全 文 ：Vol. 31 , No. 1
pp. 7 - 10 　Jan. , 2005
作 　物 　学 　报
ACTA AGRONOMICA SINICA
第 31 卷 第 1 期
2005 年 1 月 　7～10 页
普通小麦多酚氧化酶活性的 QTL 分析
张立平1 　葛秀秀1 　何中虎1 ,2 , 3 　王德森1 　闫　俊1 　夏先春1 　Mark W Sutherland3
(1 中国农业科学院作物栽培育种研究所 ,国家小麦改良中心 ,北京 100081 ; 2CIMMYT 中国办事处 ,北京 100081 ; 3 澳大利亚南昆士兰大学 ,
Toowoomba 4350)
摘 　要 :多酚氧化酶 (polyphenol oxidase , PPO)是引起面团 (片)颜色褐变的主要原因。利用 122 对 SSR 引物、4 对贮藏蛋白
STS引物和 10 对 AFLP引物组合 ,分析了中优 9507 ×CA9632 的 71 个 DH系的基因型 ,构建了由 173 个位点组成的遗传连
锁图 ,在小麦 21 个连锁群上覆盖 2 881 cM。将该群体种植于 3 个环境 ,采用复合区间作图法 (CIM) 进行了 PPO 活性的
QTL 分析。结果表明 ,控制籽粒 PPO 活性的主效 QTL 有 2 个 ,分别位于染色体 2AL 和 2DL 上 ,贡献率分别为 3719 %～
5010 %和 2510 %～2911 %。所有 QTL 都来自高 PPO 活性亲本中优 9507。讨论了通过遗传途径降低 PPO 活性及利用分子
标记辅助育种的可能性。
关键词 :普通小麦 ;多酚氧化酶 (PPO) ;分子标记 ;QTL 分析
中图分类号 : S512
Mapping QTLs for Polyphenol Oxidase Activity in a D H Population from Common
Wheat
ZHANGLi2Ping1 ,GE Xiu2Xiu1 ,HE Zhong2Hu1 ,2 , 3 , WANG De2Sen1 , YAN Jun1 , XIA Xian2Chun1 , Mark W Sutherland3
(1 Institute of Crop Breeding and Cultivation , National Wheat Improvement Center , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing 100081 ; 2 CIMMYT China
Office , Beijing 100081 , China ; 3 University of South Queensland , Toowoomba , QLD 4350 , Australia)
Abstract :The polyphenol oxidase ( PPO) activity is a major factor to cause an undesirable brown discoloration of wheat2
based end products during processing or storage1 A double haploid (DH) population with 71 lines derived from Zhongyou
9507 with higher PPO activity and CA9632 with lower PPO activity , were sown at three locations with two replications1 A
total of 173 loci included SSR , STS of storage protein and AFLP markers were used to construct a linkage map , covering
2 881 cM of whole genome at 21 linkage groups1 With the method of composite interval mapping (CIM) , two putative major
QTLs were detected on chromosome 2AL and 2DL , accounting for 3719 % - 5010 % and 25 % - 2911 % of the phenotypic
