李海洋,李榮華,夏巖石,袁清華,張振臣,趙偉才,郭培國*
簡單重復(fù)序列(simple sequence repeat, SSR)又稱為微衛(wèi)星序列,是以1~6個(gè)核苷酸為單位多次串聯(lián)重復(fù)組成的 DNA序列[1],而基于其開發(fā)出的DNA分子標(biāo)記具有特異性強(qiáng)、共顯性、穩(wěn)定性高以及操作簡單等諸多優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用到大豆、小麥、水稻等作物的遺傳研究[2-4]。雖然已有 SSR標(biāo)記應(yīng)用于煙草的遺傳圖譜構(gòu)建[5]、遺傳多樣性分析[6]、基因定位[7-8]等方面的研究報(bào)道,但與其他作物相比,煙草中可用的SSR標(biāo)記較少。
根據(jù) EST和基因組的 DNA序列挖掘和開發(fā)SSR標(biāo)記作為傳統(tǒng)方法,在其他植物中已經(jīng)有大量應(yīng)用[9-10],在煙草中亦有報(bào)道。如根據(jù)野生絨毛狀煙草基因組的測序結(jié)果,分析了SSR位點(diǎn)的組成、分布及特征[11];利用3種煙草基因組信息,對SSR位點(diǎn)的分布情況進(jìn)行探索,并設(shè)計(jì)出SSR引物組合[12];根據(jù)煙草EST序列數(shù)據(jù)分析了EST-SSR位點(diǎn)信息及分布特征,并設(shè)計(jì)了一些SSR引物組合[13-15]。但由于常規(guī)栽培的普通煙草為異源四倍體,基因組較為復(fù)雜[16],且我國的煙草品種還存在遺傳狹窄的問題[17],開發(fā)出的SSR標(biāo)記多態(tài)性水平低[16,18-19],制約了煙草SSR標(biāo)記的利用,導(dǎo)致SSR標(biāo)記在煙草中的研究和應(yīng)用相對較薄弱。
近年來,在第2代測序基礎(chǔ)上建立的簡化基因組測序技術(shù),可利用酶切技術(shù)、序列捕獲芯片技術(shù)等其他手段降低物種基因組復(fù)雜程度,進(jìn)而了解物種部分基因組的特性。目前,主要應(yīng)用的簡化基因組測序技術(shù)包括復(fù)雜度降低的多態(tài)序列測序(complexity reduction of polymorphic sequences,CRoPS)[20]、基因分型測序技術(shù)(genotyping by sequencing, GBS)[21]、限制性酶切位點(diǎn)相關(guān)的DNA測序(restriction-site associated DNA, RAD-seq)[22]。其中應(yīng)用較為廣泛的 RAD-seq是利用酶切技術(shù)降低基因組的復(fù)雜度,對酶切產(chǎn)生的RAD-tag進(jìn)行高通量測序,能夠開發(fā)大量的SNP和SSR標(biāo)記,而且具有成本低、準(zhǔn)確率高、不受參考基因組序列限制等優(yōu)點(diǎn)[23]。運(yùn)用該方法,已經(jīng)在茄子[24]、菠蘿[25]、花生[26]等其他植物上開發(fā)出 SSR標(biāo)記并應(yīng)用于遺傳分析。
本研究利用RAD-seq技術(shù),對兩份煙草材料進(jìn)行簡化基因組測序,分析SSR位點(diǎn)的數(shù)量、重復(fù)序列次數(shù)、基序類型,大規(guī)模開發(fā)SSR分子標(biāo)記,并發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)材料之間具有多態(tài)性的SSR標(biāo)記,可降低具多態(tài)性SSR標(biāo)記引物篩選的工作量和成本,為多態(tài)性SSR標(biāo)記的篩選和應(yīng)用提供參考。
供試4份煙草材料中“118-3”和“粵煙98”由廣東省煙草南雄科學(xué)研究所提供,“大葉密合”和“長脖黃”由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。其中用于簡化基因組測序的兩份煙草材料中,“118-3”為廣東省特色烤煙品種,“粵煙98”是趙偉才等[27]以“Coker206”為母本、“K326”為父本選育的烤煙新品種。另外兩份材料“大葉密合”和“長脖黃”分別為廣東省優(yōu)良的地方曬煙品種和河南省優(yōu)良地方烤煙品種。2016年3月采取4份煙草材料的新鮮葉片,利用李榮華等[28]改良的CTAB法提取4份煙草材料基因組DNA,瓊脂糖凝膠電泳和微孔板分光光度計(jì)檢測DNA的質(zhì)量。
