馬鈴薯全基因組LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子分析

摘要：采用LTR-FINDER軟件對(duì)馬鈴薯（Solanum tuberosum）全基因組中的LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子進(jìn)行分析，共發(fā)現(xiàn)4 725個(gè)全長(zhǎng)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，平均長(zhǎng)度約7 393 bp，其中反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的LTR平均長(zhǎng)度為786 bp，全長(zhǎng)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子總堿基數(shù)約占馬鈴薯全基因組堿基數(shù)的4.95%。系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果顯示馬鈴薯LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子具有較高的遺傳多樣性和異質(zhì)性。

關(guān)鍵詞：LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子；馬鈴薯（Solanum tuberosum）；基因組；系統(tǒng)發(fā)育樹

中圖分類號(hào)：S532 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）17-4235-03

Analysis on LTR Retrotransposons in Potato Genome

LI Zhi-fei1，LI Wei-tao2，YA Hui-yuan1

（1. Life Science Department， Luoyang Normal University， Luoyang 471022，Henan，China；

2.Henan Key Lab of Ion Beam Bioengineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450052，China）

Abstract： LTR retrotransposons in potato（Solanum tuberosum） genome were analyzed by LTR-FINDER software. Results showed that there were 4 725 full-length LTR retrotransposons with average length of 7 393 bp， accounting for about 4.95% of potato genome bases. The length of LTR in LTR retrotransposons was 786 bp. Phylogenetic tree showed that LTR retrotransposons of potato had high genetic diversity and high heterogeneity.

Key words： LTR retrotransposons； potato（Solanum tuberosum）； genome； phylogenetic tree

收稿日期：2012-11-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30800204）

作者簡(jiǎn)介：李智菲（1989-），女，河南商丘人，（電話）15527824736（電子信箱）zhifeili@whu.edu.cn；通訊作者，押輝遠(yuǎn)（1977-），男，河南禹州人，

副教授，博士，主要從事分子遺傳學(xué)與生物物理學(xué)研究，（電子信箱）yahuiyuan@yahoo.com.cn。

馬鈴薯（Solanum tuberosum）為茄科茄屬一年生草本植物，是世界第四大糧食作物，它營(yíng)養(yǎng)全面、適應(yīng)性廣、用途多、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，是全球重要的糧食作物，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中加工產(chǎn)品最豐富的原料作物[1]。遺傳多樣性是生物多樣性研究的核心問題之一，在一定程度上決定了物種的分布以及數(shù)量多樣性[2]。對(duì)馬鈴薯的遺傳多樣性進(jìn)行研究有助于認(rèn)識(shí)馬鈴薯的進(jìn)化過程或適應(yīng)機(jī)理，以及馬鈴薯種群的地理分布格局、數(shù)量增長(zhǎng)、優(yōu)良品種選育、資源鑒別和利用以及病害檢測(cè)和防治等方面的問題。目前分子標(biāo)記技術(shù)作為研究植物遺傳多樣性、作物品種純度鑒定、種質(zhì)資源分類、遺傳圖譜構(gòu)建等方面的重要方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[3-5]。

植物基因組中反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的大小隨植物種類的不同和反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子類群的差異而變化很大，具有高拷貝數(shù)、高異質(zhì)性和廣泛存在于植物基因組中等特點(diǎn)[6]。大量證據(jù)表明反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是植物基因組進(jìn)化和物種多樣性形成的主要來源，因此成為研究基因克隆、基因表達(dá)及其功能、生物多樣性以及生物進(jìn)化機(jī)制研究的重要工具[7]。IRAP（Inter- retrotransposon amplified polymorphism，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子插入位點(diǎn)間擴(kuò)增多態(tài)性）和REMAP（Retrotransposon-microsatellite amplified polymorphism，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子微衛(wèi)星擴(kuò)增多態(tài)性）[8]均是基于反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的分子標(biāo)記方法，已在茄科作物的遺傳多樣性研究領(lǐng)域得到應(yīng)用，其中REMAP是根據(jù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子兩端的LTR保守序列和微衛(wèi)星序列設(shè)計(jì)引物，檢測(cè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子與簡(jiǎn)單重復(fù)序列之間的多態(tài)性，IRAP是一種檢測(cè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子插入位點(diǎn)間多態(tài)性的分子標(biāo)記[8，9]。反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子兩側(cè)翼具有長(zhǎng)末端重復(fù)序列（Long terminal repeat，LTR），其長(zhǎng)度從100 bp到5 kb不等，以RNA為中間體通過復(fù)制—粘貼的模式進(jìn)行復(fù)制[6]，在植物中拷貝數(shù)多，且散布于各染色體，非常利于分子標(biāo)記的開發(fā)[10]。本研究利用LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子快速檢索軟件LTR-FINDER分析馬鈴薯基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子成分，為利用IRAP和REMAP分子標(biāo)記研究馬鈴薯遺傳多樣性奠定基礎(chǔ)，為進(jìn)一步開展馬鈴薯品種鑒定和遺傳多樣性分析提供借鑒。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 馬鈴薯LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子分析

