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Application of SSR Markers in Hybrid Seed Purity Test of Maize

SSR标记技术在玉米杂交种种子纯度测定中的应用



全 文 : 
第 29 卷 第 1 期 作 物 学 报 V o l. 29, N o. 1
2003 年 1 月  63~ 68 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA pp. 63~ 68  Jan. , 2003
SSR 标记技术在玉米杂交种种子纯度测定中的应用Ξ
李晓辉2 李新海1, 3  李文华2 王振华2 马凤鸣2 袁力行1 张世煌1, 3
(1中国农业科学院作物育种栽培研究所, 农业部作物遗传育种重点开放实验室, 北京 100081; 2 东北农业大学农学院, 黑龙江省哈尔滨
150030)
摘 要 以 21 份玉米骨干自交系及其组配的 13 个杂交种为材料, 进行 SSR 标记分析。从 220 对引物中, 筛选出扩增
带型稳定、多态性丰富的 58 对引物; 杂交种的SSR 图谱基本上表现为双亲互补带型。利用两个或三个引物组合构建的
SSR 图谱, 通过统计测验可以将 13 个杂交种区分。实验表明, 应用 SSR 标记技术结合单籽粒DNA 快速提取方法, 可
以快捷、准确地鉴定玉米杂交种种子纯度。
关键词 玉米; SSR 标记; 杂交种纯度鉴定
中图分类号: S513   文献标识码: A
Appl ica tion of SSR M arkers in Hybr id Seed Pur ity Test of M a ize
L I X iao2H u i2 L I X in2H ai1 L IW en2H ua2 W AN G Zhen2H ua2 M A Feng2M ing2 YUAN L i2X ing1 
ZHAN G Sh i2H uang1
(1 Institu te of C rop B reed ing and Cu ltiva tion, Ch inese A cad emy of A g ricu ltu ra l S ciences, K ey L abora tory of C rop Genetics and B reed ing , M in2
istry of A g ricu ltu re, B eij ing 100081, Ch ina; 2 Colleg e of A g ronomy , N ortheast A g ricu ltu ra l U niversity , H arbin 150030, Ch ina)
Abstract T he po lym o rph ism of 21 m aize elite inb red lines and 13 hyb rids w ere ana lyzed w ith SSR m arker
system. F ifty2eigh t ou t of 220 pairs of SSR p rim ers w ere selected, w h ich gave stab le and po lym o rph ic am 2
p lif ica t ion p rofiles. Basica lly, the am p lif ica t ion bands of hyb rids w ere com p lem en tary w ith tha t of the par2
en ts. T h irteen hyb rids cou ld be dist ingu ished by com b ina t ion s of tw o o r th ree p rim ers selected and sta t ist i2
ca l ana lysis. T he rap id DNA ex tract ing p rocedu re from sing le kernel w as estab lished. T he experim en t
show ed tha t SSR techn ique cou ld be effect ively exp lo ited in hyb rid seed pu rity test of m aize.
