山核桃SSR標記的初步開發(fā)

宋 雙，黃銀芝，董雷鳴，黃有軍，曾燕如，吳智敏

（1.浙江農林大學 亞熱帶森林培育國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300；2.浙江省龍泉市林業(yè)局，浙江 龍泉 323700）

簡單重復序列（simple sequence repeat，SSR）是一類一般由1～6個堿基組成的基元重復串聯而成的脫氧核糖核酸（DNA）序列[1]，基元重復次數一般為10～50，同一類微衛(wèi)星DNA可分布在基因組的不同位置上；基因組中SSR多態(tài)性較豐富，呈共顯性遺傳，所以可提供的信息量較高，結果穩(wěn)定可靠[2]。SSR標記分為兩大類，即基因組SSR（genomic SSR）和表達序列標簽SSR（expression sequence tag-SSR，ESTSSR）?；蚪MSSR是基于基因組序列開發(fā)的，采用構建基因組文庫的方法，開發(fā)耗時費力，而且因為探針的緣故，種類有一定的局限性；EST-SSR是指存在于基因表達序列內的SSR，不包括存在于內含子及非表達調控區(qū)之中的SSR[3-4]，它基于cDNA文庫的構建及cDNA測序。Scott等[5]從5000條葡萄屬Vitis EST中開發(fā)了124個SSR。EST-SSR標記不僅具有基因組SSR標記多態(tài)性高、共顯性、重復性好的特點，而且開發(fā)成本相對低廉，在種屬間具有良好的通用性[6]。另外，由于部分EST-SSR標記來自于基因的編碼區(qū)，所以更容易獲得基因表達的信息，可為功能基因的直接鑒定提供重要依據[7]。目前，該分子標記已被廣泛應用于品種指紋鑒定[8-9]、遺傳連鎖圖譜構建[10-11]、遺傳多樣性分析[12-13]和分子標記輔助育種[2，14-15]， 在諸如小麥 Triticum aestivum[16-17]， 大豆 Glycine max[18-19]， 葡萄 Vitis vinifera[5]， 胡椒 Lindera sp.[20]， 白菜 Brassica campestris[21]， 水稻 Oryza sativa[22]， 獼猴桃 Actinidia chinensis[23]等植物中已成功開發(fā)了EST-SSR標記，但尚無山核桃Carya cathayensis EST-SSR標記的報道。山核桃是浙江省重要的經濟樹種。近年來隨著研究的深入，已陸續(xù)在山核桃中建立了擴增片段長度多態(tài)性（amplified fragment length polymorphism，AFLP）[24]， 隨機擴增多態(tài) DNA （random amplified polymorphic DNA， RAPD）[25]， 微衛(wèi)星間隔片段多態(tài)性（inter-simple sequence repeat， ISSR）[26]， 序列相關擴增多態(tài)性 SRAP（sequence-related amplified polymorphism，SRAP）[27]標記分析體系，并將它們應用于山核桃遺傳研究。研究發(fā)現：將這些標記應用于天然群體山核桃樣品的分析，多態(tài)性總是不豐富[26-29]。這一方面與山核桃本身的遺傳特性有關，另一方面與分子標記本身的局限性有關。上述分子標記均為顯性標記，不能區(qū)分顯性純合位點與顯性雜合位點，盡管SRAP相對而言可顯示部分共顯性[30-31]。因此，有必要開發(fā)諸如SSR的山核桃共顯性標記，以深化山核桃的遺傳研究。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 EST-SSR引物設計的數據源 黃銀芝等[32]以山核桃果實油脂形成、轉化、積累關鍵時期的果實為材料，構建了一個滴度為5.0×109空斑形成單位（pfu）·mL-1的山核桃脂肪代謝相關cDNA文庫，并對部分cDNA片段進行了克隆測序。以序列分析中發(fā)現的含有SSR堿基重復特點的序列作為EST-SSR引物設計的數據源。

1.1.2 供試山核桃 5月，山核桃幼葉充分展開后，在山核桃產區(qū)采集40個單株的葉片，各單株在同一地點彼此間至少相距100 m。采樣地點主要分布在山核桃主產區(qū)浙江省臨安市的島石、馬嘯、頰口、昌化、龍崗、橫路、順溪、湍口等地，所有單株均為野生成年大樹。

1.2 方法

1.2.1 EST-SSR引物的設計 對含有SSR堿基重復特點的cDNA序列，利用Primer Premier 5（http：//www.premierbiosoft.com/crm/jsp/com/pbi/crm/clientside/ProductList.jsp）進行引物設計。參照軟件說明書設置引物設計參數：產物長度為100～300 bp；引物長度為18～25 bp；退火溫度為45～65℃，且上下游引物的退火溫度相差不大于5℃；引物堿基（GC）為40%～60%；盡量避免引物二級結構的出現。