本研究所用馬鈴薯基因組序列均引自NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中上傳的采用鳥槍法測(cè)定的馬鈴薯全基因組序列（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/347326461？ report=fasta），共包括705 779 115個(gè)堿基。根據(jù)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的一些基本特征運(yùn)用LTR-FINDER軟件（http：//tlife.fudan.edu.cn/ltr_finder/）進(jìn)行馬鈴薯基因組的LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量分析，計(jì)算LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子平均長(zhǎng)度、頻數(shù)和轉(zhuǎn)座子序列在基因組中的比例，LTR-FINDER軟件的參數(shù)均為默認(rèn)值。

1.2 聚類分析

從發(fā)現(xiàn)的馬鈴薯反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子中隨機(jī)挑取446個(gè)，并以煙草（Nicotiana tabacum）的4個(gè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子作為外參，利用軟件DNAMAN 6.0對(duì)其進(jìn)行聚類分析，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯基因組LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子分析

采用LTR-FINDER軟件，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯全基因組中共含有4 725個(gè)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，長(zhǎng)1 239～54 777 bp，平均長(zhǎng)度為7 393 bp，頻數(shù)為149 371，其中LTR長(zhǎng)100～3 498 bp，平均長(zhǎng)度為786 bp，LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的總堿基數(shù)占馬鈴薯全基因組堿基數(shù)的4.95%。為了能更好地了解馬鈴薯基因組上反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的含量，將數(shù)據(jù)與其他物種[11]進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。從表1可以看出，馬鈴薯基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量雖然達(dá)到了4.95%，但相對(duì)于禾本科植物來說，含量還是相對(duì)較低的。

2.2 反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)進(jìn)化樹

從馬鈴薯基因組LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列中隨機(jī)挑取446個(gè)，并從NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中下載4個(gè)煙草反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列，轉(zhuǎn)座子名稱分別是Tnt1（EU048874.1）、Tnt2（EF437960）、Tto1（D83003.1），Tnd1（AF059674.1），先采用DNAMAN 6.0軟件對(duì)煙草反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子序列進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖1，從圖1可以看出，煙草的這4個(gè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子聚為3類，其中Tto1和Tnt2的遺傳距離較近，聚為1類，另外兩個(gè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子各自單獨(dú)聚為1類。

圖2為以煙草反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子為外參構(gòu)建的馬鈴薯LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子系統(tǒng)發(fā)育樹。從圖2可以看出，446個(gè)馬鈴薯反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子具有較高的異質(zhì)性，聚為多個(gè)類群，且4個(gè)煙草反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子也分別屬于不同的類群，這表明馬鈴薯的LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子具有較高的遺傳多樣性，可能是在進(jìn)化過程中發(fā)生突變引起的。

3 小結(jié)與討論

遺傳多樣性和系統(tǒng)發(fā)育研究可為有效利用和保護(hù)現(xiàn)有栽培植物種質(zhì)資源及其野生種提供理論依據(jù)。反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子廣泛分布于生物基因組中，具有豐富的多態(tài)性，在植物基因組進(jìn)化中起著重要作用[12，13]?；诜崔D(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子發(fā)展起來的REMAP和IRAP等分子標(biāo)記技術(shù)可用于系統(tǒng)進(jìn)化及生物多樣性的分析、種質(zhì)資源的分類演化、植物基因組分析、遺傳圖譜的構(gòu)建、基因的分離測(cè)序、作物品種及純度的鑒定、雜交育種等方面[7，8]。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，水稻、玉米和小麥中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的含量分別為18%，50%～80%和90%[11]，LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在植物基因組中拷貝數(shù)多。本研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的總堿基數(shù)占全基因組堿基數(shù)的4.95%，說明馬鈴薯基因組中的LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量比較豐富。另外，本研究只針對(duì)基因組上的全長(zhǎng)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子進(jìn)行了分析，而實(shí)際上反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在進(jìn)化過程中會(huì)大片段地缺失從而形成非全長(zhǎng)的LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，如片段LTRs、solo LTRs等[14]，因此，馬鈴薯基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的含量很可能高于4.95%。

本研究從篩選的4 725個(gè)馬鈴薯LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子中隨機(jī)挑取了446個(gè)，以4個(gè)研究較多的煙草反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子作為外參構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，結(jié)果顯示馬鈴薯LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子具有較高的多態(tài)性和異質(zhì)性，這為研究馬鈴薯種質(zhì)資源和品種間的親緣關(guān)系、構(gòu)建遺傳圖譜提供了很好的參考。此外系統(tǒng)發(fā)育樹顯示馬鈴薯基因組中存在與4個(gè)煙草反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子相似的序列，對(duì)煙草的這幾個(gè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的研究豐富，資料詳盡，可以為馬鈴薯的反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子相關(guān)研究提供參考。

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（責(zé)任編輯 向 闈）