利用RAD-seq技術(shù),對“118-3”和“粵煙98”兩份煙草材料的基因組DNA進(jìn)行簡化測序。操作流程簡述如下:選用六堿基限制性內(nèi)切酶 EcoR I酶切基因組DNA,構(gòu)建RAD文庫,利用Illumina MiSeq PE300平臺(tái)進(jìn)行高通量測序;測序所得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾、質(zhì)檢、評(píng)估等分析,獲得各個(gè)樣品的干凈讀長(clean reads)及序列數(shù)據(jù)。過濾參數(shù)如下:去除含adapter的reads,去除含N比例大于10%的reads,去除低質(zhì)量reads(質(zhì)量值Q≤20的堿基數(shù)占整條read的50%以上)。
利用Burrows-Wheeler Aligner(BWA)version 0.7.12軟件將過濾后得到的clean reads與參考烤煙基因組K326進(jìn)行比對,利用MISA(http∶//pgrc.ikpgatersleben.de/misa)軟件在read覆蓋的參考基因組序列中查找SSR位點(diǎn)。配置參數(shù)如下:單核苷酸、二核苷酸、三核苷酸、五核苷酸和六核苷酸最低重復(fù)次數(shù)分別為15、6、5、4、4和4,相鄰 SSR序列間隔區(qū)域長度不小于100 bp。根據(jù)SSR位點(diǎn)兩翼的序列,利用Primer 3.0軟件設(shè)計(jì)SSR引物。對兩份測序樣品中共有的 SSR位點(diǎn)進(jìn)行序列分析,若SSR位點(diǎn)在兩份測序材料之間存在重復(fù)差異即為多態(tài)性SSR。
PCR反應(yīng)體系為10 μL,其中包含30 ng/μL的DNA 模板 2 μL;10×PCR Buffer 1.2 μL,10 μmol/L的正反向引物各 0.2 μL;10 mmol/L dNTPs 0.3 μL,Taq DNA 聚合酶(5 U/μL)0.1 μL,dd H20 6.0 μL。擴(kuò)增程序?yàn)椋?4 ℃預(yù)變性5 min;94 ℃變性45 s,適宜退火溫度45 s(退火溫度視引物的不同而改變),72 ℃延伸1 min,35個(gè)循環(huán);72 ℃充分延伸10 min。PCR產(chǎn)物采用6%非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳分離,按照郭培國等[29]改良的銀染技術(shù)進(jìn)行染色檢測PCR擴(kuò)增產(chǎn)物。
煙草簡化基因組測序結(jié)果顯示,“118-3”和“粵煙98”兩個(gè)煙草樣品分別獲得45 120 744和50 362 336 clean reads,分別具有6.63 Gb和7.42 Gb的原始數(shù)據(jù)(表 1)。對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制、過濾,2個(gè)樣品共獲得95 480 084個(gè)高質(zhì)量干凈讀長(HQ clean reads),平均Q30(測序堿基質(zhì)量值,即測序時(shí)錯(cuò)誤識(shí)別的概率是0.1%、正確率為99.9%的堿基比例)為93.99%,平均GC含量為38.78%。從表1中可以看出,過濾前后差異很小,Q30處于較高水平,表明測序數(shù)據(jù)可靠;但GC含量處于較低水平,對本試驗(yàn)測序反應(yīng)影響不大。
表1 RAD-seq基因組測序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Summary of genomic sequences generated by RAD-seq
