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    扇貝科染色體研究進(jìn)展

    2013-10-13 08:16:40胡麗萍黃曉婷張玲玲包振民
    海洋科學(xué) 2013年8期
    關(guān)鍵詞:著絲粒扇貝核型

    胡麗萍, 黃曉婷, 張玲玲, 陸 維, 包振民

    (1. 海洋生物遺傳學(xué)與育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院, 山東 青島 266003; 2. 煙臺(tái)市水產(chǎn)研究所, 山東 煙臺(tái) 264000)

    扇貝科(Pectinidae)有300多個(gè)現(xiàn)存種, 是雙殼貝類中重要的一支, 廣泛分布于世界的各大洋中, 并且具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。櫛孔扇貝(Chlamys farreri)、海灣扇貝(Argopecten irradians irradians)、蝦夷扇貝(Patinopecten yessoensis)、華貴櫛孔扇貝(Mimachlamys nobilis)是我國(guó)主要的扇貝養(yǎng)殖種類,養(yǎng)殖年產(chǎn)量達(dá)120萬t多, 居世界首位。隨著近年來扇貝養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展, 其遺傳育種研究取得顯著成果, 細(xì)胞遺傳學(xué)是遺傳育種研究的基礎(chǔ), 也是開展遺傳育種工作的重要理論依據(jù)。扇貝的細(xì)胞遺傳學(xué)研究主要涉及核型分析、染色體鑒別、細(xì)胞遺傳學(xué)圖構(gòu)建以及染色體結(jié)構(gòu)和功能分析。由于扇貝染色體數(shù)目多, 形態(tài)接近, 很難從形態(tài)上區(qū)分不同的染色體, 這在較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi), 阻礙著細(xì)胞遺傳學(xué)研究的深入開展。到目前為止, 國(guó)內(nèi)外已有核型報(bào)道的扇貝僅有 14種, 開展了帶型研究的扇貝有 8種,近年來熒光原位雜交技術(shù)在扇貝細(xì)胞遺傳學(xué)中的應(yīng)用, 加快了扇貝染色體的研究進(jìn)程, 包括在扇貝染色體進(jìn)化、細(xì)胞遺傳學(xué)圖構(gòu)建、功能基因定位等方面均取得了突破性進(jìn)展[2-27]。本文總結(jié)近年來扇貝染色體研究的相關(guān)文獻(xiàn), 對(duì)扇貝染色體研究方面近年來取得的成果進(jìn)行綜述, 并對(duì)將來的應(yīng)用前景作一展望。

    1 染色體組型研究

    染色體組型代表了一個(gè)物種或個(gè)體在染色體水平上的表型, 它主要包括兩部分內(nèi)容: 染色體數(shù)目和染色體形態(tài)。由于不同研究者所采用實(shí)驗(yàn)條件的差異, 可能導(dǎo)致染色體組型分析結(jié)果略有不同。因而,染色體組型只能對(duì)物種染色體的特征做出較粗略的描述。目前國(guó)內(nèi)外有染色體組型報(bào)道的扇貝有14種(表1), 染色體數(shù)目主要為2n=26, 32, 38, 其中具有38條染色體的有10種, 32條的有3種, 26條的僅有1種, 為女王扇貝[19]。這些數(shù)據(jù)支持扇貝科祖先單倍體染色體數(shù)目為19的假說[28-29], 該假說基于4個(gè)屬的大部分物種單倍體染色體數(shù)目為19的事實(shí)。根據(jù)已報(bào)道的核型公式, 扇貝科種類的核型變化差異較大, 絕大多數(shù)既有m/sm類型又含有t/st類型的染色體, 僅有海灣扇貝的染色體全部為t/st類型。我國(guó)主要養(yǎng)殖的4種扇貝, 核型公式均有報(bào)道, 櫛孔扇貝的核型公式 6m+10sm+22st, 蝦夷扇貝的核型公式6m+10sm+16st+6t, 海灣扇貝的核型公式 6st+2st/t+24t, 華貴櫛孔扇貝的核型公式6m+26t。

