作物杂志, 2019, 35(3): 24-28 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2019.03.005

遗传育种·种质资源·生物技术

利用分子标记技术对玉米自交系子粒油分的改良研究

鲁守平, 张华, 孟昭东, 穆春华

山东省农业科学院玉米研究所/农业农村部黄淮海北部玉米生物学与遗传育种重点实验室,250100,山东济南

Improvement of Grain Oil Content in Maize Inbred Lines by Molecular Markering Technology

Lu Shouping, Zhang Hua, Meng Zhaodong, Mu Chunhua

Maize Research Institute of Shandong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Maize Biology and Genetic Breeding in North Huanghuaihai, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Jinan 250100, Shandong, China

通讯作者: 穆春华为通信作者,研究员,主要从事玉米分子遗传育种研究

收稿日期: 2018-12-10   修回日期: 2019-04-18   网络出版日期: 2019-06-15

基金资助: 山东省科技发展计划.  2014GNC110016,2015GNC113001
转基因生物新品种培育重大专项.  2017ZX08013001-001-007
国家高技术研究发展计划.  2006AA100103

Received: 2018-12-10   Revised: 2019-04-18   Online: 2019-06-15

作者简介 About authors

鲁守平,副研究员,主要从事玉米遗传育种研究; 。

摘要

高油玉米是指子粒油分含量高于6%的玉米,是一种优良的粮油饲兼用型作物。高油玉米自交系By804含有qHO1和qHO6两个提高子粒油分的主效QTL。以By804为供体,利用分子辅助选择技术,结合田间农艺性状鉴定及核磁共振油分检测,将2个主效QTL分别回交转育至普通玉米自交系lx9801、lx03-2及lx00-1中。结果表明:来自By804的2个QTL均表现为随着回交次数的增加,子粒含油量较轮回亲本提高幅度逐步降低;不同遗传背景对QTL效应有较大影响:2个QTL在不同自交系的效应均以lx9801最佳,转育目标QTL后自交系绝对含油量较轮回亲本平均增加0.72%;2个位点效应相比,qHO6对子粒含油量的改良效果较优,3个自交系的改良系平均绝对含油量增加0.58%。

关键词: 玉米 ; 自交系 ; 子粒油分 ; QTL ; 分子标记辅助选择

Abstract

High-oil maize refers to maize with a grain oil content higher than 6%. It is an excellent crop of grain, oil and feed. The high oil maize inbred line By804 contains two major QTLs, qHO1 and qHO6. In this study, By804 was used as a donor, using linkage-labeled molecular-assisted selection technology, combined with field agronomic traits identification and nuclear magnetic resonance verification, two major QTLs were transferred to common maize inbred lines lx9801, lx03-2 and lx00- 1 by backcrosses. The results showed that the growth trend of oil in different generations of improved inbred lines was similar. The generation BC1F1 had the highest oil content increase, and with the increase of backcross algebra, the oil content of grain decreased gradually. Different genetic backgrounds had an effect on oil content. The average effect on lx9801 was the best with absolute oil content increases by 0.72% compared with the two-point effects. qHO6 was better in improving the grain oil content, which could increased the oil content of grain by an average of 0.58%.

Keywords: Maize ; Inbred line ; Grain oil ; QTL ; Marker-assisted selection

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本文引用格式

鲁守平, 张华, 孟昭东, 穆春华. 利用分子标记技术对玉米自交系子粒油分的改良研究[J]. 作物杂志, 2019, 35(3): 24-28 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.03.005

Lu Shouping, Zhang Hua, Meng Zhaodong, Mu Chunhua. Improvement of Grain Oil Content in Maize Inbred Lines by Molecular Markering Technology[J]. Crops, 2019, 35(3): 24-28 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.03.005

高油玉米是指子粒油分含量高于6%的玉米,其不仅有较高的子粒油分含量,而且富含不饱和脂肪酸和赖氨酸等多种氨基酸,脂溶性维生素A和维生素E的含量也比较高,所以高油玉米是一种优良的粮油饲兼用型作物[1,2,3,4]。因高油玉米是通过对基础群体长期人工选择发展而来,所以存在种质资源狭窄的问题[5,6];且产量、抗性等方面也不能满足目前生产的实际需求,导致其推广受限[1,6-7]。子粒油分等重要性状相关基因/QTL的定位和克隆,为目标性状的分子标记辅助选择育种提供了可能[8,9]。常规玉米回交转育技术与分子标记辅助选择技术、核磁共振子粒油分检测技术相结合,有助于将高油玉米具有提高油分效应的位点转入到普通玉米自交系中,对实现现有自交系子粒油分的改良、拓宽高油玉米种质资源遗传基础具有重要意义。