1.2.2 DNA的提取 借鑒郭金劍[29]建立的適用于山核桃葉片DNA的提取方法，即改良十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）法提取基因組DNA。DNA經吸光度值D（λ）測定及電泳檢測，質量達到要求的稀釋到100 mg·L-1用于 SSR 分析。

1.2.3 SSR反應體系的優(yōu)化 本研究在郭金劍[29]建立的適用于山核桃的SSR反應體系的基礎上，根據實驗中出現的現象，對DNA模板用量及聚合酶鏈式反應（PCR）循環(huán)數進行優(yōu)化，得到山核桃SSR最佳反應體系。

1.2.4 擴增產物檢測及SSR引物篩選 EST-SSR引物由上海生工生物工程技術有限公司合成。先取3個樣品的DNA對引物進行粗篩，即用優(yōu)化的SSR反應與擴增體系擴增DNA后，通過10.0 g·L-1的瓊脂糖凝膠電泳分離，檢測引物是否有擴增產物。對有擴增產物的引物對，再用來自天然群體的40個山核桃單株樣品進行擴增，擴增產物采用100.0 g·L-1非變性聚丙烯酰胺凝膠，在1×三羥基氨基甲烷-硼酸（TBE）電泳緩沖液中150 V恒壓電泳1.5～2.0 h；電泳結束后，凝膠用蒸餾水清洗1 min；隨后2.0 g·L-1的硝酸銀和體積分數為10%乙醇溶液固定銀染10 min；再用蒸餾水漂洗2次，2 min·次-1，后在20.0 g·L-1氫氧化鈉和體積分數為0.4%甲醛混合溶液中顯色，最后清水漂洗凝膠，并在BIO-RAD GS800成像系統中拍照保存。

1.2.5 數據分析 由于SSR為共顯性標記，可以區(qū)分顯性純合子和顯性雜合子，因此電泳結果按照共顯性標記的讀帶方法：若條帶間距離在20 bp以內，則視為1個雜合位點，2條帶分別讀為A，B帶；若20 bp以內只有1個條帶，則視為純合位點，讀為AA或BB。

1.2.6 山核桃SSR標記與其它標記分析結果的比較 本課題組已建立了山核桃AFLP，RAPD，ISSR，SRAP標記分析體系。本研究將SSR開發(fā)的初步實驗結果與其余4種標記體系分析的結果進行了比較。

2 結果與分析

2.1 EST-SSR引物的設計

從1010個測序的cDNA克隆中得到了188條非冗余序列，發(fā)現43個cDNA序列具有SSR堿基重復特點。利用Primer Premier 5進行引物設計，其中基于9個cDNA序列設計的引物達不到設置的引物參數要求。因此，最后共設計SSR引物34對（表1）。

表1 開發(fā)的山核桃SSR引物序列及在供試樣品中檢測到的總位點數Table1 Sequences of the SSR primers developed and the total loci detected in Carya cathayensis

表1 （續(xù)）

2.2 DNA的提取

從供試樣品中提取的基因組DNA D（λ）260/D（λ）280都為1.8～2.0，且DNA電泳條帶明亮、清晰，純度較高，可用于后續(xù)SSR分子標記的分析。

2.3 SSR體系的優(yōu)化

經過試驗過程不斷優(yōu)化，最終PCR產物電泳的擴增條帶清晰，無拖尾、條帶很粗，確定10.0 μL的PCR反應體系為：10×緩沖液 （buffer）1.0 μL，氯化鎂 （MgCl2）1.0 μL，三磷酸堿基脫氧核苷酸 （dNTP）0.3 μL， SSR 正反向引物（濃度為 10μmol·L-1）各 0.5 μL， Taq DNA 聚合酶 0.1 μL（上海申能博彩生物科技有限公司）， 模板 DNA（100 mg·L-1） 0.5 μL， 加無菌雙蒸水（ddH2O）至終體積 10.0 μL； PCR 擴增條件為：94℃預變性5 min；隨后30個循環(huán)，每個循環(huán)94℃變性30 s，退火30 s，72℃延伸60 s；最后72℃延伸3 min，其中退火溫度各引物對有所不同（表1）。與郭金劍[29]建立的山核桃SSR體系相比較，本實驗反應體系中的緩沖液用量減少了0.5 μL，Taq DNA聚合酶用量減少了0.1 μL，DNA用量減少了200 ng；郭金劍在其實驗中使用了30.0 g·L-1的瓊脂糖凝膠，而在本實驗中采用的是分辨率更佳的非變性聚丙酰胺凝膠電泳（PAGE）。因此，反應體系中一些組分的用量有所減少，而電泳結果更加清晰。