    目前, 扇貝科物種的染色體研究進(jìn)展仍然比較緩慢, 這與該類群染色體研究的某些限制有關(guān)。一般來說,要想獲得比較滿意的分裂相, 以胚胎細(xì)胞取材較好,但這種取材方式受到貝類繁殖季節(jié)和取材的嚴(yán)重限制。此外, 利用生殖腺細(xì)胞同樣受到季節(jié)限制, 而且這一時(shí)期的染色體長(zhǎng)度很小, 不利于進(jìn)行常規(guī)核型分析[30]。如果利用成體的組織(如鰓), 雖然這種取材途徑具有方便、快捷, 并且不受季節(jié)的限制, 但是由于成體代謝速度較慢而得到的分裂相很少。培養(yǎng)細(xì)胞也是進(jìn)行染色體研究的優(yōu)良材料, 但是軟體動(dòng)物的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)至今也沒有大的突破。另外, 貝類動(dòng)物的染色體通常較小, 研究難度比較大, 很多種類的核型差別不大, 難以區(qū)分。這些因素都嚴(yán)重限制了貝類染色體研究的進(jìn)程。

    2 染色體帶型研究

    顯帶技術(shù)能顯示染色體的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 提供更多具染色體鑒定性特征的信息。它不僅能更準(zhǔn)確地對(duì)同源染色體進(jìn)行配對(duì), 而且能更精細(xì)地分析染色體的結(jié)構(gòu)和變化。已在動(dòng)、植物和人類染色體研究中成為鑒定染色體組或個(gè)別染色體、探討物種進(jìn)化及分析物種分類等問題的有效手段之一。關(guān)于扇貝染色體帶型的報(bào)道, 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)均不太多, 這很大程度上與貝類缺乏細(xì)胞培養(yǎng)體系, 難以得到高質(zhì)量的染色體標(biāo)本有關(guān)。目前僅在少數(shù)物種中有過相關(guān)報(bào)道, 見表1。

    2.1 C帶

    C帶主要顯示染色體的異染色質(zhì)部分, 具有物種的染色體特異性, 即每條染色體上帶的數(shù)目、位置、寬窄及染色深淺等均具有相對(duì)的穩(wěn)定性, 可被用來鑒別染色體和研究染色體的結(jié)構(gòu)與功能。由于 C帶的多態(tài)性, 在研究物種的親緣關(guān)系和進(jìn)化上也是非常有用的。目前僅有3種扇貝開展了C帶分析(表1),扇貝的C帶多位于著絲粒位置, 如女王扇貝, 其C帶主要為著絲粒帶及中間帶;Nodipecten nodosus的C帶主要存在于近著絲粒, 以及部分端部和中間區(qū)域;海灣扇貝的 C帶主要分布于著絲粒區(qū)、端部和少量中間區(qū)域。

    2.2 NORs帶

    NORs顯帶技術(shù)是用于顯示核仁組織區(qū)(NORs)的方法, 最初由Matsui和Sasaki報(bào)道[31]。不少研究者發(fā)現(xiàn), 銀染色的不是核糖體基因(rDNA)的本身,而是與核糖體轉(zhuǎn)錄有關(guān)的一種酸性蛋白。因此, 銀染色的是有轉(zhuǎn)錄活性的NORs, 一般NORs位于次縊痕的位置。不同物種NORs的位置和數(shù)目均不同, 甚至同一種物種的不同品種 NORs出現(xiàn)的頻率也存在多態(tài)性。因此, 常用這種方法研究物種進(jìn)化、親緣關(guān)系。NORs帶在扇貝中的研究略多于C帶, 共有8個(gè)物種有過報(bào)道(表 1), 其中櫛孔扇貝 1~2對(duì) NORs帶,Hinnites distortus1~2對(duì) NORs帶, 女王扇貝 1~2對(duì)NORs帶,M. varia和南極扇貝有1對(duì)NORs帶, 海灣扇貝有2對(duì)NORs帶, 紫扇貝的NOR有3~5對(duì)NORs帶,N. nodosus有2~4對(duì)NORs帶。扇貝NORs帶出現(xiàn)多態(tài)現(xiàn)象, 這在其他雙殼貝類如貽貝中也報(bào)道過[32],暗示雙殼貝類個(gè)體/細(xì)胞間rDNA轉(zhuǎn)錄活性存在差異。另外, NORs帶的數(shù)目一般隨演化程度的提高由少變多, 扇貝NORs數(shù)據(jù)對(duì)揭示其進(jìn)化關(guān)系有一定幫助。

