大珠母貝微衛(wèi)星DNA標(biāo)記的分離與篩選

柳 明,喻達(dá)輝黃桂菊

(1.農(nóng)業(yè)部海水養(yǎng)殖生態(tài)與質(zhì)量控制重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院 南海水產(chǎn)研究所,廣東 廣州510300; 2.上海海洋大學(xué) 水產(chǎn)與生命學(xué)院,上海 201306)

大珠母貝(Pinctada maxima),俗稱白蝶貝,屬于軟體動(dòng)物門雙殼綱異柱目珍珠貝科珠母貝屬(Pinctada)。主要分布于熱帶海域,如澳大利亞、菲律賓、馬來(lái)西亞、印度尼西亞等地[1]。大珠母貝經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高,其肉(閉殼肌)質(zhì)味道鮮美、營(yíng)養(yǎng)豐富,堪稱為宴席佳品。它的殼形獨(dú)特,珍珠層厚而有美麗光澤,是名貴的工藝原料。用大珠母貝養(yǎng)殖出來(lái)的珍珠顆粒大,色澤好,價(jià)格高,既是貴重的裝飾品,又是名貴藥材。我國(guó)的大珠母貝資源本來(lái)就很少,屬于國(guó)家二級(jí)保護(hù)動(dòng)物,過(guò)度利用使其更處于瀕危狀態(tài),因此不能直接用野生大珠母貝進(jìn)行育珠生產(chǎn)而必須使用人工繁殖個(gè)體。人工養(yǎng)殖貝育成的珍珠一致性和質(zhì)量都較高。然而大珠母貝的海區(qū)養(yǎng)殖一直難以成功,幼貝出現(xiàn)大規(guī)模死亡現(xiàn)象,導(dǎo)致其珍珠養(yǎng)殖不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。其原因除了養(yǎng)殖環(huán)境惡化外,種質(zhì)資源的衰退也是重要原因之一。因此開展遺傳選育,改良種質(zhì)是有效開發(fā)大珠母貝資源的重要途徑。在開發(fā)過(guò)程中,對(duì)選育群體進(jìn)行遺傳多樣性分析和監(jiān)測(cè)是十分必要的。微衛(wèi)星DNA是遺傳多樣性分析和分子標(biāo)記輔助育種最適遺傳標(biāo)記之一。但大珠母貝的微衛(wèi)星標(biāo)記數(shù)量不多。Evans等[2]報(bào)道了6個(gè)多態(tài)標(biāo)記和Smith等[3]報(bào)道了8個(gè)微衛(wèi)星標(biāo)記,遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用的需要,因此必須開發(fā)大量的微衛(wèi)星標(biāo)記。

本實(shí)驗(yàn)采用生物素-磁珠富集法和探針雜交相結(jié)合的方法,構(gòu)建了大珠母貝的微衛(wèi)星富集文庫(kù),篩選大珠母貝的微衛(wèi)星標(biāo)記,為大珠母貝的遺傳育種、保護(hù)生物學(xué)和種群遺傳多樣性等研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料來(lái)源

用于微衛(wèi)星分離的大珠母貝樣品于2008年8月采集于海南三亞,用于微衛(wèi)星多態(tài)引物篩選的大珠母貝30個(gè)樣品個(gè)體于2007年7月采集于海南三亞養(yǎng)殖群體,取閉殼肌保存于95%酒精中。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 基因組DNA提取