基于各SSR引物對在3個DNA樣品中的擴增結果，在瓊脂糖凝膠中對引物對進行了初步的篩選。34對引物中有4對引物無擴增產物（圖1）。對有擴增產物的引物對，用40個樣品進行PCR擴增，擴增產物采用非變性PAGE電泳，結果30對引物有擴增產物（圖2），但其中3對引物的擴增產物在500 bp以上。按照引物設計的參數，預期的擴增產物為100～300 bp。因此，這3對引物的擴增屬非特異性擴增。最終確認可用的SSR引物為27對（表1）。

圖1 山核桃SSR引物初步篩選電泳圖（部分）Figure1 Preliminary screening of SSR primers in Carya cathayensis （partial）

圖2 山核桃SSR標記分析電泳圖（部分；引物對：SSR34）Figure2 Electrophorogram of SSR markers in Carya cathayensis （partial； primer pair： SSR34）

此外，在可用的27對引物的擴增產物中，按照重復基元的種類劃分，可將引物分為3種重復基元的引物，其中二核苷酸重復基元出現的頻率最高，為66.7%；其次分別為三核苷酸和四核苷酸重復，它們分別占30%和3.3%。二堿基重復基元中出現頻率較多的重復基元是（A/T）n和（T/C）n，它們各占二核苷酸重復基元引物的35%和45%（表2）。

表2 山核桃EST-SSR引物擴增產物的重復基元特性Table2 Repeat contigs of SSR primer-amplified products in Carya cathayensis

2.4 SSR標記與其他標記分析結果的比較

27對SSR引物對40個山核桃樣品進行分析，共擴增得到46個位點，平均每對引物產生1.7個位點，其中雜合位點28個，占總位點數的60.9%；純合位點18個，占位點數的39.1%。27對引物中有18對在供試樣品中擴增出22個多態(tài)性位點，占總位點數的47.8%。

與本課題組建立或優(yōu)化的山核桃其他分子標記[28-29，33]相比較，SSR標記多態(tài)性位點的比例較高，且能夠區(qū)分顯性純合位點及顯性雜合位點外，但其余各指標均不如顯性標記（表3）。SSR多態(tài)性產生的機制是因為DNA復制和修復過程中堿基的滑動、錯配或減數分裂過程中姊妹染色單體的不均等交換[34]；山核桃EST-SSR標記檢測的位點數為1～3個，遠不如其他顯性標記。當然，多態(tài)性分析反映的是物種的遺傳多樣性，與該物種的本質特性有關。因此，利用SSR分析研究遺傳多樣性時，為獲得一定數量的多態(tài)位點用于遺傳分析，通常所需的SSR引物較多。對山核桃而言，還需繼續(xù)開發(fā)SSR引物。

表3 山核桃各種分子標記擴增結果的比較Table3 Comparison among the amplification results of various molecular markers in Carya cathayensis

3 討論

Silva等[35]通過研究甘蔗Saccharum sinensis EST，設計了20對EST-SSR引物，并利用這些引物研究了甘蔗栽培種和甘蔗屬Saccharum內種間的多態(tài)性，結果表明EST-SSR具有較高的種間保守性。鑒于SSR標記的共顯性及種屬特異性，其開發(fā)的成本往往較高，因涉及文庫的構建及序列的測定。本研究基于cDNA文庫構建及部分測序結果，開發(fā)了27對山核桃EST-SSR引物，為后續(xù)SSR引物的進一步開發(fā)打下了實驗基礎。山核桃SSR標記的進一步開發(fā)，可以在現有文庫cDNA測序的基礎上繼續(xù)進行。此外，黃有軍[36]以山核桃雌花成花過程的花芽RNA為材料，結合454測序，共獲得了1575個具有SSR堿基重復特點的序列。這些材料都可以作為山核桃EST-SSR標記進一步開發(fā)的數據源。

cDNA為基因表達過程產生的mRNA反轉錄而來，不含內含子序列。不同物種同一基因cDNA序列進行比對時或多或少具有一定的相似性。因此，理論上基于EST序列開發(fā)的SSR引物對的通用性要優(yōu)于基于基因組文庫開發(fā)的SSR引物對，盡管仍存在種屬特異性的特點。本研究小組正在進行山核桃與美國山核桃Carya illinoinensis正反交研究，擬將從山核桃中開發(fā)的EST-SSR標記用于同屬兩物種正反交子代的分析，進一步驗證所開發(fā)標記的通用性。

本研究對山核桃EST-SSR標記進行了開發(fā)，初步獲得27對可用的SSR引物。研究的實驗結果將為深入研究山核桃的遺傳多樣性、種質資源評價等奠定基礎。

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