variance across three environments , respectively1 The QTL on 2AL played a more significant role than the QTL on 2DL1
Reduction of PPO activity through genetic improvement and molecular marker assisted selection was also discussed1
Key words :Common wheat ; Triticum aestivum L1 ; Polyphenol oxidase ; Molecular marker ; Quantitative trait loci (QTL)
　　在馒头、饺子和鲜面蒸煮前的几个甚至几十个
小时的贮存期间或挂面干燥过程中 ,颜色褐变现象
十分普遍[1 ] 。多酚氧化酶 (polyphenol oxidase , PPO)
活性及其相应的底物是引起颜色褐变的主要原因 ,
其决定面条 (团)颜色稳定性的 50 %～70 %[2～4 ] 。环
境和基因型都影响 PPO 的活性 ,但 PPO 活性主要受
基因型影响 ;不同品种间 PPO 活性相差很大 ,因此 ,
通过遗传育种途径改良面制品颜色的褐变是可
行的[5 ] 。
许多植物 PPO 由多基因家族编码[6 ] ,小麦 PPO
的同工酶也有 12 种之多[7 ] 。葛秀秀[8 ] 应用植物数
量性状主基因 + 多基因混合遗传模型对冬小麦 PPO
活性的遗传分析表明 ,PPO 活性受 2 对独立主基因
控制。Jimenz[9 ] 和 Anderson 等[10 ] 通过对代换系 PPO
活性的测定 ,也推测控制小麦 PPO 的主效基因为
1～2个 ,同时指出针对 PPO 的底物专化性存在多个
等位基因。Udall [11 ]和 Demekes 等[12 ] 利用 RFLP 标记
分别研究了 4 个重组近交系群体 ,Mares 等[13 ] 利用
繱基金项目 : 国家自然科学基金 (30270822)和国家重点基础发展规划 (2002CB111300)项目资助。
作者简介 : 张立平 (1969 - ) ,女 ,山西大同人 ,博士 ,在北京市农林科学院杂交小麦中心从事小麦品质遗传研究。3 通讯作者 :何中虎。Tel :010268918547 ; Fax :010268918547 ; E2mail : zhhe @public31bta1net1cn
Received(收稿日期) :2003211210 ,Accepted(接受日期) : 20042022271

AFLP 标记分析了一个 DH群体 ,发现控制 PPO 活性
的主效基因位于第二同源群染色体上 ,但其他染色
体如 3B、3D、6B 上亦存在一些微效基因。Demeke 和
Morris[14 ]利用同源序列方法扩增出了 444 bp 的小麦
PPO 基因片段 ,并由此向两端延伸获得大小为 1 509
bp 的小麦 PPO 的 DNA 序列。迄今为止还没有可应
用于辅助育种的 PPO 活性分子标记。
早期的研究表明 ,中优 9507 具较高 PPO 活性而
CA9632 的 PPO 活性较低[8 ] 。本文对中优 9507 和
CA9632 以及由它们构建的 DH 群体进行 PPO 活性
分析 ,利用已构建的分子连锁图谱标记定位 PPO 活
性的 QTL ,为进一步利用分子标记辅助育种等手段
进行优良面粉颜色品种的选育提供理论基础。
1 　材料和方法
111 　植物材料和田间试验
　　71 个中优 9507ΠCA9632 的双单倍体 ( doubled2
haploid ,DH)系 ,通过小麦 ×玉米杂交 (玉米花粉诱
导)方法获得。中优 9507 和 CA9632 分别是高、低
PPO 活性亲本。田间试验于 2001 - 2002 年度分别
在中国农科院作物所 (北京) 、中国农科院棉花所 (河
南安阳)和山东农科院作物所 (山东济南) 3 点进行 ,
每点 2 次重复 ,小区为 3 行区 ,行长 2 m ,每行播种
80 粒。田间管理按当地产量比较试验进行。
112 　籽粒 PPO 活性的测试
参照华盛顿州立大学小麦品质实验室方法[10 ] ,
用 D ,L2DOPA、MOPS试剂和分光光度计测定籽粒的
PPO 活性。
113 　统计分析
应用 SAS 软件对 PPO 活性进行统计分析 ,包括
平均值、范围、标准差、变异系数、频率分布和方差
分析。　　
114 　遗传图谱的构建
SSR 标记 :利用 R¨oder 等[15 ] 发表的 239 对 Xgwm