本研究将源于高油玉米自交系By804提高油分含量的qHO1和qHO6主效QTL回交转育至普通玉米自交系lx9801、lx03-2及lx00-1中,研究这两个位点在不同遗传背景下的表型,并探讨不同遗传背景对QTL效应的影响,以期实现普通玉米自交系的高油化改良及育种实践。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供体亲本By804是BHO经过13轮群体选择的高油玉米自交系[6],油分含量达11%。

受体亲本lx9801、lx03-2和lx00-1均为普通玉米自交系,油分含量分别约为2.44%、3.00%和3.20%。3个受体亲本自交系均由山东省农业科学院玉米研究所选育,具有较好的配合力及农艺性状。lx9801和lx03-2属于黄改类群自交系,lx00-1属于外杂选群自交系。lx9801作为亲本自交系选育了鲁单981、鲁单984等多个国审、省审杂交种,用lx03-2、lx00-1选育了鲁单9032、鲁单9088等多个省审、国审杂交种。

1.2 试验材料的改良

以供体亲本为父本,受体亲本为母本,2006年10月进行F1的配制,F1及其以后各世代均以受体亲本作为父本进行回交,在世代BC5F1自交获得BC5F2表1)。各世代子粒通过子粒油分检测、连锁标记选择、农艺性状选择后再进入下轮筛选。本研究仅利用与油分QTL连锁的标记对油分位点进行前景选择,未涉及背景选择。

表1   试验材料各世代种植时间、地点及选择方法

Table 1  Dates, sites and methods of selection of materials for each generation

时间Date种植世代Generation种植地点Site选择方法Method of selection
2006年10月October 2006亲本海南三亚-
2007年2月February 2007F1海南三亚-
2007年6月June 2007BC1F1济南章丘农艺性状、油分检测、标记辅助检测
2007年10月October 2007BC2F1海南三亚农艺性状、油分检测、标记辅助检测
2008年6月June 2008BC3F1济南章丘农艺性状、油分检测、标记辅助检测
2008年10月October 2008BC4F1海南三亚农艺性状、油分检测、标记辅助检测
2009年6月June 2009BC5F1济南章丘农艺性状、油分检测、标记辅助检测
2009年10月October 2009BC5F2海南三亚农艺性状、油分检测、标记辅助检测

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1.3 子粒油分检测

利用核磁共振仪(nuclear magnetic resonance apparatus,NMR)对子粒油分进行逐粒检测[1,10]。检测时,先利用已知子粒油分的标准品校正仪器,后逐粒测定油分含量,用油分含量计算子粒油分绝对增量,油分绝对增量=改良后的子粒油分含量-受体亲本子粒油分含量。每个改良穗行系的改良子粒选择油分含量位于前15%~20%的进行下一代选育;当选材料中,将同一受体携带源自供体不同QTL位点的子粒进行分别种植。

1.4 标记辅助选择

供体亲本By804具有2个子粒油分含量相关的主效QTL,分别是位于第1染色体的qHO1和位于第6染色体的qHO6,其连锁SSR标记均由中国农业大学李建生提供(表2[10,11,12,13]。引物由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。

表2   不同受体亲本选用连锁标记信息

Table 2  Linkage marker information for receptor parents

标记
Marker
位置
Position
与QTL距离(cM)
Distance from QTL
QTL适用亲本Applicable parent
bnlg1884bin1.0613.4qHO1lx9801, lx03-2
umc1979bin6.040.5qHO6lx9801, lx03-2
umc2112bin1.0221.0qHO1lx00-1
umc1656bin6.0217.8qHO6lx00-1

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待幼苗长至4~5叶期,逐株标记并进行叶片样品采集,采用室内CTAB法提取DNA。PCR反应所用Taq E、dNTP等试剂均购自TaKaRa公司;PCR的反应体系包括:1×buffer,2mmol/L Mg2+,4种dNTP各0.25mmol/L,正反向引物各0.67μmol/L,0.5U Taq E,DNA模板1~2μL(50~100ng),用水补足15μL。PCR反应的引物序列、反应程序、产物大小等信息见表3。产物用6%变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测,银染程序采用李文才[14]的方法。根据电泳结果,选择分离群体中同时具有供体亲本By804和轮回亲本带型的单株做田间回交授粉。