    2.3 熒光帶

    熒光帶型是根據(jù)熒光染料(DAPI, PI, CMA3等)在染色體不同結(jié)構(gòu)區(qū)域顯示的顏色深淺不同而產(chǎn)生的帶型, 通常用于揭示染色體上的 AT/GC富含區(qū),該帶型可作為識(shí)別特定染色體的重要標(biāo)志[30]。目前共有6種扇貝開展了熒光帶研究, 包括櫛孔扇貝, 蝦夷扇貝,H. distortus, 紫扇貝, 海灣扇貝和南極扇貝。扇貝的熒光帶主要出現(xiàn)在著絲粒, 端部以及少量中間區(qū)域, 與 C帶結(jié)果經(jīng)常呈現(xiàn)一致的現(xiàn)象, 都反映的是染色體上組成型異染色質(zhì)區(qū)域。

    2.4 RE帶

    應(yīng)用限制行內(nèi)切酶(RE)特異性的識(shí)別位點(diǎn), 在染色體上進(jìn)行原位酶切, 通過染料染色使染色體表現(xiàn)出物種特有的帶型的方法。該方法僅在南極扇貝中有過報(bào)道, 分別應(yīng)用AluI, HaeIII和Sau3A三種限制性內(nèi)切酶對(duì)染色體進(jìn)行原位酶切, 僅 HaeIII酶切后產(chǎn)生出與C帶相似的帶型結(jié)果。

    3 FISH技術(shù)在扇貝染色體研究中的應(yīng)用

    熒光原位雜交(Fluorescence in situ hybridization,簡(jiǎn)稱FISH)技術(shù)是一種靈敏、快速、準(zhǔn)確有效的染色體分析技術(shù), 已被廣泛用于動(dòng)植物分子細(xì)胞遺傳學(xué)的研究, 如染色體鑒定、基因作圖及染色體進(jìn)化等。隨著不同種類熒光探針的獲得, 雙殼貝類染色體的研究獲得快速的發(fā)展, 尤其是在2000年之后(表1)。目前, 該技術(shù)已應(yīng)用在 10種扇貝中, 被定位的探針涉及 rDNA, 端粒序列, 基因, 大片段基因組文庫克隆(fosmid, BAC)。

    3.1 rDNA基因的定位

    利用FISH技術(shù)對(duì)rDNA的定位, 可以了解基因組中的核仁組織區(qū)域(NORs)的分布狀況, 與 NORs帶結(jié)果一致。在扇貝中, 共有10種扇貝的rDNA得到了定位(表 1)。18SrDNA在 6種扇貝包括女王扇貝、櫛孔扇貝、華貴櫛孔扇貝、歐洲大扇貝、南極扇貝和M. varia均顯示1對(duì)位點(diǎn); 3種扇貝包括海灣扇貝、蝦夷扇貝和H. distortus顯示2對(duì)位點(diǎn); 而紫扇貝染色體上顯示了6~7個(gè)位點(diǎn)。5S rDNA在女王扇貝、海灣扇貝、紫扇貝和華貴櫛孔扇貝顯示 2對(duì)信號(hào)位點(diǎn), 但前三種扇貝的信號(hào)位點(diǎn)位于相同的染色體上鄰近區(qū)域, 而華貴櫛孔扇貝的5SrDNA信號(hào)分別位于兩條染色體上。在歐洲大扇貝、櫛孔扇貝、蝦夷扇貝、M. varia和H. distortus均顯示1對(duì)信號(hào)位點(diǎn)。

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    rDNA的FISH定位結(jié)果已被用于扇貝的進(jìn)化分析。如根據(jù)海灣扇貝和櫛孔扇貝的核型及 rDNA的定位結(jié)果, 支持扇貝科祖先的單倍體染色體數(shù)目為19, 且根據(jù)櫛孔扇貝擁有 1對(duì) 18SrDNA位點(diǎn), 1對(duì)5SrDNA位點(diǎn)且位于相同染色體上, 而海灣扇貝擁有2對(duì)18SrDNA位點(diǎn), 1對(duì)5SrDNA位點(diǎn)且分別位于3對(duì)染色體上, 認(rèn)為櫛孔扇貝在進(jìn)化地位上比較古老,而海灣扇貝為進(jìn)化而來的[3]。根據(jù)南極扇貝和H.distortus擁有非端部的rDNA位點(diǎn), 且均擁有38條染色體, 但核型公式不同, 推測(cè)在染色體進(jìn)化過程中發(fā)生過染色體倒位[25]。而華貴櫛孔扇貝的18SrDNA定位在1對(duì)長(zhǎng)的中部著絲粒染色體的著絲粒區(qū)域, 這在扇貝科物種甚至雙殼貝類中都是非常罕見的, 而且該扇貝染色體數(shù)目?jī)H有 32條, 依據(jù)扇貝科祖先單倍體染色體數(shù)目為19的假說, 可以推測(cè)華貴櫛孔扇貝的這條長(zhǎng)的中部著絲粒染色體是通過羅伯遜融合進(jìn)化來的[6]。

