全 文 ：Vol131 , No16
pp1 718 - 722 Jun1 , 2005作 物 学 报ACTA AGRONOMICA SINICA第 31 卷 第 6 期2005 年 6 月 718～722 页
干旱胁迫下玉米根系性状和产量的 QTLs 分析
高世斌 冯质雷 李晚忱 荣廷昭 3 Ξ
(四川农业大学玉米研究所 ,四川雅安 625014)
摘 要 : 以 N8721 (耐旱) ×9526 (敏感)的 F2 群体为作图群体 ,构建了包含 103 个 SSR 标记的连锁图谱 ,在干旱胁迫与正
常灌溉两种环境下对 183 个 F3 家系的初生根数、根干重和产量等 3 个性状进行表型鉴定 ,用复合区间法对这些性状进行
QTLs检测 (LOD > 215) 。结果表明 ,在两种环境下根数与根重都呈正相关 ,仅在胁迫环境下根重与产量呈正相关 ;在干旱
胁迫下检测到控制根数、根重与产量的 QTLs 分别为 1、4 和 1 个 ,在正常灌溉情况下检测到控制这些性状的 QTLs 分别为
1、1 和 4 个 ;把两种环境下的产量性状转换成产量耐旱系数 (DTI) 作为一个新的性状 ,检测到 4 个 QTLs ;总计 16 个 QTLs
分布在第 1、4、5、7 和 10 染色体上 ,其中根系与产量 QTL 在第 4 和 7 染色体上存在着连锁 ;在第 5 染色体上相互重叠于一
个标记区间内。
关键词 : 玉米 ;耐旱性 ;SSR ;QTLs
中图分类号 : S513
Mapping QTLs for Root and Yield under Drought Stress in Maize
GAO Shi2Bin , FENG Zhi2Lei , LI Wan2Chen , RONG Ting2Zhao 3
( Maize Research Institute of Sichuan Agricultural University , Ya’an 625014 , Sichuan , China)
Abstract :A F2 population derived from N8721 ( drought tolerant) ×9526 ( drought sensitive) was used to construct genetic
map by 103 SSR(simple repeat sequence) markers(Fig11) 1 The primary root within soil , root dry weight and yield of 183
F3 family lines were evaluated under water stress(WS) and normal irrigation(CK) , then QTLs of these traits were identified
by composite interval mapping( LOD > 215) 1The results showed that root number and dry weight were significantly and
positively correlated under both two water regimes , in addition root weight was significantly and positively correlated with
yield only under drought stress condition(Table 2) ; the number of QTLs which affected primary root number , primary dry
root weight and yield under drought stress was 1 ,4 and 1 respectively ; under normal irrigation the QTLs’number of these
traits was 1 , 1 and 4 respectively ; with drought tolerance index(DTI) transferred from yield under two water regimes , as a
new trait , 4 QTLs were identified on chromosome 4(2) ,5 and 7 respectively ; total 16 QTLs were located on chromosome 1 ,