按照傳統(tǒng)的酚-氯仿法[4]提取基因組DNA,溶于100 μL滅菌雙蒸水中,-20℃保存待用。

1.2.2 基因組DNA酶切、接頭連接與PCR擴(kuò)增

基因組DNA用內(nèi)切酶MseI酶切3 h,20 μL反應(yīng)體系包括：10×NEB Buffer2 2 μL,100×BSA 0.2 μL,MseI (10 U/μL) 0.5 μL,20 mg/LDNA 模板 3 μL,ddH2O 14.3 μL。將酶切產(chǎn)物與雙鏈接頭(接頭A序列為：5′-TAC TCA GGA CTC AT-3′,接頭 B 序列為：5′-GAC GAT GAG TCC TGA G-3′) 于 16 ℃連接過(guò)夜,反應(yīng)體系如下：10 mmol/L T4 DNA ligase緩沖液2 μL,50 mmol/L 接頭 1.8 μL,酶切產(chǎn)物 11 μL,400 U/μL 的T4 DNA ligase 0.2 μL。連接產(chǎn)物用簡(jiǎn)并引物MseI-N[5′-GAT GAG TCC TGA GTA A(N)-3′]進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增,PCR 反應(yīng)總體積 20 μL,包括 10×PCR buffer 2.0 μL,10 mmol/L dNTPs 0.4 μL,50 mmol/LMseI-N 0.2 μL,1UTaq酶,10×連接產(chǎn)物 2 μL。反應(yīng)程序如下：95 ℃預(yù)變性5 min,然后進(jìn)行PCR循環(huán)。循環(huán)參數(shù)為：95℃變性30 s,53 ℃退火1 min,72 ℃延伸1 min,循環(huán)數(shù)進(jìn)行梯度篩選,分別做 14、17、20、23、26個(gè)循環(huán),以確定最佳循環(huán)數(shù),最后72 ℃延伸5 min。

1.2.3 探針雜交與磁珠富集

將雜交緩沖液70 μL、PCR產(chǎn)物25 μL和生物素標(biāo)記的(CA)15探針(10 μmol/L)5 μL 混合,于 65 ℃雜交1 h。結(jié)束后,將磁珠加入到100 mL雜交液中,室溫溫浴 30 min,移去雜交液并保存。用 400 μL的TEN1000[5]于室溫下洗滌磁珠 3次,每次 5 min,保留第 3次的洗脫液。用 400 μL 的 0.2×SSC(含0.1%SDS)洗3次,每次5 min,保留第3次的洗脫液。用 400 μL TEN1000 再洗 5 min,保存洗脫液。加 100 μL TE重懸磁珠,100 ℃水浴10 min,將DNA從磁珠-探針-DNA混合物中分離,水浴結(jié)束后將離心管置于磁架上,吸出含有 DNA片段的洗脫液,然后立刻置于冰上。用100 μL TE再次重懸磁珠,保存洗脫液。以上述6管洗脫液為模板,用引物MseI-N進(jìn)行PCR擴(kuò)增,將 PCR擴(kuò)增產(chǎn)物于 1.5%的瓊脂糖凝膠上電泳,檢測(cè)富集效果。富集效果好的樣品用 DNA Gel Extraction Kit(AXYGEN)回收純化PCR產(chǎn)物,純化產(chǎn)物按常規(guī)方法與pMD20-T載體16 ℃連接過(guò)夜,將連接產(chǎn)物轉(zhuǎn)化到大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞中進(jìn)行培養(yǎng),構(gòu)建微衛(wèi)星富集文庫(kù)。

1.2.4 富集文庫(kù)的篩選、測(cè)序與引物設(shè)計(jì)

挑選單克隆,接種到含有氨卞青霉素的LB培養(yǎng)基中,37 ℃振蕩培養(yǎng)2 h,菌液用載體通用引物和探針序列引物進(jìn)行PCR篩選鑒定,經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠中電泳檢測(cè),選取符合條件的候選克隆送上海生工生物技術(shù)有限公司進(jìn)行DNA測(cè)序。利用Clustal X[6]對(duì)序列特征進(jìn)行分析,并用引物設(shè)計(jì)軟件primer 5.0對(duì)所得的微衛(wèi)星序列設(shè)計(jì)引物。