引物 ,SSR 协作组的 536 对 wmc 引物 ,Pestsova 等[16 ]
发表的 38 对 Xgdm 引物 , Devos 等[17 ] 发表的 1 对
Glu2A3 SSR 引物和 Lee 等[18 ] 发表的 1 对 Gli2B1 SSR
引物 ,共 815 对 SSR 引物 ,筛选出 122 对多态性引
物 ,包括 154 个多态性位点。
AFLP 引物 :选用 3 个选择性碱基的 P 引物和 M
引物各 9 个 ,随机组成 10 对引物组合 ,每对引物获
得的多态性位点 2～10 个 ,共 42 个多态性标记
位点。　　　
STS标记 :5 对贮藏蛋白的 STS 标记 ,有 4 对具
有多态性 ,即 011A ( Glu2A3) 、011B ( Glu2B3) 、1Dx5 和
1Dy10Π12 (这两个位点合并作为 Glu2D1 位点记录) 。
应用 MAPMAKER 310 软件 ,将 200 个多态性标
记 (位点)中的 143 个 SSR 标记、4 个贮藏蛋白标记
和 26 个 AFLP 标记共 173 个位点绘在遗传连锁图
上。采用 Kosambi 函数将标记之间的重组交换率转
换为遗传图距单位 (cM) 。连锁图的总长度是 2 881
cM ,标记间的平均遗传距离为 1616 cM。
115 　QTL 分析
应用 Cartograph 软件包的复合区间作图法
(CIM)分别进行 3 个地点 PPO 活性的QTL 分析 ,LOD
的阈值为 215。
2 　结果与分析
211 　方差分析
　　表 1 说明 ,PPO 活性在不同环境和基因型间存
在极显著差异 ,但基因型和环境互作及重复间差异
不显著。
表 1 PPO 活性的方差分析
Table 1 Analysis of variance for PPO activity
变异来源
Source
自由度
df
均方
MS F 值 P
环境 Environment 2 22102 6165 3 3 010016
重复 Replicate 1 0122 0107 017983
基因型 Genotype 70 21114 6138 3 3 010001
基因型×环境
Genotype ×Environment 129 2193 0189 017725
误差 Error 194 3131
212 　简单统计量和变异分布
3 个地点种植的 DH 系间 PPO 活性的变异系数
都较大 ,北京、安阳和济南分别为 3216 %、3312 %和
3315 % ,但平均值相差不大 ,分别为 6165、6165 和
5199 A475Π (g·min) ×103 (表 2) 。
表 2 籽粒 PPO 活性的基本统计量
Table 2 Grain PPO activity in three locations
地点
Location
样品数
Number of samples
平均值
Average
范围
Range
变异系数
CV ( %)
北京 Beijing 70 6165 2172 - 11197 3216
河南安阳 Anyang ,Henan 71 6165 2192 - 12192 3312
山东济南 Jinan ,Shandong 61 5199 3111 - 12142 3315
8 　　　　作 　　物 　　学 　　报 第 31 卷 　

　　从 DH群体的分布图 (图 1)可以看出 ,群体不符
合正态分布 ,PPO 活性在 3 个地点的变异范围基本
一致 ,存在明显的超亲现象 ,其中超高亲的品系较
多 ,超低亲的品系较少。由于该群体的 PPO 活性的
观察值不符合正态分布 ,将其转化为自然对数值进
行 QTL 分析。
图 1 PPO 活性的频率分布
Fig11 Frequency distribution of PPO activity [ A475Π( g·min) ×103]
213 　QTL 分析
QTL 分析表明 (表 3) ,3 个地点检测到效应最大
的 2 个 QTL 都位于 2AL 和 2DL (图 2) ,此外不同地
点还存在一些效应较小的 QTL ,如安阳点在 1A 和
1B、济南点在 2B 染色体上 ,这些微效 QTL 在 3 个地
点中没有重复出现。所有 QTL 都来自于高 PPO 活
性亲本中优 9507。
表 3 复合区间作图法检测籽粒多酚氧化酶( PPO)活性的 QTL
Table 3 QTLs of grain polyphenol oxidase ( PPO) activity based on composite interval mapping analysis