4 ,5 ,7 and 10 respectively ( Table 3) ,among them , some QTLs for root characteristics and yield were overlaped within
bnlg10062umc1416 on chromosome 5 , and linkaged on chromosome 4 and 71
Key words :Maize ( Zea mays L1) ; Drought tolerance ; SSR ; QTLs
玉米的根系是水分及营养吸收的主要器官 ,同
时兼有营养合成、固定支持等重要功能 ,与耐旱关系
十分密切[1 ] 。但有关玉米根系的遗传研究相对较
少 ,主要原因是调查根系比较费工 ,特别是在田间条
件下取样容易破坏根系结构 ,增加了研究困难。随
着 DNA 标记技术的应用 ,把复杂数量性状的遗传剖
析推向了一个新的层次。然而对玉米根系的 QTL
研究仍然比较少 ,并且多局限于在水培条件下鉴定
根系表型特征[2 ] ;而我国至今还未见对玉米根系
QTL 进行鉴定的报道。另一方面 ,籽粒产量是干旱
对玉米一系列生理生化影响的最终体现 ,因此产量
是鉴定玉米耐旱性的重要指标 ,在对其他性状进行
研究时 ,常常需要结合产量性状的信息[3 ] 。
本研究选用经多种耐旱指标鉴定在耐旱性状上
有较大差异的亲本材料 ,采用 SSR 标记构建分子标
记连锁图谱 ,在干旱胁迫下鉴定出控制根系与产量Ξ基金项目 : 亚洲玉米生物技术网 (AMBIONET)和 948(20032Q03)项目资助。
作者简介 : 高世斌 (1974 - ) ,男 ,四川绵阳人 ,在职博士生 ,主要从事生物技术和玉米育种研究。 3 通讯作者 : 荣廷昭。
Received(收稿日期) :2004204215 ,Accepted(接受日期) :20042102221
的 QTL 及其遗传效应 ,并比较根系与产量 QTL 在遗
传上的相互关系 ,为理解耐旱性的分子遗传机制以
及制定耐旱性分子标记辅助育种策略提供更多的
信息。
1 材料与方法
111 供试材料
根据 2 年的耐旱性鉴定结果并参考其他农艺性
状差异 ,玉米自交系 N8721 和 9526 被选为作图群体
的亲本材料[4 ] 。N8721 为强耐旱自交系 ,而 9526 为
干旱敏感型自交系。2002 年夏季在四川种植 2 穗
F1 (N8721 ×9526)的自交果穗 ,最后仅保留其中 1 穗
的 240 个 F2 单株自交 ,但只有 183 个 F2 单株的叶片
被成功提取了 DNA ,因此同年冬季在云南采用家系
内全同胞混合授粉增繁了 183 个单株对应的 F3 家
系种子。
112 田间试验设计与表型鉴定
2003 年于四川雅安分别在正常灌溉和水分胁
迫的两种环境下种植 P1 、P2 及 183 个 F3 家系 ,试验
设计按随机区组 3 次重复进行 ,单行区 ,行距 017 m ,
穴距 0135 m ,每行 15 穴。正常灌溉 (CK) 按一般大
田水分管理 ;胁迫环境 (WS) 试验在遮雨塑料大棚中
进行 ,苗期足水供应 ,拔节期后进行水分控制 ,使土
壤含水量维持在 10 %左右 ,直到授粉完成后再足水
供应以保证籽粒发育成功。
产量性状以单株为基础调查中间 11 株的穗粒
重 (gΠ株) 。果穗收获后 ,保留距根约 1 m 长的茎秆 ,
隔株挖取玉米根系 ,取土半径 20 cm、深 40 cm。将所
挖取的根先放入水池中浸泡后并做初步清洗 ,随后
在实验室进行多次清洗 ,调查单株根条数 (不含气生
根) ,采用烘干称重法测初生根干重 (g) 。
对183个F3 家系间的各数量性状作正态分布
测验、方差分析及相关分析 ;为剔除各家系自身产量
潜力对耐旱性鉴定的影响 ,同时增加产量耐旱指数
(DTI)作为各家系间的综合耐旱指标 ,DTI = [产量
(WS)Π产量 (CK) ] ×100 %。
113 SSR标记与遗传连锁图谱构建
采用 CTAB 法提取 F2 单株幼苗叶片 DNA。合
成的 SSR 引物序列来源于玉米基因组数据库
( MAIZEGDB , http :ΠΠwww1maizegdb1orgΠ) , 筛 选 出
N8721 与 9526 之间具有多态性的 SSR 引物用于 F2
单株的标记型鉴定。SSR 的 PCR 扩增产物依据其片
段差异大小用琼脂糖凝胶或变性聚丙烯酰胺凝胶电
泳分离检测。
经χ2 检验后 ,选择扩增位点符合孟德尔分离
定律 (1∶2∶1)的引物用于遗传连锁图谱构建 ,作图软
件采用 MAPMAKERΠEXP310 ( LOD = 310 , r = 014) ,