    3.2 端粒序列的定位

    端粒是指染色體末端所特有的帽子片段。脊椎動(dòng)物的端粒大部分為(TTAGGG)的核苷酸重復(fù)。而大部分貝類的端粒序列還是未知的。應(yīng)用 FISH技術(shù),脊椎動(dòng)物端粒序列(TTAGGG)7定位在 5種扇貝所有染色體端部, 包括櫛孔扇貝, 蝦夷扇貝, 華貴櫛孔扇貝, 紫扇貝和海灣扇貝, 因此重復(fù)序列(TTAGGG)n很有可能就是扇貝的端粒序列。

    3.3 組蛋白H3基因的定位

    組蛋白(histone)是所有真核生物染色體內(nèi)與DNA結(jié)合的堿性蛋白質(zhì)。不同生物中組蛋白基因在基因組中的排列不同, 沒有特定的排列方式, 而在拷貝數(shù)高的基因組中(>100拷貝), 大部分的組蛋白基因呈串聯(lián)重復(fù)的基因簇形式存在。應(yīng)用FISH技術(shù),組蛋白 H3基因已經(jīng)定位在了 4種扇貝的染色體上(表 1), 分別為櫛孔扇貝的一對(duì)亞中部著絲粒染色體短臂端部, 蝦夷扇貝的一對(duì)亞中部著絲粒染色體的短臂中部以及一對(duì)亞端部著絲粒染色體的長(zhǎng)臂中部,華貴櫛孔扇貝的一對(duì)端部著絲粒染色體端的長(zhǎng)臂端部, 海灣扇貝的一對(duì)端部著絲粒染色體的長(zhǎng)臂的中部, 根據(jù)組蛋白H3基因在4種扇貝染色體上的位置及數(shù)目, 推測(cè)基因復(fù)制/缺失、倒位和易位在扇貝科物種染色體在進(jìn)化過程中發(fā)生了重要作用。

    3.4 大片段基因組文庫克隆的染色體定位

    由于單/低拷貝基因常為1至數(shù)kb小片段DNA,進(jìn)行FISH定位時(shí)雜交靈敏度和信號(hào)檢出率嚴(yán)重受限。大片段基因組文庫, 如Fosmid、P1、BAC、PAC等, 由于其較大的插入片段而成為實(shí)現(xiàn)單/低拷貝基因序列定位理想的探針來源, 利用大片段基因組文庫克隆制備成探針將大大提高單/低拷貝基因定位的成功率。隨著近年來基因組學(xué)研究的快速發(fā)展, 櫛孔扇貝的fosmid文庫[33], BAC文庫[34-35]得到構(gòu)建。利用櫛孔扇貝fosmid文庫, Zhang等[8]將19個(gè)fosmid克隆進(jìn)行了FISH定位研究, 并利用其中8個(gè)克隆實(shí)現(xiàn)了櫛孔扇貝8對(duì)染色體的識(shí)別鑒定。利用櫛孔扇貝BAC基因組文庫, 郇聘等[9-11]和黃超等[13]將4個(gè)包含抗性基因的BAC克隆定位到染色體上。胡麗萍[14]利用BAC-FISH技術(shù)實(shí)現(xiàn)了櫛孔扇貝SSR遺傳連鎖圖譜與染色體圖譜的整合, 并篩選出一套可以識(shí)別櫛孔扇貝所有染色體的探針組合, 建立了包含70個(gè)標(biāo)記的櫛孔扇貝細(xì)胞遺傳學(xué)圖譜。

    4 問題與展望

    扇貝的染色體研究, 相對(duì)于很多哺乳動(dòng)物和植物而言還是非常滯后的, 還未見關(guān)于扇貝染色體的精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究報(bào)道, 扇貝染色體識(shí)別鑒定、染色體進(jìn)化的研究也還處于起步階段。隨著扇貝高密度遺傳連鎖圖譜的構(gòu)建, 基因組計(jì)劃的開展, 建立扇貝BAC-FISH技術(shù)體系, 整合染色體圖譜與遺傳連鎖圖譜, 將有助于輔助扇貝基因組的拼接組裝, 揭示扇貝染色體的基本結(jié)構(gòu)與功能以及開展功能基因組的研究。

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