作物学报ACTA AGRONOMICA SINICA  2009, 35(5): 958−961/zwxb/ ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9E-mail: xbzw@chinajournal
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; Tel: 010-******** 第一作者: E-mail: tangjihua1@163; Tel: 0371-********
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)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
体上的11个热点区域, 位于第9染体以外的其他染体上, 其中第3和第5染体上各分布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 chro
mosomal 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, 联会的同源染体双链断裂, 非姊妹染单体发生对等交换, 重新形成两条等长的同源染体, 不会造成染体结构的变异。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体的某些特定区域, 具有染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
单重复序列在自然体和人工选择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体, 借助SSR标记对重组近交系体的遗传组成, 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)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S
SR标记对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体总数的百分数定义为该标记发生不对等交换的体比例, 每世代交换的频率定义为不对等交换的体比例除于体自交的代数。利用Mapmaker version 3.0构建RIL体的遗传连锁图(LOD>3.0)[19]。
2结果与分析
2.1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 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%, 即双亲染体同源位点的分离整体上符合1∶1的理论比例, 且体的基因型组成呈正态分布, 证明该体是来自豫玉22号的一个随机分离的体。在263个多态性标记中, 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条染体上, 其中第1和第2染体上大部分标记位点等位基因频率偏向87-1, 第3和第7条染体偏向综3, 且呈偏分离热点区域, 该结论与利用F2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 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染体上分别发现了2个不
对等交换的热点区域, 如第1染体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
染体位点 Chrom. locus SSR 引物 SSR marker 重复序列Motif
体比例
Rate in  population (%)
不对等交换频率UCO frequency 染体位点Chrom. locus
SSR 引物 SSR marker 重复序列Motif
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 1
4.36    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 体中的不对等交换
Fig. 1  PCR profile of unequal crossing over SSR marker bnlg1805 P 1: 综3; P 2: 豫87-1; 1~25: RIL 体, 其中泳道3、20、21和22为不对等交换带型。
P 1: Zong 3; P 2: 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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