表3   选用连锁标记PCR扩增信息

Table 3  PCR amplification conditions for each marker

标记
Marker
序列
Sequence
PCR反应程序
PCR reaction procedure
产物大小(bp)
Product size
bnlg1884F:TTCGGATGCATGTGTAACGT
R:CGGAAGTCCCATCTGTTTGT
94℃ 5min;94℃ 30s,58℃ 30s,72℃ 50s,30个循环;72℃ 10min188
umc1979F:AATTTCGGGAAACAGGCCAT
R:GAGTCCCCGAAACTGAACACC
94℃ 5min;94℃ 30s,58℃ 30s,72℃ 50s,30个循环;72℃ 10min140
umc2112F:AGCTCTACCAAACACGAGCTTCAT
R:CAAATGCAGAAAGATAACGCGAAT
94℃ 5min;94℃ 30s,56℃ 30s,72℃ 50s,30个循环;72℃ 10min133
umc1656F:AGTTTTGACCGCGCAAAAGTTA
R:GTACGAGCAGGCCATTAACCC
94℃ 5min;94℃ 30s,56℃ 30s,72℃ 50s,30个循环;72℃ 10min135

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1.5 农艺性状选择

以连锁标记选择后的单株为母本,受体亲本为父本进行杂交。授粉时选择株型、叶型、叶夹角、穗位相对高度、雄穗等田间农艺性状与受体亲本相近的单株,收获时关注穗型、轴色、粒色、粒型等穗部性状与受体亲本相近的果穗。通过对植株、果穗性状的人工选择尽快使改良材料的背景更加接近受体亲本。

2 结果与分析

2.1 不同玉米自交系改良情况

BC1F1至BC5F1的5个分离世代共种植5 498个单株,回交和自交共计4 486个果穗,经田间农艺性状鉴定及分子标记选择,有282个果穗进行了子粒油分测定验证,果穗的入选率平均为6.29%(表4)。

表4   各分离世代播种、回交、筛选果穗信息

Table 4  Information of seeding, backcrossing and screening of ear for each separation generation

世代
Generation
lx9801lx03-2lx00-1
播种粒数/穗
Seeding
number/ear
回交穗数
Backcross ear
number
果穗入选率(%)
Ear selection rate
播种粒数/穗
Seeding
number/ear
回交穗数
Backcross ear number
果穗入选率(%)
Ear selection rate
播种粒数/穗
Seeding
number/ear
回交穗数
Backcross ear number
果穗入选率(%)
Ear selection rate
BC1F1290/10*280**-215/10201-415/10264-
BC2F1160/141515.00***160/171528.45220/122184.54
BC3F1370/2029013.24380/2031013.16487/203509.17
BC4F1380/203006.89281/202006.46460/204205.71
BC5F1507/284509.33800/3656018.00373/253405.95
合计Total1 707/921 4718.621 416/1031 42311.521 955/871 5926.34

Note: "*". Seeding 290 grains from 10 ears, "**". Contemporary pollination back to 280 ears, "***". The percentage of selected ears accounted for the pollinated backcross ones

注:“*”指播种290粒,来源于10个果穗,“**”指当代授粉回交280果穗,“***”指入选果穗占上代授粉回交果穗百分数

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2.2 利用连锁标记对高油位点筛选

利用与油分主效位点qHO1和qHO6连锁的标记[16]对回交后代分离单株进行标记辅助选择(图1),对同时具有高油供体与受体亲本带型的植株回交授粉。

图1

图1   不同标记在回交群体后代个体中的扩增图谱

Fig.1   Amplification map of different markers in progeny of backcross populations


2.3 不同回交世代的子粒较轮回亲本的油分增量

对自交系改良不同世代的子粒油分绝对增量进行分析(图2),qHO1和qHO6对不同背景材料的油分绝对增量趋势基本一致:回交一代子粒含油增量最高,随着回交代数增加,油分绝对增量逐步降低,在BC5F1代将果穗自交后,BC5F2子粒油分绝对增量持平或略有增加。

