据B73序列长度推算)存在 5 bp的 Indel差异(图 3)。
根据该 Indel 差异 , 又设计了一对引物 F：
5′-CTTCGCCTGCCGCTGCTACT-3′, R：5′-CATGAT
TTCGGAGCTACAGG-3′, 预计这对引物能够扩增
包含该 Indel差异在内的约 200 bp左右的片段。
引物合成后, 先对冀 257 和矮 2003 进行扩增,
并将扩增产物进行变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测 ,
在 190~200 bp范围内分别检测到一条清晰条带, 长
度相差约 5 bp 左右, 表明成功获得了扩增该 Indel
差异的 PCR标记。
然后利用新开发的标记对矮 2003×冀 257的 255
个 F2:3家系进行 DNA标记检测, 并将得到的数据与
株高数据进行对照分析。由于本研究中发现的未知
基因为隐性遗传, 所以只对矮生材料中控制株高基
因与该标记间的交换率进行计算, 得到该标记与控
制株高基因间的遗传距离约为 15.7 cM。随后又将该
标记加入到本研究构建的遗传图谱中, 得出该未知
基因在 d8基因的近长臂顶端一侧(下游)。
因为 F2群体比 F2:3家系携带更为丰富的遗传信
第 2期 石云素等: 一个新矮生玉米种质资源矮生性状 QTL的定位 259
图 3 d8序列在两个亲本冀 257和矮 2003间的 Indel差异
Fig. 3 The Indel difference of d8 sequence between Ji 257 and
Ai 2003
息, 所以我们又利用开发的标记对由矮 2003×冀 257
所构建的 182个 F2群体的单株进行标记检测。经与
株高数据对照分析, 得到该标记与控制株高基因间
的遗传距离约为 27.8 cM。此外, 我们还利用该标记
对另外一个由黄早四×矮 2003所构建的 451个 F2单
株进行标记检测, 利用同样方法, 得到该标记与控
制株高基因间的遗传距离约为 28.4 cM。
3 讨论
矮生性状是一类重要的农艺性状, 其在育种中
的应用, 为水稻与小麦的增产增收做出过重要贡献[1]。
玉米是 C4 作物, 植株普遍较高大, 然而, 对于推广
的商业品种而言, 适当的矮化不仅可以降低倒伏与
倒折率, 降低减产风险; 同时也可以促使品种的叶
片分布更趋合理, 从而在较高的密度下也不会对其
光合作用产生不利影响[16]。我国在 20 世纪 60 年代
即广泛开展了玉米矮生基因的利用, 限于当时的研
究进展, 利用的目标基因主要是 br-2, 并培育出了
一系列的自交系与杂交种[6,17-18]。从玉米基因组数据
库 (http://www.maizegdb.org/)所收录的玉米矮生
(dwarf)相关的 25个基因/位点来看, 定位于 1L的有
3个, 其中 dwarf N1352B (d*-N1352B)与 dwarf N454A
(d*-N454A)这两个基因定位于 1.06 区间 , 而 dwarf
plant8 (d8)则定位于 1.09区间。新的矮生基因资源的
发掘为玉米矮生性状的相关研究奠定了良好的基础。
矮 2003 是一个由新发现的矮生突变株培育的矮
秆自交系, 以该系为亲本之一构建的作图群体, 在
第 1染色体的 1.10~1.11区域发现了一个控制玉米株
高性状的主效 QTL, 解释了高达 40%~50%的表型变
异。经典遗传学分析结果显示, 该矮生突变性状受
隐性单基因控制。从其在染色体上的定位区段来看,
该基因/QTL 位点明显不同于已经报道的玉米矮生
基因/位点。
前期研究结果显示, 在玉米的第 1 染色体长臂
1.09区域存在一个控制株高的 d8基因, 该基因表现
为显性遗传[2]。而本研究中基于矮 2003鉴定到的未
知基因为隐性遗传, 所以, 该未知基因并非 d8 基
因。即本研究在玉米第 1染色体长臂 1.10~1.11区域
检测到的控制株高性状的主效QTL是玉米矮生资源
中控制株高的新基因。经过基于自主开发的分子标
记对 F2群体的基因型检测, 表明该未知基因位于 d8
下游, 它们之间的遗传距离大约为 20~30 cM。该
QTL的精细定位和基因克隆工作正在进行中。
4 结论
发现一个控制株高的新基因, 位于第 1 染色体
的 1.10~1.11区段, 在已知矮秆基因 d8的下游 20~30
cM处。
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