1.2.5 微衛(wèi)星多態(tài)引物的篩選

將引物稀釋成10 μmol/L,取海南三亞養(yǎng)殖群體共 30個(gè)個(gè)體,進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增,體系如下：10×PCR buffer 2.0 μL,10 mmol/L dNTPs 0.4 μL,10 μmol/L正、反向引物各 0.5 μL,5 g/LTaq酶 0.2 μL,20 mg/L DNA模板2μL,ddH2O 14.4 μL。通過(guò)調(diào)整退火溫度,來(lái)獲得最佳PCR條件,將PCR產(chǎn)物用1.5%瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳,EB染色,將有目的條帶出現(xiàn)的PCR產(chǎn)物再進(jìn)行5%(w/v)聚丙烯酰胺凝膠電泳,篩選具有多態(tài)性的引物。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

統(tǒng)計(jì)每個(gè)位點(diǎn)的等位基因數(shù)量(A),用 Pop-Gen1.32軟件[7]來(lái)計(jì)算群體的有效等位基因數(shù)(Ae)、觀測(cè)雜合度(Ho)和期望雜合度(He)、Hardy-Weinberg平衡偏離指數(shù)(D)以及卡方檢驗(yàn)(PHW)。根據(jù)Botstein等[8]的公式計(jì)算每個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)的多態(tài)性信息含量(CPI),計(jì)算公式如下：

式中fi和fj分別表示某一位點(diǎn)第i個(gè)和第j個(gè)等位基因在群體中的頻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 微衛(wèi)星DNA的分離篩選

用內(nèi)切酶MseI對(duì)基因組 DNA進(jìn)行酶切后用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),發(fā)現(xiàn)酶切片段主要集中在200～1 000 bp,符合構(gòu)建基因組文庫(kù)的要求。通過(guò)探針雜交,磁珠吸附,清洗和洗脫,PCR擴(kuò)增,載體連接和轉(zhuǎn)化等步驟,構(gòu)建了大珠母貝基因組微衛(wèi)星富集文庫(kù),共獲得近 2 000個(gè)陽(yáng)性克隆,隨機(jī)挑選1 200個(gè)克隆進(jìn)行PCR檢測(cè)。選取具有穩(wěn)定擴(kuò)增帶的陽(yáng)性克隆298個(gè)進(jìn)行測(cè)序,分析測(cè)序結(jié)果獲得了211個(gè)含有重復(fù)次數(shù)大于或等于6的微衛(wèi)星序列。211個(gè)序列共含有 251個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn),一般每個(gè)克隆含有1～3個(gè)位點(diǎn),其中1個(gè)克隆含有6個(gè)位點(diǎn),微衛(wèi)星序列長(zhǎng)度大小范圍為 101～787 bp。對(duì)所得微衛(wèi)星位點(diǎn)進(jìn)行分類,發(fā)現(xiàn)(CA/GT)n微衛(wèi)星重復(fù)序列204個(gè),占了絕大多數(shù),此外還發(fā)現(xiàn)了AG、AT、GC、TC、CAA、AGG、GATA、GACA、GTGC、GACG等重復(fù)類型。根據(jù)Weber[9]提出的微衛(wèi)星序列分類標(biāo)準(zhǔn),在所獲得的微衛(wèi)星位點(diǎn)中,完美型159個(gè),占63%; 非完美型80個(gè),占32%; 復(fù)合型12個(gè),占5%。

2.2 微衛(wèi)星引物的篩選

根據(jù)包含微衛(wèi)星位點(diǎn)的序列,用引物設(shè)計(jì)軟件primer 5.0設(shè)計(jì)引物,共設(shè)計(jì)引物90對(duì),隨機(jī)挑選了其中30對(duì)送去上海生物工程有限公司合成。通過(guò)優(yōu)化PCR反應(yīng)條件,篩選出21對(duì)能夠穩(wěn)定擴(kuò)增的引物。將有目的條帶出現(xiàn)的PCR產(chǎn)物再進(jìn)行5%(w/v)聚丙烯酰胺凝膠電泳,篩選出10對(duì)多態(tài)性引物(表1)。

表1 10對(duì)多態(tài)性微衛(wèi)星引物序列Tab.1 Sequences of ten pairs of polymorphic microsatellite primers

