全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(5): 958−961 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家高技术研究发展计划(863计划)重大专项(2006AA100103)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 李建生, E-mail: lijiansheng@cau.edu.cn; Tel: 010-62732422
第一作者联系方式: E-mail: tangjihua1@163.com; Tel: 0371-63558127
Received(收稿日期): 2008-09-19; Accepted(接受日期): 2008-12-15.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.00958
玉米简单重复序列不对等交换的热点区域定位
汤继华 1,2 马西青 1 滕文涛 1 严建兵 1 戴景瑞 1 李建生 1,*
1 中国农业大学国家玉米改良中心, 北京 100193; 2 河南农业大学农学院, 河南郑州 450002
摘 要: 生物基因组中简单重复序列的多态性是同源染色体不对等交换的结果之一, 因此明确不对等交换的热点区
域具有重要的理论意义。利用来源于优良玉米杂交种豫玉 22的一套重组近交系(RIL)群体, 对其遗传组成进行了 SSR
标记分析, 发现 40个不对等交换的 SSR标记, 不对等交换在群体间发生的概率介于 0.34%~14.63%之间, 每世代发生
的频率为 10−2~10−1, 其中(AG)n重复的标记占发生不对等交换总标记的 58.3%。有 31个不对等交换标记分布于染色
体上的 11个热点区域, 位于第 9染色体以外的其他染色体上, 其中第 3和第 5染色体上各分布 2个不对等交换的热
点区域。
关键词: 玉米; 简单重复序列(SSR); 不对等交换; 热点区域
Mapping Unequal Crossing over Hotspot Region of Simple Sequence Repeat in
Maize
TANG Ji-Hua1,2, MA Xi-Qing1, TENG Wen-Tao1, YAN Jian-Bing1, DAI Jing-Rui1, and LI Jian-Sheng1,*
1 National Maize Improvement Center of China, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2 College of Agronomy, Henan Agricultural
University, Zhengzhou 450002, China
Abstract: The polymorphism of simple sequence repeat (SSR) in biological genome is one result of unequal crossing over for
homologous chromosomes; therefore it has theoretical importance in clarifying the hotspot regions of unequal crossing over. A set
of recombinant inbred lines (RILs) population that derived form an elite hybrid Yuyu 22 was used in this study, its genetic com-
ponents of the population was analyzed by means of SSR analysis, and 40 unequal crossing over SSR markers were found. The
frequency of the unequal crossing over in the RIL population was 0.34–14.63%, with 10−2–10−1 frequency per generation, and the
(AG)n repeat SSR markers accounted for 58.3%. There were 31 unequal crossing over markers locating on 11 chromosomal hot-
spot regions, distributing on 10 chromosomes except for chromosome 9, including two unequal crossing over hotspot regions each
