武政梅,高 朋,溫俊寶
(北京林業(yè)大學(xué)林木有害生物防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)
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溝眶象轉(zhuǎn)錄組微衛(wèi)星特征分析
武政梅,高 朋,溫俊寶*
(北京林業(yè)大學(xué)林木有害生物防治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)
本研究基于高通量測(cè)序獲得的溝眶象Eucryptorrhynchuschinensis(Olivier)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),采用MISA(Micro Satellite)軟件對(duì)其簡(jiǎn)單序列重復(fù)(simple sequence repeat, SSR)位點(diǎn)進(jìn)行了高通量發(fā)掘。對(duì)篩選得到的1 kb以上的Unigene(17590條,占Unigene總數(shù)的26.98%)進(jìn)行了SSR分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)含SSR的序列有1665條,共發(fā)現(xiàn)1823個(gè)SSR,平均32.52 kb出現(xiàn)一個(gè)SSR。溝眶象微衛(wèi)星主要以三堿基重復(fù)類型為主(637,34.94%),其次為單堿基重復(fù)(576,31.60%)。共發(fā)現(xiàn)104種堿基重復(fù)基元,所占比例最高的為(A/T)n(30.39%),其次為(AT/AT)n(6.91%)。溝眶象SSR的平均長(zhǎng)度為15.74 bp,長(zhǎng)度大于20 bp的SSR僅占總數(shù)的12.70%。研究還發(fā)現(xiàn)溝眶象微衛(wèi)星出現(xiàn)的頻率和其長(zhǎng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.572。研究結(jié)果為開發(fā)高多態(tài)性微衛(wèi)星引物來(lái)進(jìn)行溝眶象功能基因組學(xué)、種群遺傳結(jié)構(gòu)、種群遺傳多樣性等研究奠定了基礎(chǔ)。
溝眶象;微衛(wèi)星;轉(zhuǎn)錄組;重復(fù)類型;重復(fù)基元
微衛(wèi)星(microsatellite)又稱簡(jiǎn)單序列重復(fù)(simple sequence repeat, SSR),一般以1-6個(gè)堿基為核心序列,其長(zhǎng)度通常較短(何平,1998)。由于這些序列廣泛存在于真核細(xì)胞的基因組(史潔等,2012),同時(shí)具有可重復(fù)性高、多態(tài)性強(qiáng)、數(shù)量豐富、共顯性、對(duì)基因組有很好覆蓋性等特點(diǎn)(Liuetal., 2013),因此微衛(wèi)星已經(jīng)成為不同物種遺傳研究中使用最廣泛的分子標(biāo)記(王麗鴛等,2014),已被廣泛應(yīng)用于種群遺傳多樣性分析、動(dòng)植物分類和進(jìn)化、遺傳圖譜的構(gòu)建、基因定位和克隆、分子標(biāo)記輔助育種、品種鑒定等領(lǐng)域(Lietal., 2002; Varshneyetal., 2005)。SSR按來(lái)源分為基因組SSR(Genomic SSR, gSSR)和表達(dá)序列標(biāo)簽SSR(Expressed SSR,EST-SSR)(王東等,2014)。兩種SSR相比較,因EST-SSR源于基因的轉(zhuǎn)錄區(qū),其多態(tài)性與基因功能可能有直接關(guān)系(Eujayletal., 2002),因此通用性更高。新一代高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展為利用轉(zhuǎn)錄組序列開發(fā)SSR標(biāo)記帶來(lái)了福音,它不僅具有EST-SSR標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn),而且能產(chǎn)生更為海量的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù),因此為SSR標(biāo)記的開發(fā)提供了更全面的信息,從而提高了遺傳多樣性研究的準(zhǔn)確性。目前,研究者們已經(jīng)對(duì)很多物種轉(zhuǎn)錄組中的微衛(wèi)星進(jìn)行了研究分析,鞘翅目昆蟲中就有云南切梢小蠹Tomicusyunnanensis(袁遠(yuǎn)等,2014)、綠豆象Callosobruchuschinensis(Duanetal., 2014)、黃粉蟲Tenebriomolitor(Zhuetal., 2013)等,結(jié)果顯示在不同物種中微衛(wèi)星的分布特征差異很大。