Key words Z ea m ay L. ; Sim p le sequence repea ts m aker; H yb rid seed pu rity test
  玉米种子真伪和纯度检验对玉米生产具有重要
影响。以往, 人们多利用形态特征、生理特性、同
工酶、种子贮藏蛋白进行品种纯度检验[ 1 ]。由于我
国玉米生产上使用的亲本自交系较为集中, 导致种
质基础渐趋狭窄[ 2 ]。上述检验手段易受环境影响,
不能有效地区分遗传关系较近的杂交种[ 3 ]。
随着科技进步, 分子生物学技术已开始用于品
种纯度的检验。吴敏生、张超良[ 4, 5 ] 等探讨了
RA PD 分子标记在玉米品种纯度检验中的应用。
SSR s 是近年来发展起来的建立在 PCR ( Po ly2
m erase Chain R eact ion)基础上的分子遗传标记, 已
被广泛用于基因定位, 种群进化及遗传多样性研
究[ 6 ]。但 SSR 标记技术在玉米品种纯度鉴定中的应
用尚未见报道。本课题组筛选出一组核心 SSR 引
物, 构建了 21 份骨干自交系及其组配的 13 个杂交
种的DNA 指纹图谱; 本文旨在比较杂交种与亲本
自交系的 SSR 图谱, 结合单籽粒DNA 快速提取方
法, 探讨 SSR 标记技术在玉米杂交种纯度鉴定中
应用的可行性。
1 材料和方法
1. 1 材料
供试材料包括 21 份玉米骨干自交系及其组配
的 13 个杂交种 (表 1) , 其中杂交种都是我国大面积Ξ 基金项目: 科技部重点项目 (K2000220243)和亚洲玉米生物技术协作网项目 (AM B ION ET )资助。
作者简介: 李晓辉 (19772) , 男, 黑龙江肇东人, 硕士研究生, 从事玉米分子标记技术研究。  3 通讯联系作者。
Received on (收稿日期) : 2001211223, A ccep ted on (接受日期) : 2002206206

种植的优良品种。21 份自交系是经过套袋自交获
得, 杂交种为手工配制。
1. 2 扩增反应
采用CTAB 法[ 7 ]提取DNA。PCR 扩增反应在
PTC2200 PCR 仪 (M J R esearch, W aterson, M A )
上进行。每 10 ΛL 反应体积中含有 10 mm o löL T ris2HC l, 50 mm o löL KC l, 0. 001% Gela t in, 0. 5单位 T aq DNA 聚合酶, 2. 5 mm o löL M gC l2, 0. 15mm o löL 42dN T P, 10% 甘油, 0. 25 Λm o löL SSR 引物对, 20 ng DNA 模板。反应液上加盖 15 ΛL 矿物油 (Sigm a) , 防止反应过程中水分蒸发。
表 1  21 份玉米自交系及 13 个杂交种
Table 1  The 21 inbred l ines and 13 hybr ids of ma ize
序号
Code
材料
M aterial
序号
Code
材料
M aterial
序号
Code
材料
M aterial
1 788427 13 丹 340 D an340 25 农大 108 N ongda108
(X178×HC)
2 本育 9 Benyu9 14 掖单 13 Yedan13 26 HC
(788427×M o17) (丹 340×掖 478)(D an340×Ye478)
3 M o17 15 掖 478 Ye478 27 铁 7922 T ie7922
4 烟单 14 Yandan14 16 西玉 3 号 X iyu3 28 雅玉 2 号 Yayu2
(M o17×黄早四)
(M o17×H uangzao4)
(掖 478×502)
(Ye478×502)
(铁 7922×S37)
(T ie7922×S37)
5 黄早四 H uangzao4 17 502 29 S37
6 掖单 2 号 Yedan2 18 K12 30 S7913
(黄早四×掖 107)
(H uangzao4×Ye107)
7 掖 107 Ye107 19 陕单 902 Shandan902 31 华玉 4 号 H uayu4
(K12×K22) (S7913×H Z85)
8 444 20 K22 32 H Z85
9 四单 19 Sidan19 21 齐 319 Q i319 33 金黄 96B J inhuang96B
444×M o17
10 M o17 22 鲁单 50 L udan50 34 晋单 36 J indan36
(齐 319×鲁原 92)
(Q i319×L uyuan92)
(金黄 96B×海 9221)
(J inhuang96B×H ai9221)
11 中单 2 号 Zhongdan2 23 鲁原 92 L uyuan92 35 海 9221 H ai9221
(M o17×自 330)
(M o17×Zi330)
12 自 330 Zi330 24 X178
  热循环反应: 94℃模板DNA 预变性 5 m in, 1