in chromosomes 3 and 5.
Keywords: Maize; Simple sequence repeat (SSR); Unequal crossing over; Hotspot region
减数分裂过程中的遗传重组是生物多样性的重要基
础[1]。在高等生物的减数分裂过程中, 联会的同源染色体
双链断裂, 非姊妹染色单体发生对等交换, 重新形成两条
等长的同源染色体 , 不会造成染色体结构的变异。但是
Sturtevant 等[2-3]在研究果蝇棒眼遗传过程中, 发现了非姊
妹染色单体之间的不对等交换现象, 其后在人类[4-5]、玉
米[6-7]、家鼠[8]等生物中都发现了不对等交换, 证明不对等
交换在生物减数分裂过程中的普遍性。不对等交换的结果
往往引起基因组的扩增与删除 , 形成顺序排列的多基因
家族[9-10], 造成基因组的重复, 如在拟南芥基因组中有高
达 18%基因属于顺序排列的多基因家族[11]。
在真核生物的基因组中存在着大量的重复序列, 而
简单重复序列是高等生物基因组中的一种高度重复序列
[12-13], 多数存在于结构基因的两侧 , 在不同基因型的个
体间存在丰富的遗传变异 , 这种遗传变异是高等生物减
数分裂过程中经过不对等交换或者 DNA 的滑动复制产生,
并在长期进化过程中累积形成的[14-15]。研究表明不对等交
换往往发生在染色体的某些特定区域 , 具有染色体特异
片段发生的倾向性[16-17]。
玉米经过长期的自然选择与人工驯化, 形成了丰富
的遗传变异, 是经典遗传学研究的一个模式植物。在玉米
基因组中存在大量的简单重复序列 , 而且不同位点的简
第 5期 汤继华等: 玉米简单重复序列不对等交换的热点区域定位 959


单重复序列在自然群体和人工选择群体中的多态性存在
明显的差异 , 暗示不同位点的简单重复序列在形成过程
中发生交换的频率可能存在一定的差异。本研究利用玉米
的一套重组近交系群体, 借助 SSR 标记对重组近交系群
体的遗传组成 , 分析了玉米基因组中简单重复序列不对
等交换发生的热点区域。
1 材料与方法
1.1 试验材料
以优良玉米杂交组合(综 3×87-1)为基础材料, 随机从
其 F2群体挑选 300单株, 经连续多代随机自交, 构建了一
套包含 294个家系的 F7代重组近交系(RIL)群体。
1.2 SSR分析与遗传连锁图谱的构建
2002年春在北京于大喇叭口期采集 RIL群体的叶片,
−80℃冰箱中保存, 用于 DNA提取[18]。从玉米基因组数据
库中挑选均匀覆盖玉米基因组的 846对 SSR引物, 对亲本
进行多态性筛选, 选择其中 283对共显性的 SSR标记对群
体的遗传组成进行分析。将来源于综 3的带型记为 1, 87-1
的带型记为 2, 缺失的带型记为 0, 不同于双亲的带型即
不对等交换产生的新带型记为 4。将某个标记发生不对等
交换的重组近交系个数占群体总数的百分数定义为该标
记发生不对等交换的群体比例 , 每世代交换的频率定义
为不对等交换的群体比例除于群体自交的代数。利用
Mapmaker version 3.0 构建 RIL 群体的遗传连锁图
(LOD>3.0)[19]。
2 结果与分析
2.1 群体的遗传组成与连锁图谱构建
利用 263 个在亲本间存在多态性的 SSR 标记对 RIL
群体的遗传组成进行分析, 发现来源于亲本综 3的纯合位
点在 26.85%~94.86%之间, 平均为 49.97%; 来源于亲本
87-1 的纯合位点在 5.14%~73.15%之间, 平均为 50.03%,
即双亲染色体同源位点的分离整体上符合 1∶1 的理论比
例, 且群体的基因型组成呈正态分布, 证明该群体是来自
豫玉 22 号的一个随机分离的群体。在 263 个多态性标记
中, 群体等位基因符合 1∶1分离的标记位点 197个, 偏分
离的标记位点 66 个(占 25.1%, P<0.05), 偏向综３、87-1
的位点分别有 37 和 29 个, 分布在整个基因组的 10 条染
色体上, 其中第 1和第 2染色体上大部分标记位点等位基
因频率偏向 87-1, 第 3 和第 7 条染色体偏向综 3, 且呈偏
分离热点区域, 该结论与利用 F2 群体发现的偏分离热点
区域多数相同[20]。
利用在两亲本间存在多态性的 283个 SSR标记对 RIL
群体进行分析, 构建了包含 263个 SSR标记的遗传连锁图,
覆盖了玉米的 10条染色体, 总长度为 2 360.8 cM, 平均间
距 9.0 cM [21]。
2.2 不对等交换的标记及其出现的频率
由于染色体在减数分裂过程中往往会通过不对等交
换形成新的多态性, 因此在 SSR标记分析过程中, 往往出