溝眶象EucryptorrhynchuschinensisOlivier 隸屬鞘翅目Coleptera象甲科Curculioniclae隱喙象亞科Cryptorrhynchinae溝眶象屬EucryptorrhynchusHdler,主要以幼蟲蛀食臭椿根部為害。由于近10多年來(lái)檢疫不嚴(yán),溝眶象及其近緣種臭椿溝眶象Eucryptorrhynchusbrandti已傳播擴(kuò)散至西北多個(gè)省區(qū)并成片嚴(yán)重發(fā)生,整個(gè)寧夏二代農(nóng)田林網(wǎng)中臭椿受害株率達(dá)15%以上,致死率達(dá)7%,嚴(yán)重影響了臭椿的環(huán)境生態(tài)效益和觀賞經(jīng)濟(jì)價(jià)值(楊貴軍等,2008a)。目前有關(guān)溝眶象的報(bào)道,主要集中在生物學(xué)、生態(tài)學(xué)以及防治措施等領(lǐng)域,幾乎沒(méi)有有關(guān)其遺傳背景和分子生物學(xué)方面的研究。本文根據(jù)已構(gòu)建的溝眶象轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)其微衛(wèi)星進(jìn)行了高通量發(fā)掘,旨在為今后開發(fā)高多態(tài)性微衛(wèi)星引物,對(duì)溝眶象進(jìn)行功能基因組學(xué)、種群遺傳結(jié)構(gòu)、種群遺傳多樣性等研究打下基礎(chǔ)。
1.1 試蟲來(lái)源和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)
溝眶象樣品采自寧夏回族自治區(qū)銀川市靈武市梧桐樹鄉(xiāng)一隊(duì),經(jīng)液氮瞬時(shí)冷凍后放于-80℃的冰箱中保存?zhèn)溆?。溝眶象總RNA樣品檢測(cè)合格后,利用Illumina HiSeq 2500測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量深度測(cè)序,共獲得65186條Unigenes,轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)未發(fā)表。
1.2 微衛(wèi)星的篩選
利用MISA軟件(Micro Satellite identification tool)(http://www.pgrc.ipk-gatersleben.de/misa/)對(duì)溝眶象轉(zhuǎn)錄組中1 kb以上的Unigene進(jìn)行SSR位點(diǎn)分析,篩選標(biāo)準(zhǔn)為:?jiǎn)螇A基、二堿基、三堿基、四堿基、五堿基、六堿基的最少重復(fù)次數(shù)分別為12、6、5、5、5、5。復(fù)合SSR兩個(gè)位點(diǎn)間最大間隔堿基數(shù)為(Maximal number of bases interrupting 2 SSRs in a compound microsatellite):100。
2.1 溝眶象轉(zhuǎn)錄組序列中SSR重復(fù)的分布
本研究利用MISA軟件對(duì)篩選得到的1 kb以上的Unigene進(jìn)行了SSR 分析,評(píng)估序列拼接總長(zhǎng)度為59281851 bp,獲得SSR數(shù)目為1823個(gè)(完整型SSR 1709個(gè)),這些SSR分布于1665條序列中,平均相隔32.52 kb出現(xiàn)一個(gè)SSR序列,SSR的出現(xiàn)頻率為10.36%。本研究?jī)H對(duì)溝眶象轉(zhuǎn)錄組中1-6堿基完整型SSR進(jìn)行分析,部分SSR信息見(jiàn)表1。
2.2 溝眶象轉(zhuǎn)錄組重復(fù)基元的分布
在溝眶象所有堿基重復(fù)類型中,三堿基重復(fù)SSR含量最多,約占總數(shù)的37.27%,其次為單堿基重復(fù)SSR(33.70%)、二堿基重復(fù)SSR(26.04%),沒(méi)有發(fā)現(xiàn)六堿基重復(fù)SSR。研究還發(fā)現(xiàn)在溝眶象104種重復(fù)基元中,(A/T)n、(AT/AT)n、(TTA/TAA)n、(ATAA/TTAT)n、(AGGTT/AACCT)n和(AAGTA/TACTT)n分別在單、二、三、四、五堿基中出現(xiàn)頻率最多,它們?cè)诟髯灾貜?fù)基元類型中的比例分別是96.18%、28.31%、14.76%、23.26%、50.00%(表2)。
在溝眶象的104種堿基重復(fù)基元中,單、二、三、四、五堿基重復(fù)基元分別有4、12、58、23、7種,出現(xiàn)頻率最高的是(A/T)n(30.39%),其次是(AT/AT)n(6.91%)、(TA/TA)n(6.80%)、(TTA/TAA)n(5.16%)、(AAT/ATT)n(4.44%)等。不同類型重復(fù)基元的SSR分布見(jiàn)圖1。
表1 溝眶象轉(zhuǎn)錄組中微衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(kù)的部分結(jié)果
表2 溝眶象轉(zhuǎn)錄組中不同微衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)重復(fù)基元出現(xiàn)的頻率
圖1 基于重復(fù)基元類型的微衛(wèi)星分布(考慮到堿基互補(bǔ))Fig.1 Microsatellites distribution on different repeat motifs (considering sequence complementary)注:Other motifs 表示頻率小于0.80%的重復(fù)基元類型。Note:Other motifs denote the repeat motifs with frequency below 0.80%.