个循环; 94℃模板DNA 变性 1 m in, 60℃引物与模
板靶位点结合 2 m in, 72℃引物沿模板延伸 2 m in,
共 35 个循环; 最后在 72℃延伸 5 m in。 4℃保
存。        
1. 3 聚丙烯酰胺凝胶 (4. 5% )电泳检测
采用B io2R ad 测序胶板装置 (美国制造, 规格
38 cm ×30 cm ×0. 04 cm ) , 单面电泳。配制 4. 5%
聚丙烯酰胺凝胶 75 mL , 含有8. 4 mL 40% po ly2
acrylam ide (acrylam ide: b isacrylam ide = 19∶1) ,
7. 5 mL 1×TBE 缓冲液, 33. 75g 尿素, 19 mL
ddH 2O , 75 ΛL T EM ED , 75 ΛL 25% A PS (Amm o2
n ium persu lfa te 25% w öv)。在加入 T EM ED 和
A PS 后, 立即灌胶, 约 30 m in 后, 胶凝固。安装电
泳槽, 倒入大约 1800 mL 1×TBE 缓冲液。在 85W
功率下, 预电泳 40 m in。PCR 产物变性后, 上样 5ΛL。在 70W 功率下, 电泳大约 1h。然后凝胶依次
在 10% 冰乙酸中浸泡 30 m in, 水洗 2 次 (每次 3
m in) , 0. 1%A gNO 3 中浸泡 30 m in, 快速用水冲洗
1 次, 然后在 3%N a2CO 3 (加入 200 ΛL 1%N a2S2O 3)
中显影至带型可以区分为止。用 10% 冰乙酸终止显
影。在白炽灯下观察电泳结果, 进行数据统计和扫
描照相。
1. 4 数据统计
标记 SSR 扩增片段大小, 以 0、1、9 建立数据
库。在相同迁移率位置上, 有带记为 1, 无带记为
0, 缺失数据记为 9。
46                     作  物   学  报                    29 卷

2 结果与分析
2. 1 引物筛选
本实验所使用的 SSR 引物序列来自M aize DB
(2000) , 由上海 Sangon 公司合成。利用 SSR 标记
技术分析 21 份骨干自交系的DNA 多态性。从 220
对 SSR 引物中筛选出扩增带型稳定, 多态性较丰
富的 58 对引物 (表 2) ; 共检测到 195 条多态性片
段, 平均每个位点的等位基因数 3. 36 个, 变化范围
2~ 8 个。用 195 条多态性片段初步构建了 21 份自
交系的DNA 指纹图谱, 获得了大多数自交系的特
异扩增片段, 可对其进行特异性鉴定。
表 2  58 对核心 SSR 引物
Table 2  F if ty-e ight SSR pr imers
SSR 引物
SSR p rim er
染色体位置
B in no.
扩增片段数
N o. alleles
片段大小
Size range (bp)
SSR 引物
SSR p rim er
染色体位置
B in no.
扩增片段数
N o. alleles
片段大小
Size range (bp)
ph i056 1. 01 4 84293 ph i048 5. 07 3 1572169
ph i097 1. 01 2 972100 ph i058 5. 07 2 1482151
bnlg176 1. 03 3 1832220 ph i085 5. 07 3 70290
bnlg439 1. 03 5 4132417 ph i128 5. 07 3 1002110
um c1124 1. 05 3 76283 ph i126 6. 00 7 1422172
ph i002 1. 08 2 1512153 ph i077 6. 01 7 1242144
ph i037 1. 08 3 1302158 ph i078 6. 05 3 1222158
ph i011 1. 09 2 1102122 ph i081 6. 05 3 1602169
ph i055 1. 09 3 1032112 ph i070 6. 07 2 78283
ph i064 1. 11 7 692101 ph i123 6. 07 2 1432147
ph i120 1. 11 4 64288 ph i057 7. 01 3 1452151
ph i083 2. 04 3 1262134 ph i034 7. 02 4 1202141
ph i090 2. 08 2 1412151 ph i114 7. 02 4 1352163
ph i127 2. 08 3 1122128 ph i116 7. 06 4 1512173
ph i374118 3. 02 4 4172435 ph i119 8. 02 3 1622170
ph i029 3. 04 3 1492170 ph i115 8. 03 3 932113
ph i036 3. 04 8 63291 ph i014 8. 04 2 1572163