運(yùn)用BWA軟件將“118-3”和“粵煙98”簡化測序獲得的clean reads與參考基因組進(jìn)行比對,分別比對上44 995 698和50 187 807個(gè)reads。在此基礎(chǔ)上,利用 MISA軟件在比對到參考基因組上的reads覆蓋區(qū)域中搜索SSR位點(diǎn),在“118-3”和“粵煙98”中分別檢測到19 746和20 340個(gè)reads含有1個(gè)或以上的SSR位點(diǎn),其中兩份材料中共有SSR位點(diǎn)的reads數(shù)為17 941個(gè)。兩份材料中共檢測到22 145個(gè)reads上含有25 343個(gè)SSR位點(diǎn);這些含有SSR位點(diǎn)reads中,其中有17 882(80.74%)個(gè)reads含有1個(gè)SSR位點(diǎn),剩余的reads含有2個(gè)或以上的SSR位點(diǎn)。
在所發(fā)現(xiàn)的SSR位點(diǎn)中,完全重復(fù)型(P型)所占的比例最大,共計(jì) 23 660個(gè),占位點(diǎn)總數(shù)的93.35%;復(fù)合型(C型)只有 1683個(gè),占位點(diǎn)總數(shù)的6.65%(表2)。P型SSR位點(diǎn)中,二核苷酸類型出現(xiàn)比例最高,達(dá) 10 513個(gè),占位點(diǎn)總數(shù)的41.48%;其次是三核苷酸,為 7631個(gè)(30.11%);單核苷酸和四核苷酸的差別不大,分別為 2595(10.23%)和2108個(gè)(8.31%);五核苷酸和六核苷酸最少,分別只有451(1.77%)和362個(gè)(1.42%)。從表2還可以看出,P型SSR位點(diǎn)中,以六核苷酸類型重復(fù)序列的平均長度最長,達(dá)到 26 bp;四核苷酸的平均長度最短,為17 bp;C型SSR位點(diǎn)的平均長度較長,為28 bp。
在P型SSR位點(diǎn)中共發(fā)現(xiàn)298種基序,出現(xiàn)頻率最高的基序是AT/TA,為5337個(gè)位點(diǎn),占總SSR位點(diǎn)數(shù)的21.06%;隨后分別為T/A(2278個(gè)位點(diǎn),8.99%)、AG/CT(1383個(gè)位點(diǎn),5.46%)和TC/GA(1066個(gè)位點(diǎn),4.21%);此外TTG/CAA(816)、AAC/GTT(834)、AAG/CTT(461)、TTA/ATT(644)、TAT/ATA(539)、TTC/GAA(881)和AAAT/ATTT(805)基序達(dá)到總SSR位點(diǎn)數(shù)的1.5%以上(表2)。
表2 煙草基因組中的SSR位點(diǎn)的分布信息Table 2 Distribution of SSR loci in the tobacco genome
煙草不同類型SSR位點(diǎn)基序的重復(fù)次數(shù)如表3所示。從中可見,單核苷酸的基序重復(fù)次數(shù)集中在15~18次,二核苷酸和三核苷酸基序重復(fù)次數(shù)主要分布在6~9次和5~8次,四核苷酸在4~6次,而五和六核苷酸基序的重復(fù)次數(shù)主要集中在4~5次。從SSR位點(diǎn)基序重復(fù)次數(shù)來看,以6次基序重復(fù)次數(shù)的SSR位點(diǎn)數(shù)最高,達(dá)到5171個(gè)SSR位點(diǎn),占總SSR位點(diǎn)數(shù)20.4%;5次和7次重復(fù)次數(shù)分別為3945和3141個(gè)SSR位點(diǎn),占總SSR位點(diǎn)數(shù)15.56%和12.39%。另外,從表3還可以看出,各個(gè)SSR位點(diǎn)類型出現(xiàn)的頻率均存在隨重復(fù)次數(shù)的增加而逐漸下降的趨勢。
利用Primer 3.0軟件對25 343個(gè)SSR位點(diǎn)進(jìn)行引物設(shè)計(jì),成功設(shè)計(jì)出23 346對SSR引物,引物設(shè)計(jì)的成功率為 92.12%;根據(jù)“118-3”和“粵煙98”兩份材料的簡化測序數(shù)據(jù),初步發(fā)現(xiàn)其中有323對引物的SSR位點(diǎn)在兩份材料間具有多態(tài)性,多態(tài)性比例為1.38%。