作图函数选用 Kosambi 方法 ,图谱绘制用 MapChart
211 完成。
114 QTL 检测与效应分析
用各家系的性状平均数进行 QTLs 定位 ,作图方
法选用 Windows QTL Cartographer (210)软件的复合区
间作图法。QTLs 检测区间以每隔 2 cM 为一个单位
进行扫描 ,设 LOD 等于 215 为检测 QTL 的阈值。
2 结果与分析
211 表型性状分析
依据亲本与 F3 各家系间的平均值进行部分基
本统计量比较 (表 1) 。在正常灌溉情况下 ,N8721 的
根数与根重均高于 9526 ,产量却低于 9526 ;在水分
胁迫下双亲的根数、根重、产量均比对照减少 ,9526
减少幅度较大 ,表明 N8721 的耐旱性显著高于 9526 ;
在两种处理下 ,F3 各家系间的根系与产量性状平均
值均符合正态分布 ,且家系间存在显著差异。
表 1 亲本及 F3 家系在两种环境下的部分统计参数
Table 1 Some statistical parameters for parental inbreds and F3 families
性状
Trait
处理
Water regime
亲本 Parent F3 家系 F3 families
N8721 9526 平均值 Average 范围 Range F 值 F value
根数 CK 5817 4213 4619 3015 - 6412 911 3 3
Root number WS 5514 3711 3512 1617 - 5817 718 3 3
根重 CK 919 412 817 418 - 1615 415 3 3
Root weight WS 815 211 410 014 - 1711 519 3 3
产量 CK 6911 9114 6116 1914 - 10816 719 3 3
Yield WS 5317 2213 3113 016 - 8416 4415 3 3
注 : 3 3 代表 0101 水平显著。Notes : 3 3 represents significant at the 0101 probability level1
917 第 6 期 高世斌等 :干旱胁迫下玉米根系性状和产量的 QTLs 分析
对 F3 各家系根系与产量性状的平均值进行简
单相关分析 (表 2) 。结果表明 ,在两种环境下根数
与根重均存在显著的正相关 ;根数与产量的相关系
数均未达显著水平 ,但在干旱胁迫环境下根重与产
量显著正相关。另外两种环境下的产量显著正相
关 ,因此在对产量耐旱性鉴定时应考虑自身产量潜
力的影响。
表 2 根系性状与产量的相关分析
Table 2 Correlation analysis between the root characteristics and yield
性状 Trait 根重 (CK) 产量 (CK) 根数 (WS) 根重 (WS) 产量 (WS)
根数 Root number (CK) 0154 3 3 0156 01002 01066 0116
根重 Root weight (CK) 0105 0175 0109 0111
产量 Yield(CK) 0109 0121 3 3 0142 3 3
根数 Root number (WS) 0158 3 3 0114
根重 Dry root weight (WS) 0135 3 3
注 : 3 3 代表 0101 水平显著。Notes : 3 3 represents significant at the 0101 probability level1
212 SSR遗传连锁图谱构建
从大约 400 对候选 SSR 引物中筛选出在双亲之
间具有多态性的引物 123 对 ,对 183 个 F2 单株进行
标记型鉴定 ,经χ2 检验符合孟德尔分离比例 (1∶2∶1)
的引物有 103 对 ,用这些引物构建了 SSR 标记遗传
连锁图谱 (图 1) 。各连锁群上的 SSR 引物相对顺序
大多数与玉米基因组数据库中提供的 SSR 染色体
节点 (bin) 位置一致 ,但少数引物有些变化 ,如第 1
连锁群上的 bnlg176 (bin 1103) 被标记在染色体 bin
1101 位置 , umc1829 ( bin 5109) 被标记在染色体 bin
为 5107 的 2 个引物 bnlg1885 与 umc1072 之间。所构
建连锁图谱上的 103 个 SSR 覆盖玉米 10 条染色体
的 72 个 bin 位点 ,全长总图距为 1 51219 cM ,标记间
的最大间隙 3414 cM 位于第 8 连锁群上 bnlg666 与