ph i053 3. 05 3 1702186 ph i121 8. 04 2 992102
ph i073 3. 05 3 90299 bnlg162 8. 05 5 2252255
ph i047 3. 09 2 1402143 ph i015 8. 0828. 09 3 822102
ph i072 4. 00 4 1102138 ph i080 8. 09 5 1402165
ph i074 4. 04 3 89295 ph i028 9. 01 3 63278
ph i096 4. 04 2 1022112 ph i017 9. 02 3 1012107
ph i026 4. 05 6 802110 ph i022 9. 02 3 1242148
ph i086 4. 08 2 70273 ph i061 9. 03 2 80288
ph i092 4. 08 2 1202128 ph i065 9. 03 4 1322152
ph i019 4. 11 3 93299 ph i059 10. 02 2 1472156
ph i076 4. 11 4 3302374 ph i050 10. 03 3 80288
ph i113 5. 03~ 5. 04 4 1202336 ph i062 10. 04 2 1612164
2. 2 杂交种与亲本自交系的 SSR 图谱比较
多数引物在 21 份自交系中扩增出 1 条片段, 但
部分引物在某些自交系中扩增出 2 条片段, 如
ph i029 (图 1)在金黄 96B (泳道 33)中扩增出 2 条带,
这可能与基因组内存在两个与引物结合的靶位点等
有关。
实验过程中, 杂交种出现“双亲互补型”、“偏
父型”、“偏母型”以及“杂种型”4 种带型。“双亲互
补型”是指杂交种显现双亲的全部扩增带。在 SSR
图谱分析中, 杂交种带型基本上表现为“双亲互补
型”, 易与亲本分开, 如图 1 中本育 9 (泳道 2)、烟
单 14 (4)等。“偏父型”和“偏母型”是指杂交种与亲
本之一的扩增带型一致。图 1 中的晋单 36 (34)表现
为“偏母型”, 杂交种与母本自交系不能被分开; 但
多数情形是在双亲共同拥有一条扩增带情况下亲本
之一又有另外一条扩增带, 杂交种亦相同。这从侧
面验证了杂交种所显示的“双亲互补型”。“杂种型”
是本实验中出现的一种特殊谱带类型, 是指杂交种
561 期           李晓辉等: SSR 标记技术在玉米杂交种种子纯度测定中的应用              

比双亲多了一条扩增带。如果所用引物在亲本间扩
增产物无多态性, 则杂交种带型与亲本相同, 但亮
度明显增强, 如图 1 中陕单 902 (19)、农大 108 (25)
等。实验结果显示, “双亲互补型”是杂交种 SSR 图
谱的主要类型。
图 1、2  引物 ph i029 和 ph i374118 扩增的 SSR 图谱
M 为分子量标准 (5X174öΚDNA fÉ ) 1~ 35 供试材料序号 (编号与表 1 相同)
F ig. 1, 2  SSR p rofile of the amp lified bands w ith p rim er ph i029 and ph i374118, respectively
M : mo lecu lar standard (5X174öΚDNA fÉ ) 1~ 35: M aterial code sam e as in tab le1
表 3  引物 phi029 和 phi374118 扩增的 13 个杂交种 SSR 图谱
Table 3  The f ingerpr in ting of 13 hybr ids amplif ied by phi029 and phi374118
引物
P rim er
泳道 L ane
2 4 6 9 11 14 16 19 22 25 28 31 34
分子量标准
M (bp)
ph i029 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 170
1 1 1 1 1 1 1 13 1 0 0 0 1 153
1 1 0 1 1 1 1 0 1 13 13 1 1 149
ph i374118 13 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 435
0 0 0 0 1 1 1 1 1 13 1 13 13 433
0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 429
0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 417
  3 表示杂交种谱带亮度是双亲谱带亮度的叠加。
  3 the brigh tness of amp lification bands of hybrids is the sympathetic response of that of the paren ts.