图2

图2   各改良自交系与受体子粒的油分绝对增量变化

Fig.2   Variation of oil content in each modified inbred line compared with receptor grain


lx9801的BC5F1自交后代子粒油分绝对增量最明显:qHO1的lx9801改良系油分由2.44%提升至3.20%,qHO6的lx9801改良系油分由2.44%提升至3.11%,2个位点平均油分绝对增量为0.72%(图2-a),而lx03-2及lx00-1的改良效果接近,2个位点改良后平均油分绝对增量分别为0.43%和0.44%(图2-b和图2-c)。

2.4 改良自交系的获得及其油分含量

将BC5F1代植株果穗自交,测定子粒油分含量,结果(表5)表明,lx9801、lx03-2和lx00-1自交系经回交转育改良后,转入qHO1的子粒油分含量分别提高至3.20%、3.28%、3.58%,油分绝对增量分别为0.76%、0.28%和0.38%,平均油分绝对增量为0.47%;转入qHO6的子粒油分含量分别为3.11%、3.58%和3.70%,油分绝对增量分别为0.67%、0.58%和0.50%,平均油分绝对增量为0.58%,且qHO6对3个材料的子粒油分绝对增量更为均衡。

表5   自交系改良后不同世代子粒油分含量

Table 5  Oil content of different generations of improved inbred lines %

材料
Material
lx9801改良系
lx9801 improved line
lx03-2改良系
lx03-2 improved line
lx00-1改良系
lx00-1 improved line
qHO1qHO6qHO1qHO6qHO1qHO6
BC1F14.16±0.364.19±0.234.70±0.684.85±0.434.77±0.634.81±0.35
BC2F13.47±0.283.61±0.323.80±0.634.01±0.364.05±0.644.24±0.48
BC3F12.81±0.443.05±0.542.77±0.443.04±0.503.98±0.443.96±0.46
BC4F12.87±0.372.76±0.373.54±0.533.41±0.473.66±0.573.99±0.53
BC5F13.08±0.313.10±0.352.96±0.323.01±0.383.26±0.353.48±0.41
BC5F23.20±0.373.11±0.413.28±0.503.58±0.503.58±0.403.70±0.40

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经供体自交系与受体自交系的1代杂交、5代回交和1代自交,改良自交系在株型、叶型、雄穗等田间农艺性状及穗部性状与受体自交系十分接近,最终获得多个子粒油分得以改良的新系。特别是lx00-1的改良系,有20个油分含量为4.25%~4.50%,5个油分含量为4.50%~4.75%(图3-c);此外,还获得lx9801改良系13个,lx03-2改良系3个,这些新系的子粒油分含量均达到4.0%以上(图3-a和图3-b)。

图3

图3   改良自交系BC5F2世代子粒油分含量分布

Fig.3   Oil content distribution of the improved lines BC5F2 generation


3 讨论

玉米子粒油分含量由主效QTL和微效QTL共同控制,郭玉秋[13]和Hong等[15]利用B73和By804的RIL定位群体共检测到42个控制脂肪酸各组分和含油量的QTL。在染色体bin1.04、bin6.04及bin9.02分别检测到5个与子粒油分相关的主效QTL,其中位于bin1.04的主效QTL能够解释表型变异的15.7%,能够提高0.48%的绝对油分含量,而位于bin6.04的主效QTL能够解释8.4%的表型变异,能够提高0.35%的绝对油分含量[15]。这些主效QTL为高油玉米的分子标记辅助选择育种提供了重要的遗传信息。

本研究通过位点qHO1改良的lx9801、lx03-2和lx00-1油分绝对增量分别为0.76%、0.28%和0.38%,位点qHO6改良的油分绝对增量分别为0.67%、0.58%和0.50%,位点qHO6提高效果优于qHO1。郝晓敏[10]和Hao等[11]研究结果表明,qHO6位点对自交系郑58和昌7-2子粒油分绝对增量分别为0.92%和0.86%,qHO1位点油分绝对增量分别为0.43%和0.48%,与本研究结果基本一致。郝晓敏[10]研究路线除与本研究相同的连锁标记前景选择、油分检测筛选及田间表型背景选择外,还包括用20对SSR引物的单株背景选择。因此,二者结论均为位点qHO6改良效果更优,但郝晓敏[10]研究的油分提升效果均略优于本研究。此外,Hao等[11]和Hong等[15]与本研究结果相比较,2个位点的油分绝对增量效果均不相同,其原因可能是改良自交系或构建群体背景差异或主效QTL的修饰基因不同所致。

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

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