地点
Location
染色体
Chrom1 位置Pos1 (cM) 标记区间Marker interval LOD 值LOD score 加性效应Additive 贡献率Var1 ( %)
北京 2AL 16915 Xgwm3822Xgwm312 916 1155 3719
Beijing 2DL 22719 WMC36a2WMC41 718 1139 2911
1A 1510 WMC336a2P41ΠM32e 218 0142 314
河南安阳 1B 110 Glu2B3ΠGli2B12WMC367 414 0155 514
Anyang , Henan 2AL 17015 Xgwm3822Xgwm312 2315 1173 5010
2DL 23015 WMC412P41ΠM32a 1611 1127 2510
山东济南 2AL 17619 Xgwm2942P42ΠM45c 1418 1166 4811
Jinan , Shandong 2B 1910 Xgwm4102Xgwm374 313 0153 613
2DL 23015 WMC412P41ΠM32a 1117 1112 2518
图 2 PPO 活性主效 QTL 的位置
Fig12 The position of major QTLs for PPO activity
9　第 1 期 张立平等 :普通小麦多酚氧化酶活性的 QTL 分析 　　　

　　3 个地点 2AL 上 QTL 的位置和效应略有差异 ,
但都在 Xgwm312 和 Xgwm294 附近 (两者的遗传距离
为 116 cM) ,而且效应最大。北京、安阳和济南点的
QTL 分别距 Xgwm312 的遗传距离为 218、118 和 416
cM ,在该区域 QTL 的 LOD 值分别为 916、2315 和
1418 ,加性效应分别为 1155、1173 和 1166 ,贡献率分
别为 3719 %、5010 %和 4811 %。
位于 2DL 上的 QTL 在 WMC41 和 P41ΠM32a 附
近 (两者的遗传距离为 018 cM) ,定位区间在 3 个地
点亦略有差异。北京、安阳和济南点的 QTL 分别距
WMC41 的遗传距离为 118、018 和 018 cM ,距 P41Π
M32a 的遗传距离为 216、0 和 0 cM ,在该区域 QTL
的 LOD 值分别为 718、1611 和 1117 ,加性效应分别
为 1139、1127、1112 ,贡献率分别为 2911 %、2510 %和
2518 %。
3 　讨论
本文首次在同一个作图群体中检测出 2 个 PPO
活性的主效QTL ,分别位于 2AL 和 2DL 上 ,而且前者
的效应明显大于后者。位于 2AL 上的 QTL 与
Udall [11 ]报道的 PPO 的一个 RFLP 标记 ( Xcdo373) 的
位置相近 ,位于 2DL 的 QTL 的位置与 Mares 等[13 ]
(标记 P41ΠM3221 ) 和 Demekes 等[12 ] ( Xfba314) 所得
的结果接近。在本研究群体中影响 PPO 活性的主
效基因有 2 个 ,属于“主效基因 + 微效多基因”的遗
传模式 ,与葛秀秀等[8 ] 用数量遗传模型分析方法所
得的结果相吻合。
本研究还首次应用以 SSR 标记为主的遗传连
锁图进行 PPO 活性的 QTL 分析。用于遗传分析的
常用分子标记有 RFLP、RAPD、AFLP 和 SSR ,在小麦
中由于 RFLP 标记的多态性较小、实验步骤多、费时
费力等缺点 ,限制了它的应用。RAPD 标记稳定性
和重复性差 ,目前很少使用。AFLP 标记的稳定性和
重复性比 RAPD 高 ,一般为显性标记 ,但数据统计较
复杂 ,而且多态性片段只有转化为 STS 或 SCAR 标
记才可用于分子育种。SSR 标记具有较高的多态
性 ,一般为共显性标记 ,位点专化性较强 ,标记覆盖
整个基因组 ,DNA 样本用量少等优点 ,在小麦、水
稻、玉米、大豆、高粱、大麦等主要作物中广泛用来构
建遗传图谱 ,进行遗传变异和分子标记等研究 ,而且
寻找到的特异标记大多可直接应用。本实验检测出
的与 PPO 活性相关的两个主效 QTL 在 3 个地点的
效应都较大 ,而且标记区间基本一致。QTL 的位置
与其中一个 SSR 标记紧密连锁 ,因此有利于将这些
标记转化为辅助育种的分子标记 ,为杂种后代的选
择服务。
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