2. 3 杂交种间 SSR 图谱比较
从引物 ph i029 的扩增带型来看, 13 个杂交种
之间共分为 5 种类型, 即本育 9 (2)、烟单 14 (4)、
四单 19 (9)、中单 2 (11)、掖单 13 (14)、西玉 3 号
(16)、鲁单 50 (22)、晋单 36 (34) 为一类; 农大 108
(25)、雅玉 2 号 (28) 为一类, 表明仅用引物 ph i029
不能区分这些杂交种; 掖单 2 号 (6) 为一类, 陕单
902 (19)为一类, 华玉 4 号 (31)为一类。
从引物 ph i374118 的扩增带型来看, 13 个杂交
种之间共分为 6 种类型, 即烟单 14 (4)、掖单 2 号
66                     作  物   学  报                    29 卷

(6)、四单 19 (9)为一类; 中单 2 (11)、掖单 13 (14)、
西玉 3 号 (16)、鲁单 50 (22)为一类; 农大 108 (25)、
华玉 4 号 (31)、晋单 36 (34) 为一类; 表明仅用引物
ph i374118 不能分开这些杂交种; 本育 9 (2) 为一
类, 陕单 902 (19)为一类, 雅玉 2 号 (28)为一类。
分析表明单独使用 ph i029 和 ph i374118 可区
分 5 个杂交种, 即本育 9 (2)、掖单 2 号 (6)、陕单
902 (19)、雅玉 2 号 (28)和华玉 4 号 (31)。如果同一
杂交种对不同引物扩增的带型分属不同类型, 则把
2 个引物结合使用, 可以区分更多杂交种。如将
ph i029 和 ph i374118 对农大 108 (25)、华玉 4 号
( 31)、晋单 36 (34)、雅玉 2 号 (28)、中单 2 号 (11)
的扩增图谱叠加, 则可以将 5 个杂交种完全区分
开; 若进一步结合 ph i048 的扩增图谱, 则可以将
13 个杂交种区分开。在利用 SSR 图谱鉴别杂交种
时, 应通过统计检验进行。在此采用X= 2 ûa i- e iûö
SE, 取置信度 Α= 0. 01 对未知杂交种与已知杂交种
进行显著性测验。当 X 值大于置信度的临界值时,
则认为两个杂交种差异显著。公式中 a i, e i 为杂交
种 a 和 e 的扩增片段,
SE= [2 (a- ā) 2+ 2 (e- ē) 2 ]ö(n- 1) n
为标准误, n 为扩增片段数。如采用上述公式和
ph i029 及 ph i374118 对鲁单 50 (22)、农大 108 (25)
的扩增图谱, 可以进行显著性测验。两个杂交种平
均差异为 2 个片段, SE= 0. 272, 因X= 7. 353 大于
t0. 01, 12= 3. 055, 表明鲁单 50 与农大 108 差异显著。
总之, 杂交种鉴定比自交系要困难, 但利用多个引
物构建的DNA 指纹图谱, 结合统计检验, 可以对
其进行有效地鉴定。
2. 4 SSR 标记技术在玉米杂交种种子纯度鉴定中
的应用
玉米杂交种子纯度主要受母本去雄不及时或不
彻底形成自交籽粒, 或者收获时混入父本种子的影
响; 同时, 混入其他品种也会影响种子纯度。因此,
如何快速、有效地鉴别双亲、混杂品种和真实杂交
种就成为品种纯度鉴定的关键。本实验通过单籽粒
DNA 快速提取方法 (100 ng L am bda 为分子量标
准) , 从种子胚中直接提取DNA (图 3) ; 然后进行
PCR 扩增, 通过电泳检测扩增产物, 可以准确地鉴
定父本、母本、混杂品种以及真实杂交种。在图 4
中, 泳道 1~ 5 和 43~ 47 为农大 108 亲本自交系;
第 20~ 24 泳道为混杂品种, 其余 28 条泳道表现为
清晰明显的“双亲互补带型”, 为真实杂交种农大
108。综合运用 SSR 核心引物和DNA 指纹图谱数