2.3 溝眶象轉(zhuǎn)錄組序列中微衛(wèi)星的長(zhǎng)度分布
溝眶象轉(zhuǎn)錄組中所發(fā)現(xiàn)的1709個(gè)完整型SSR中,微衛(wèi)星長(zhǎng)度存在顯著變異,從12-48個(gè)堿基不等,平均長(zhǎng)度為15.74個(gè)堿基。如圖2顯示,溝眶象微衛(wèi)星以重復(fù)長(zhǎng)度小于20 bp的短重復(fù)序列最多,其中12-15 bp的數(shù)量最多(1098,64.25%),其次為16-20 bp(394,23.05%),長(zhǎng)度大于20 bp的長(zhǎng)序列重復(fù)僅占微衛(wèi)星總數(shù)的12.70%。本研究進(jìn)一步利用SPSS軟件進(jìn)行Person相關(guān)性分析,結(jié)果表明溝眶象微衛(wèi)星出現(xiàn)的頻率和其長(zhǎng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.572。
圖2 溝眶象轉(zhuǎn)錄組中微衛(wèi)星的長(zhǎng)度分布Fig. 2 Length distribution of microsatellites in Eucryptorrhynchus chinensis transcriptome
本研究從溝眶象轉(zhuǎn)錄組中發(fā)掘到1823個(gè)SSR位點(diǎn),分布于1665條Unigene序列中。溝眶象SSR的出現(xiàn)頻率為10.36%,這與黑翅土白蟻Odontotermesformosaanus(9.98%)(Huangetal., 2012)中SSR的出現(xiàn)頻率差不多,高于煙粉虱Bemisiatabaci(5.07%)(Xieetal., 2012)、細(xì)梢小卷蛾Rhyacionialeptotubula(3.09%)(Zhuetal., 2013)、粘蟲Mythimnaseparate(1.93%)(胡艷華等,2015)中SSR的出現(xiàn)頻率。鞘翅目昆蟲中,云南切梢小蠹Tomicusyunnanensis(袁遠(yuǎn)等,2014)和黃粉蟲Tenebriomolitor(Zhuetal., 2013)轉(zhuǎn)錄組中檢測(cè)出的SSR的出現(xiàn)頻率分別為1.29%、1.79%,明顯低于溝眶象轉(zhuǎn)錄組中SSR的出現(xiàn)頻率,這說(shuō)明溝眶象轉(zhuǎn)錄組中SSR數(shù)量相對(duì)來(lái)說(shuō)十分豐富。分析其中的原因,除了SSR位點(diǎn)的搜索方法或計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)有差異外,最根本的原因可能是物種特異性(黃海燕等,2013)。
在鑒定得到的溝眶象轉(zhuǎn)錄組SSR中,三堿基重復(fù)類型的數(shù)量最高,約占總數(shù)的33.70%。這與綠豆象Callosobruchuschinensis(Duanetal., 2014)、二點(diǎn)委夜蛾Athetislepigone(Lietal., 2013)、白背飛虱Sogatellafurcifera(Xuetal., 2012)、云南切梢小蠹Tomicusyunnanensis(袁遠(yuǎn)等,2014)等昆蟲的SSR以三堿基重復(fù)為主類似。大部分昆蟲中的微衛(wèi)星都是以三堿基重復(fù)為主導(dǎo)重復(fù)類型,這有可能是為了防止蛋白質(zhì)編碼時(shí)發(fā)生移碼突變現(xiàn)象(Sunetal., 2011)。本研究中溝眶象微衛(wèi)星重復(fù)基元中所占比例最高的為(A/T)n,達(dá)到30.39%,這與黃粉蟲、云南切梢小蠹、扶桑綿粉蚧Phenacoccussolenopsis(羅梅等,2014)的轉(zhuǎn)錄組中SSR的分析結(jié)果一致。溝眶象三堿基重復(fù)中,TTA/TAA為優(yōu)勢(shì)重復(fù)基元,而鞘翅目昆蟲中的黃粉甲和云南切梢小蠹三堿基重復(fù)中都是以AAT/ATT為優(yōu)勢(shì)重復(fù)基元。這種差異可能與昆蟲自身SSR特點(diǎn)以及轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)來(lái)源等緊密相關(guān)。
SSR分子標(biāo)記的多態(tài)性是判斷其可用性的重要依據(jù),而其長(zhǎng)度又是影響其多態(tài)性高低的重要因素。Temnykh等(2001)的研究表明,當(dāng)SSR長(zhǎng)度≥20 bp時(shí)多態(tài)性較高,長(zhǎng)度在12-20 bp時(shí)多態(tài)性中等,而長(zhǎng)度在12 bp以下時(shí)SSR多態(tài)性極低。本研究在SSR篩選過(guò)程中已經(jīng)將長(zhǎng)度在12 bp 以下的SSR過(guò)濾掉,最終發(fā)現(xiàn)溝眶象轉(zhuǎn)錄組中SSR長(zhǎng)度在12-48個(gè)堿基不等,平均長(zhǎng)度為15.74個(gè)堿基,具有高多態(tài)性的SSR所占比例僅為12.70%,這部分多態(tài)性潛能高的SSR在高效開發(fā)溝眶象微衛(wèi)星標(biāo)記方面應(yīng)該具有較高的利用價(jià)值(楊華等,2011)。本研究還發(fā)現(xiàn)溝眶象微衛(wèi)星出現(xiàn)的頻率和其長(zhǎng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)為-0.572。根據(jù)Samadi等(1998)的研究可以得出,基因組中長(zhǎng)度較短的SSR變異速率較快,而長(zhǎng)度較長(zhǎng)的SSR變異速率則較慢,相對(duì)來(lái)說(shuō)較穩(wěn)定。雖然基因序列中的SSR增加了基因的不穩(wěn)定性,但正是這樣的不穩(wěn)定性為基因變異提供了動(dòng)力。