表2 10個(gè)微衛(wèi)星多態(tài)性位點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 The statistics of ten microsatellite loci

2.3 微衛(wèi)星位點(diǎn)多態(tài)性分析

使用PopGen1.32軟件對(duì)所得的微衛(wèi)星多態(tài)性位點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,由表2可知,10個(gè)位點(diǎn)共獲得59個(gè)等位基因,其中M412位點(diǎn)檢測(cè)出的等位基因最多(8個(gè)),M393位點(diǎn)的等位基因最少(2個(gè)),大部分位點(diǎn)為5～7個(gè),大小在133～444 bp之間,表現(xiàn)出高度多態(tài)性。有效等位基因數(shù)(Ae)為1.342 3～6.000 0,平均為4.124 0; 觀測(cè)雜合度(Ho)的范圍為 0.300 0～0.800 0,平均為 0.533 3; 期望雜合度(He)范圍為 0.259 3～0.847 5,平均為 0.717 9; 多態(tài)性信息含量(CPI)在0.222 5～0.811 8之間,平均為0.671 4。根據(jù)雜合度計(jì)算的遺傳偏離指數(shù)(D),發(fā)現(xiàn)除了M393和M781位點(diǎn)為正值外,其余各位點(diǎn)均表現(xiàn)為不同程度的雜合子缺失。根據(jù) Hardy-Weinberg平衡的卡方檢驗(yàn)(PHW),只有 M393、M781和 M1758位點(diǎn)處于平衡狀態(tài)(PHW＞0.05),其他位點(diǎn)都不同程度地偏離了平衡。

3 討論

磁珠富集法是一種簡(jiǎn)單快速的篩選微衛(wèi)星的方法,通過(guò)帶有鏈霉親和素的磁珠親和捕捉生物素標(biāo)記的微衛(wèi)星探針結(jié)合的DNA基因組片段,從而獲得高度富集微衛(wèi)星小插入片段的基因組文庫(kù),且獲得的微衛(wèi)星重復(fù)序列的比例比小克隆的比例高[10],目前國(guó)內(nèi)外較多采用這種方法[11,12]。本實(shí)驗(yàn)在所測(cè)298個(gè)克隆中有 211個(gè)含有微衛(wèi)星序列,陽(yáng)性克隆率高達(dá)70.81%。姬長(zhǎng)虹等[13]的報(bào)道為95.3%,李小寧等[14]為 88.5%,說(shuō)明此法是一種高效快速的微衛(wèi)星標(biāo)記分離方法。但貝類多態(tài)位點(diǎn)的篩選效率相對(duì)較低,需要設(shè)計(jì)大量的引物才能獲得為數(shù)不多的多態(tài)標(biāo)記[15],本實(shí)驗(yàn)合成的 30對(duì)引物中僅有10對(duì)擴(kuò)增出具有多態(tài)性的目的條帶,曲妮妮等[16]在篩選合浦珠母貝微衛(wèi)星標(biāo)記的研究中49對(duì)引物只有9對(duì)具有多態(tài)性。出現(xiàn)這類情況的原因可能與貝類個(gè)體之間的遺傳變異程度較大有關(guān)。Arias 等[17]對(duì)扇貝的 SNPs檢測(cè),發(fā)現(xiàn)大約 100 個(gè)堿基就出現(xiàn) 1 次 SNP。Sauvage等[18]對(duì)太平洋牡蠣(Crassostrea gigas) 的研究,發(fā)現(xiàn)在編碼區(qū)平均每60 bp 出現(xiàn)1 次SNPs,在非編碼區(qū)每40 bp 就出現(xiàn)1 次SNPs。這些高頻率的點(diǎn)突變?yōu)槲⑿l(wèi)星引物的擴(kuò)增篩選帶來(lái)了很大困難。