现不同于双亲的多态性, 如 bnlg1805 的扩增带型(图 1)。
在本研究所利用的 263个 SSR标记中, 有 40个 SSR标记
出现了因不对等交换产生的新的多态性(表 1), 占所利用
标记的 15.2%, 这些标记在群体内发生不对等交换的概率
在 0.34%~14.36%之间。
尽管简单重复序列可以在高等生物减数分裂过程中
通过不对等交换产生 , 但是不同标记位点在不同世代间
发生不对等交换的频率存在明显的差异 , 如本研究多数
标记发生每世代不对等交换的频率介于 10−2~10−1 之间,
其中 bnlg1805 每世代发生不对等交换的频率最高, 达到
2.872, 是一个发生高频不对等交换的标记 , 依次分别是
bnlg666、umc1155、phi213984、bnlg1811 和 bnlg640, 每
世代间发生不对等交换的频率分别为 9.52¯10−1、
5.84¯10−1、3.4¯10−1、2.84¯10−1和 2.72¯10−1, 多数标记
每世代不对等交换的频率为 10−2。
2.3 玉米基因中简单重复序列不对等交换的热点区域
对发生不对等交换的标记进行分析, 发现这些标记
多数集中在染色体的某些区段 , 即表现一定的热点区域
(unequal crossing over region, UCOR), 在本研究所发现的
40 个不对等交换的标记中, 有 31 个集中在玉米基因组中
的 11 个区域(表 1), 占发生不对等交换标记的 77.5%, 其
中在第 3和第 5染色体上分别发现了 2个不对等交换的热
点区域, 如第 1 染色体 1.03 和 1.04 区间发现有 4 个不对
等交换的标记 bnlg182、bnlg1866、bnlg2180和 bnlg1811。
在第 5染色体上的 5.05~5.06和 5.07区间上分别发现了 2
个不对等交换的热点区域, 其中在 5.05~5.06 区间分布着
4 个不对等交换的标记 bnlg2323、umc2164、umc1155 和
umc1019, 5.07 区间分布着 3 个不对等交换的标记
bnlg1306、bnlg2305和 umc1072。尽管发生不对等交换的
多数 SSR 标记存在于染色体上的一定区域, 但是在发生
不对等交换的热点区域内仍然分布有没有发生交换的
SSR 标记, 只有 5.07 区的 3 个标记和 8.05 区的 2 个标记
之间没有发现有不对等交换的标记。说明不对等交换的热
点区域只是存在某一个染色体区间 , 而在该区间并不是
每一个标记均有较高的不对等交换的频率。此外在发生不
对等交换的 40 个 SSR 标记中, (AG)n 重复的标记占发生
不对等交换标记的 58.3%(21/36), (CT)n 重复的标记占
5.6%(2/36), 其他简单重复序列只发现 1 个标记发生不对
等交换。
3 讨论
高等生物减数分裂过程中的非姊妹染色单体交换 ,
促进了遗传物质的重组, 是物种进化的一种原动力。不对
等交换在高等生物的减数分裂过程中普遍存在, 不仅造
成了遗传物质的重组, 同时造成了基因组的扩增或删除,
形成串联排列的基因家族, 丰富了基因的类型, 加速了物
种进化的进程, 如人类基因中的 rDNA、高等植物中抗病
960 作 物 学 报 第 35卷

表 1 检测到的不对等交换 SSR标记及其交换频率
Table 1 Unequal crossing over SSR markers detected in RIL population and its frequency
染色体位点
Chrom. locus
SSR引物
SSR marker
重复序列
Motif
群体比例
Rate in
population
(%)
不对等交换频率
UCO frequency
染色体位点
Chrom. locus
SSR引物
SSR marker
重复序列
Motif
群体比例
Rate in
Population
(%)
不对等交换频率
UCO frequency
1.03 bnlg2180 (AG)n 0.34 0.068 5.06 umc1019 (CT)n 0.34 0.068
1.03 bnlg182 — 0.35 0.070 5.07 bnlg1306 (AG)n 0.68 0.136
1.03 bnlg1866 (AG)n 0.70 0.140 5.07 bnlg2305 (AG)n 0.34 0.068
1.04 bnlg1811 (AG)n 1.42 0.284 5.07 umc1072 (GGA)n 0.36 0.072
2.05 nc131 (AC)n 0.34 0.068 6.04 umc1014 (GA)n 0.34 0.068
2.05 umc1635 (GAAGG)n 0.34 0.068 6.04 phi452693 (AGCC)n 0.34 0.068