本研究基于構(gòu)建獲得的溝眶象轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)其SSR進(jìn)行了高通量發(fā)掘,并對(duì)溝眶象SSR的特征進(jìn)行了分析,表明利用轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)發(fā)掘SSR是高效可行的。研究結(jié)果為開發(fā)高多態(tài)性微衛(wèi)星引物來(lái)進(jìn)行溝眶象功能基因組學(xué)、種群遺傳結(jié)構(gòu)、種群遺傳多樣性等研究奠定了基礎(chǔ),這對(duì)于從分子角度探究溝眶象的擴(kuò)散機(jī)制及綜合防治等都具有非常重要的意義,同時(shí)為探索溝眶象和其近緣種臭椿溝眶象的起源進(jìn)化關(guān)系打下基礎(chǔ)。
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Characteristic analysis of microsatellite inEucryptorrhynchuschinensistranscriptome
WU Zheng-Mei, GAO Peng, WEN Jun-Bao*
(Beijing Key Laboratory for Forest Pest Control, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)
According to the constructed transcriptome database ofEucryptorrhynchuschinensis, the microsatellites have been explored at a high-throughput scale by using Micro Satellite identification tool. The microsatellites in the unigenes (the length ≥1 kb) (17590, 26.89%) were analyzed and a total of 1823 SSR were identified in 1665 unigenes, with one SSR per 32.52 kb. Tri-nucleotide repeats were the most abundant (637, 34.94%), followed by mono nucleotide repeats (576, 31.60%). Among all the 104 SSR motifs, (A/T) n was the most frequent repeat motif (30.39%), followed by (AT/AT) n (6.91%). The average length of microsatellites was 15.74 bp, the microsatellites over 20 bp were only 12.70%.There was significant negative correlation (P<0.01) between the frequency and the length of microsatellites ine.chinensistranscriptome and the correlation coefficient was -0.572. These results lay a foundation for developing high polymorphic microsatellites to research the functional genomics, population genetic structure and genetic diversity ofe.chinensis.
Eucryptorrhynchuschinensis; microsatellite; transcriptome; repeat type; repeat motif
林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304412;201204501)
武政梅,女,1991年生,山東泰安人,碩士,研究方向?yàn)槔ハx分子生物學(xué),E-mail: zhengmeibest@163.com
*通訊作者Author for correspondence, E-mail:wenjb@bjfu.edu.cn
Received:2015-10-29;接受日期Accepted:2015-12-29
Q965;S433.5
A
1674-0858(2016)05-0979-05