在動(dòng)物基因組中微衛(wèi)星大約 6～10 kb就出現(xiàn)一次[19],其中二堿基重復(fù)類型(CA/GT,AG/TC,AT/TA)的微衛(wèi)星最為常見[20,21]。本實(shí)驗(yàn)采用了其中的(CA)15探針,在所得的 251個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)中,含(CA/GT)n的有 204個(gè),約占總數(shù)的 81%,其次是(AG/TC)n和(AT)n,各有24和6個(gè),分別占總數(shù)的10%和2%。結(jié)果表明在大珠母貝中除了有大量的雙堿基序列外,還有其他三堿基、四堿基和四堿基以上的微衛(wèi)星序列,因此可以考慮采用其他類型的探針研究開發(fā)大珠母貝基因組微衛(wèi)星,以便獲得更多的微衛(wèi)星分子標(biāo)記。

微衛(wèi)星核心序列突變率相對(duì)較高,造成了微衛(wèi)星核心序列重復(fù)次數(shù)的變化,這是微衛(wèi)星多態(tài)性的基礎(chǔ)[22]。Ellegren[23]認(rèn)為真核生物中微衛(wèi)星重復(fù)堿基重復(fù)序列長(zhǎng)度大多在30次重復(fù)以下,本實(shí)驗(yàn)所得序列重復(fù)次數(shù)在8～25的有58%,與上述分析微衛(wèi)星的結(jié)論相似。關(guān)于微衛(wèi)星重復(fù)數(shù)與多態(tài)性的關(guān)系,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為微衛(wèi)星重復(fù)次數(shù)與多態(tài)性之間存在正相關(guān),Valdes[24]認(rèn)為重復(fù)次數(shù)低于 5的微衛(wèi)星幾乎檢測(cè)不出多態(tài)性,一般微衛(wèi)星的核心序列重復(fù)次數(shù)越高,其等位基因數(shù)也就越多,即多態(tài)性也就越高[25]。但較長(zhǎng)的(AT)n容易形成二級(jí)結(jié)構(gòu)而造成PCR效率下降,以及在電泳分離中造成較大誤差,并會(huì)給測(cè)序工作帶來(lái)一些麻煩[26]。本研究所得的大珠母貝微衛(wèi)星序列中,除去(AT)n重復(fù)單元以外,重復(fù)次數(shù)在 5次以上的約占94%。因此理論上講,設(shè)計(jì)的引物可以進(jìn)行群體的遺傳多樣性研究

雜合度是度量群體變異的一個(gè)重要參數(shù)[27],包括觀測(cè)雜合度和期望雜合度。本實(shí)驗(yàn)所獲得的10個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)有 8個(gè)位點(diǎn)的觀測(cè)雜合度低于期望雜合度,其范圍相應(yīng)地低于Smith等[3]報(bào)道的Ho(0.479～0.891)和He(0.872～0.972),與 Evans 等[2]報(bào) 道 的Ho(0.172～0.813)和He(0.163～0.878)比較接近,與谷龍春等[28]報(bào)道的Ho(0.167～0.833)相近,而略低于其He(0.658～0.915)。CPI值是等位基因頻率和數(shù)目變化的函數(shù),是衡量片段多態(tài)性的較好指標(biāo),能反映出某個(gè)遺傳標(biāo)記所含的遺傳信息容量。根據(jù) Bostein等[8]提出的衡量基因變異程度高低的多態(tài)信息含量指標(biāo),當(dāng)CPI＞0.5 時(shí),該基因座為高度多態(tài)基因座;當(dāng) 0.25 ＜CPI＜ 0.5 時(shí),為中度多態(tài)基因座; 當(dāng)CPI＜0.25 時(shí),則為低度多態(tài)基因座。試驗(yàn)中開發(fā)的10個(gè)微衛(wèi)星基因座除M393為低度多態(tài)性外,其他9個(gè)均為高度多態(tài)性,表明這些微衛(wèi)星位點(diǎn)適合大珠母貝的遺傳多樣性研究。結(jié)果為進(jìn)一步開展大珠母貝的遺傳多樣性、遺傳連鎖圖譜構(gòu)建和遺傳選育等研究工作奠定了一定基礎(chǔ)。

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