umc1141 之间 ,标记间平均图距为 16127 cM ,基本能 满足 QTLs 初级定位的要求。213 根系与产量性状的 QTLs 检测对两种环境下根系性状进行 QTL 检测与效应分析 (表 3 ,图 1) 。结果表明 ,在对照与干旱胁迫环境下都检测到 1 个控制根数的 QTL 位点 ,分别位于第 1 和第 4 连锁群上 ,单个 QTL 位点的贡献率分别为 6163 %和 10169 %。根重性状在对照环境下检测到 1 个 QTL 位点 ,位于第 4 连锁群上 ,贡献率为8154 % ;在胁迫环境下检测到 4 个 QTL ,分别位于第4 (2 个) 、5 和 7 连锁群上 ,累计贡献率为 37188 %。在加性效应中 ,对根数、根重起增效作用的等位基因主要由母本 N8721 提供 ,这一结果与双亲的根系特征表型鉴定相吻合 ,也反映了双亲的根系差异与其耐旱性差异的紧密关系。
表 3 根系与产量性状的 QTLs 检测
Table 3 QTLs detection for root and yield under normal irrigation( CK) and water2stressed( WS)
性状
Trait Chr
临近标记
Nearest marker
位置
Position(cM) LOD
加性效应
Additive
显性效应
Dominance
作用方式
Gene action
表型方差贡献率
Phenotypic
variance ( %)
根数 (RN ,CK) 1 bnlg176 28101 2160 2158 - 1197 PD 6163
根数 (RN ,WS) 4 bnlg2162 125191 2185 4106 - 1138 PD 10169
根重 (RW ,CK) 4 umc2281 87121 3131 0155 - 1117 OD 8154
根重 (RW ,WS) 4 umc2281 71121 2178 0107 0188 OD 6187
4 bnlg2162 125191 2150 0168 0119 PD 8118
5 bnlg1006 16101 2151 - 0167 - 0174 D 11131
7 phi034 31154 4129 0181 0152 PD 11152
产量 GY(CK) 4 umc1418 148121 3178 - 8173 4153 PD 19125
4 umc1573 155171 3186 - 4187 7137 OD 10141
5 umc1416 18161 2161 3189 5166 OD 8183
10 umc1318 12101 3134 - 5142 - 7113 OD 16167
产量 GY(WS) 4 umc1573 165171 2186 4106 - 13149 OD 18119
DTI 4 umc1418 150121 4127 12137 - 28105 OD 21161
4 umc1573 163171 6162 19177 - 31115 OD 34110
5 umc1416 18161 2157 - 12176 0112 A 8113
7 bnlg1792 47131 2157 - 14154 - 11170 PD 13105
注 :RN ,根数 ;RW ,根重。A 表示加性 (显性度 = 0～012) ,P 表示部分显性 (显性度 = 0121～0180) ,D 表示显性 (显性度 = 0181～112) ,OD 表
示超显性 (显性度 > 1120) 。加性效应的正值表示该 QTL 位点的增效基因来自母本 N8721 ,反之 ,负值表示增效基因来自父本 9526。
Notes : RN = root number ; RW = root weight1 A = additive (dominant degree = 0 - 012) ; D = dominant (dominant degree = 0181 - 1120) ; PD = partial
dominant (dominant degree = 0121 - 0180) ; OD = over2dominant (dominant degree > 1120) 1 Positive values of additive indicate that the N8721 carries the allele
for an increase to the trait , and negative values indicate that 9526 contributes the allele for an increase to the trait1