3.04 bnlg1452 (AG)n 1.02 0.204 6.05 bnlg1617 (AG)n 0.34 0.068
3.04 umc1223 (AG)n 0.34 0.068 7.03 bnlg1035 (AG)n 0.34 0.068
3.04 phi036 (AG)n 1.02 0.204 7.03 bnlg1805 (AG)n 14.36 2.872
3.04 umc1773 (GAC)n 0.34 0.068 7.04 bnlg1666 (AG)n 4.76 0.952
3.09 phi047 (ATC)n 0.34 0.068 8.03 bnlg1863 (AG)n 0.34 0.068
3.09 bnlg1257 (AG)n 0.70 0.140 8.05 umc1562 (TC)n 0.34 0.068
4.01 phi072 (AAAC)n 0.34 0.068 8.05 bnlg666 — 0.34 0.068
4.01 phi213984 (ACC)n 1.70 0.340 8.07 bnlg1823 (AG)n 0.68 0.136
4.03 umc2082 (CT)n 0.34 0.068 8.08 umc1069 (GGAGA)n 0.34 0.068
5.03 bnlg1879 (AG)n 0.68 0.136 10.02 umc1337 (TA)n 0.68 0.136
5.04 bnlg2323 (AG)n 0.35 0.070 10.03 umc2067 (CATG)n 0.34 0.068
5.05 bnlg278 — 0.35 0.070 10.03 bnlg640 — 1.36 0.272
5.05 umc2164 (CGGC)n 0.34 0.068 10.04 umc2163 (AG)n 0.34 0.068
5.05 umc1155 (AG)n 2.92 0.584 10.04 bnlg1518 (AG)n 0.34 0.068
UCO: unequal crossing over.



图 1 引物 bnlg1805在 RIL群体中的不对等交换
Fig. 1 PCR profile of unequal crossing over SSR marker bnlg1805
P1: 综 3; P2: 豫 87-1; 1~25: RIL群体, 其中泳道 3、20、21和 22为
不对等交换带型。
P1: Zong 3; P2: Yu 87-1; 1–25: RIL populations, among which lanes 3,
20, 21, and 22 show the band of unequal crossing over.

基因家族等。高等生物体内的部分简单重复序列同样是生
物在长期进化过程中经过不对等交换形成的 , 在不同基
因型间存在丰富的遗传变异 , 为分子生物学研究提供了
可靠的标记[22]。前人研究认为简单重复序列发生的频率
在不同物种间存在较大的差异, 从果蝇的 10−6 [23]到人类
的 10−3 [24]。在本研究所利用的多数 SSR标记(84.8%)经过
连续 6代自交并没有检测到不对等交换, 只有在 15.2%的
SSR 标记中检测到了不对等交换 , 且发生的频率在
10−2~10−1 之间。说明简单重复序列发生不对等交换的频
率存在较大的差异 , 这种交换可能与自然群体中的多态
性变异程度有关。
在高等生物基因组中简单重复序列形成的 2 种遗传
机制中, Eisen [25]认为 DNA滑动复制在简单重复序列形成
过程中起着重要作用 , 该机制往往形成单个或很少的重
复单位; 不对等交换尽管发生频率较低, 但不对等交换则
可以形成几个重复单位。本研究所发现的新的多态性表现
为几个拷贝的变异 , 因此这些新的多态性应该是通过不
对等交换产生的 , 并且集中在染色体的少数几个热点区
域。Kermicle 等[26]发现基因组中不对等交换的发生往往
与转座子的作用有关。由于玉米基因组中存在大量的转座
子和反转座子, 本研究中发现的 SSR 标记不对等交换的
高频发生是否与转座子的作用有关 , 还有待于进一步深
入研究。
遗传图谱是生物学遗传研究的基础, 在遗传作图过
程中 , 由于所利用的作图软件没有考虑不对等交换的类
型, 只能将不对等交换的类型作为缺失数据进行处理, 标
记之间的交换概率可能被低估 , 因此在开发遗传作图软
件中, 应考虑不对等交换的类型, 以免人为扩大标记间的
遗传距离, 造成遗传图距的膨胀。
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第 5期 汤继华等: 玉米简单重复序列不对等交换的热点区域定位 961


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