据, 通过DNA 快速提取、PCR 扩增和电泳检测。
可以准确地鉴定玉米杂交种纯度。
图 3  单籽粒快速提取的DNA 电泳检测结果
F ig. 3  E lectropho resis of DNA extracted by rap id m ethod from single seed
3 讨论
3. 1 SSR 引物筛选及标记检测技术
利用单一或少数引物难以区分亲缘关系较近的
杂交种, 必需采用引物组合。此外, 对于特定的
SSR 引物应确定最佳反应条件, 包括引物浓度和退
火温度等。因此, 随着品种鉴定和保护意识的增
强, 对玉米杂交种筛选 SSR 核心引物及优化检测
技术是非常必要的。
本实验根据扩增主带清晰、带型稳定、多态性
丰富及在杂交种中主要表现为“双亲互补带型”, 筛
选出 58 对 SSR 引物, 同时建立了 SSR 标记检测技
术体系, 包括单籽粒DNA 快速提取方法, PCR 扩
增和热反应体系、电泳检测及统计方法等。这套检
测技术可用于玉米杂交种纯度鉴定和真实性判别。
3. 2 杂交种的谱带类型与品种鉴定
761 期           李晓辉等: SSR 标记技术在玉米杂交种种子纯度测定中的应用              

实验表明, 同一品种用不同 SSR 引物扩增往
往表现不同的谱带特征, 其中“双亲互补带型”是鉴
别杂交种与亲本的最佳类型, 因此筛选“双亲互补
带型”的引物将有利于杂交种纯度鉴定。在双亲之
一的基因组内若存在两个或两个以上与引物结合的
靶位点, 则将有两个或两个以上扩增带, 杂交种的
谱带类型亦表现出“偏父型”或“偏母型”。对于“杂
种型”SSR 图谱, 是否与双亲杂交导致杂交种DNA
发生的变异等因素有关, 有待深入研究。
图 4  农大 108 杂交种、亲本自交系及混杂品种的 SSR 标记检测结果
F ig. 4  SSR p rofile of N ongda 108 hybrid, paren tal lines and m ixed seeds amp lified by p h io72
1~ 5: 父本农大 178, 6~ 42: 农大 108 和混合样品, 43~ 47: 母本HC, M : 分子量标准
1~ 5: m ale line X178, 6~ 42: hybrid N ongda108 and m ixed seeds, 43~ 47: fem ale line HC, M : mo lecu lar standard
3. 3 SSR 标记技术在玉米杂交种纯度鉴定中应用
的可行性
SSR 标记是利用引物对间短核苷酸序列重复
级数不同, 从而揭示品种间多态性, 检测区域几乎
可以覆盖玉米 10 条染色体。本实验室采用B io2R ad
测序胶装置和 4. 5% 聚丙烯酰胺凝胶, 可以检测出
1 个碱基对的微小差异。实验测试表明, SSR 标记
具有极好的稳定性和重复性。以引物 ph i057 为例,
重复两次, 仅在 3 个泳道中扩增片段有微小差异,
这极大地克服了 RA PD 标记需要严格控制反应条
件、保证环境均匀一致, 否则结果重现性差的缺
点。此外, 玉米单籽粒DNA 快速提取方法, 不需
要种子发芽和液氮, 操作简单、快速、实用性强,
使 SSR 标记技术更快捷、方便地用于品种鉴定与
纯度分析。
随着 SSR 标记技术的进一步完善, 其检测技
术将逐步程序化、标准化, 包括快速提取玉米单籽
粒DNA →通过分析DNA 指纹图谱数据, 选择特异
性 SSR 引物进行 PCR 扩增 (多重 PCR )→测序凝胶
电泳→扩增片段读取 (通过凝胶识别软件)→数据处
理及统计分析→杂交种纯度鉴定。总之, 应用 SSR
标记技术可以较快速、准确地鉴定玉米杂交种的纯
度。它可以用作品种真实性鉴定、纯度检测以及新
品种保护的仲裁技术依据之一。
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