027 作 物 学 报 第 31 卷
图 1 根系与产量 QTL 在连锁图谱上的位置
Fig. 1 The QTLs’location of root and yield on SSR linkage map derived from combination N8721 ×9526
染色体上的黑色区域代表 QTL 所在的标记区间 ;在标记区间内 QTL 所对应 LOD 值最大的位置处 ,
用粗斜体及下划线标记 ;性状缩写与表 3 相同。
The black frames indicate the marker interval of QTLs ; the QTLs name were marked by bold italic and underline ,
the abbreviation of traits are the same as in Table 31
产量性状的 QTL 分析结果表明 ,在对照环境下
一共检测到 4 个产量 QTLs ,分别位于第 4 (2 个) 、5
和 10 连锁群上 ,累计贡献率为 55116 % ;在胁迫环境
下仅在第 4 连锁群上检测到 1 个产量 QTL ,贡献率
为 18119 % ;被检测到的 4 个耐旱系数 (DTI) 的 QTL
分别位于第 4 (2 个) 、5 和 7 连锁群上 ,累计贡献率为
76189 %。在加性效应中 ,对产量起增效作用的等位
基因在对照环境下主要由父本 9526 提供 ,但在胁迫
环境下主要由母本 N8721 提供 ,这又与双亲在两种
环境下的产量和耐旱性表现一致 ;另外对 DTI 起增
效的等位基因 ,父母本各占 2 个 ,但由母本提供的增
效位点所在 QTL 的 LOD 值及贡献率显著大于父本
所在位点。
3 讨论
311 SSR连锁遗传图谱的饱和性
本研究所构建的 SSR 连锁图谱 ,标记间平均距
离为 16127 cM ,能基本满足 QTLs 初级定位的要求。
Yano [5 ]等研究发现标记间隔在 5～21 cM 范围内对
所检测 QTLs 的位置与效应没有显著差异 ,增加标记
数目对于新发现 QTLs 的能力比较有限 ;何小红[6 ] 等
(2001)也发现只要标记距离不过大 (不超过 50 cM) ,
一旦 QTLs 被检测到 ,其位置和效应的估计比较准
确。本研究在实验设计之初 ,计划每一个染色体 bin
筛选一个多态性 SSR 引物 ,但实际上少数染色体 bin
位点始终未筛选到在双亲之间具有多态性的 SSR
引物 ,留下了较大的间隙。其原因可能是双亲的染
127 第 6 期 高世斌等 :干旱胁迫下玉米根系性状和产量的 QTLs 分析
色体组在这一区域没有差异或者差异未能被所选用
的 SSR 引物揭示。为提高这些区域标记的覆盖密
度 ,增加 QTLs 定位的精确性 ,现正试图增加新的候
选引物或其他标记 (如 AFLPs) 来提高连锁图谱的饱
和性 ,为下一步进行 QTLs 精细定位奠定基础。
312 根系特征与产量的关系
玉米的耐旱性是一复杂的数量性状 ,产量常常
作为耐旱鉴定的最主要指标 ,但多数研究认为干旱
胁迫下玉米的产量遗传率变小 ,选择效率降低[7 ,8 ] 。
因此在传统育种上 ,除产量以外的次级性状常常用
来作为耐旱性鉴定指标。事实上本研究发现虽然在
正常环境下未发现根系与产量有显著正相关 ,但是
在胁迫下根重与产量显著正相关 ,且根数与根重也
正相关 ,表明在胁迫环境下根系特征也可作为耐旱
性鉴定的重要性状。比较所检测到的 QTLs 在染色
体上的分布 ,根系性状 QTL 附近区域都能检测到产
量 QTL ,如在第 4 和第 7 染色体上存在根系与产量
性状 QTLs 连锁 ,第 5 染色体上的 RW(WS) 与 DTI 的
QTLs 在标记区间 bnlg10062umc1416 内重叠 ,这进一
步从遗传上表明根系特征与产量的紧密关系 ;这种
根系与产量 QTLs 区域的连锁或重叠现象 ,在其他研
究中也有类似的报道[9 ,10 ] ,是否为真正意义上的连
锁或一因多效所致 ,有待进一步深入研究。
在常规的玉米耐旱性遗传改良中鉴定根系特征
比较困难 , 所以一般不常利用或忽略了根系特
征 [11～13 ] 。然而在耐旱性遗传机理研究及分子标记
辅助改良策略中除了考虑以产量为主及其他次级性
状外 ,充分利用根系特征 QTLs 的信息具有重要意义
而且是可行的。
References
[1 ] Tuberosa R , Sanguineti M C , Landi P , Giuliani M M , Salvi S , Conti S.
Identification of QTLs for root characteristics in maize grown in
hydroponics and analysis of their overlap with QTLs for grain yield in the
field at two regimes. Plant Molecular Biology , 2002 , 48 :697 - 712
[2 ] Guingo E , Hébert Y, Charcosset A. Genetic analysis of root traits in
maize. Agronomie , 1998 ,18 :225 - 235
[3 ] Ribaut J M , Jiang C , Gonzalet2de2Leon D , Edmeades G O , Hoisington
D A. Identification of quantitative traits loci under drought conditions in
tropical maize. Ⅱ. Yield components and marker2assisted selection
strategies. Theor Appl Genet , 1997 ,94 :887 - 896
[4 ] Fu F2L (付凤玲) , Zhou S2F(周树峰) , Pan G2T(潘光堂) , Yang W2S
(杨婉身) , Rong T2Z(荣廷昭) . Multiple regression analysis of drought
tolerance coefficients in maize. Acta Agronomica Sinica (作物学报) ,
2003 ,29 (3) :468 - 472(in Chinese with English abstract)
[5 ] Yano Masahiro ,Sasaki Takuji . Genetic and molecular dissection of quant2
itative traits in rice. Plant Molecular Biology , 1997 , 35 :145 - 153
[6 ] He X2H(何小红) , Xu C2W(徐辰武) , Kuai J2M(蒯建敏) , Gu S2L
(顾世梁) , Li Tao (李韬) . Principal factors affecting the power of
detection and accuracy of QTL mapping. Acta Agronomica Sinica (作物
学报) ,2001 ,27 (4) :469 - 475(in Chinese with English abstract)
[7 ] Edmeades G O , Bolanos J , Ba¨nziger M , Chapman S C , Ortega C ,
Lafitte H R , Fischer K S , Pandey S. Recurrent selection under managed
drought stress improves grain yields in tropical maize. In : Edmeades G
O , Ba¨nziger M , Mickelson H R , Pena2Valdivia C B eds. Developing
Drought and Low N2tolerance Maize. Mexico : CIMMYT , 1996. 415 -
425
[8 ] Ribaut J M , Hoisington D A , Deutsch J A , Jiang C , Gonzalez2de2Leon
D. Identification of quantitative traits loci under drought conditions in
tropical maize. Ⅰ. Flowering parameters and the anthesis2silking
interval . Theor Appl Genet , 1996 , 92 :905 - 914
[9 ] Tuberosa R , Salvi S , Sanguineti M C , Landi P , Maccaferri M , Conti S.
Mapping QTLs regulating morpho2physiological traits and yield : Case
studies , shortcomings and perspectives in drought2stressed maize. Annals
of Botany ,2002 ,89 :941 - 963
[ 10 ] Lebreton C , Lazic2Jancic V , Steed A , Pekic S , Quarrie S A.
Identification of QTL for drought response in maize and their use in
testing causal relationships between traits. Journal of Experimental
Botany , 1995 , 46 :853 - 865
[11 ] Li X2H(李新海) , Liu X2D(刘贤德) , Li M2S(李明顺) , Zhang S2H
(张世煌) . Identification of quantitative trait loci for anthesis2silking
interval and yield components under drought stress in maize. Acta
Botanica Sinica (植物学报) , 2003 ,45 (7) :852 - 857
[12 ] Agrama H A S , Moussa M E. Mapping QTLs in breeding for drought
tolerance in maize( Zea may L. ) . Euphytica , 1996 , 91 :89 - 97
[ 13 ] Gao S2B(高世斌) , Li W2C(李晚忱) , Rong T2Z(荣廷昭) . Progress
on mapping QTLs of traits related drought tolerance in maize.
Molecular Plant Breeding (分子植物育种) , 2003 , 1 (5) ,701 - 706
(in Chinese with English abstract)
227 作 物 学 报 第 31 卷