隨機(jī)選擇50對具有多態(tài)性位點(diǎn)的SSR引物,利用兩份簡化測序煙草材料和另兩份煙草種質(zhì)材料對SSR位點(diǎn)的多態(tài)性進(jìn)行驗(yàn)證(圖1),SSR引物信息及驗(yàn)證結(jié)果如表4所示。從中可見50對引物在兩個(gè)簡化測序樣品中均能擴(kuò)出清晰的條帶,其中有 38對引物的擴(kuò)增產(chǎn)物具有多態(tài)性,多態(tài)率達(dá)到76%;在另兩份種質(zhì)材料中有48對引物能擴(kuò)增出清晰條帶,有效擴(kuò)增率達(dá)96%,其中有10對引物的擴(kuò)增產(chǎn)物具有多態(tài)性,多態(tài)率為20%。
表3 煙草基因組中SSR位點(diǎn)的基序重復(fù)次數(shù)分布Table 3 Distribution of repeat numbers of SSR motifs in tobacco genome
圖1 部分SSR引物在4份煙草材料中擴(kuò)增產(chǎn)物的銀染圖Fig. 1 Image of silver staining for PCR amplicons of partial SSR primer pairs in four tobacco genotypes
表4 50對SSR引物在4份煙草材料中擴(kuò)增產(chǎn)物的多態(tài)性分析Table 4 Polymorphic analysis for PCR amplicons of 50 SSR primer pairs in 4 tobacco genotypes
表4 (續(xù))Table 4 (Continued)
本研究在兩份煙草材料簡化基因組中共檢測到2種類型SSR位點(diǎn):P型和C型。P型SSR位點(diǎn)中,二、三核苷酸類型出現(xiàn)的頻率最高,達(dá)到SSR位點(diǎn)總數(shù)的 71.59%,這與童治軍等[19]利用 3份煙草基因組序列數(shù)據(jù)搜索的 SSR位點(diǎn)的基序結(jié)果一致,也與其他作物[3,9,30]基因組中SSR位點(diǎn)的分布特征相符。在SSR基序的結(jié)構(gòu)方面,共發(fā)現(xiàn)298種重復(fù)類型的基序,以T/A、AT/TA、TC/GA、CT/AG、AAT/ATT、AAC/GTT、ACA/TGT、GAA/TTC 和AAAT/ATTT基序最為豐富,此結(jié)果與前人在煙草基因組和EST序列研究所得的結(jié)果一致[15,19],但與水稻[9,30]SSR位點(diǎn)中主要基序類型有所不同。另外,C型 SSR位點(diǎn)占總 SSR位點(diǎn)數(shù)的 6.65%,低于BOSAMIA等[31]在花生EST序列中檢測到10.38%的C型SSR位點(diǎn),但未有在煙草基因組或EST序列研究中關(guān)于C型SSR位點(diǎn)的相關(guān)報(bào)道。
本研究所獲得的reads和檢測到的SSR位點(diǎn)中的基序結(jié)構(gòu)中,均存在富含A、T和較低的G、C堿基的情況,且存在SSR位點(diǎn)的基序中G、C出現(xiàn)的越少,則該基序的分布頻率越高的現(xiàn)象;這一現(xiàn)象在多種真核生物基因組SSR位點(diǎn)中也有發(fā)現(xiàn)[32]。形成這一現(xiàn)象的原因可能是與GC、AT堿基對之間所含的能量相關(guān),即AT比GC更容易變動(dòng)[19,32]。
隨著新一代高通量測序技術(shù)的快速發(fā)展,測序的成本和時(shí)間大大減少,基于基因組序列開發(fā)SSR標(biāo)記的方法已經(jīng)成為植物研究中 SSR標(biāo)記開發(fā)的重要手段[33-34]。雖然煙草全基因組測序已經(jīng)完成[35],并可根據(jù)基因組序列設(shè)計(jì)出大量的SSR引物組合。但由于常規(guī)栽培煙草品種之間親緣關(guān)系較近,可用的SSR標(biāo)記多態(tài)性水平低,從而造成一些研究成本的增加。如劉文杰等[36]選用 1405對由 BINDLER等[1,5]和TONG等[37]開發(fā)的SSR引物對煙草青枯病進(jìn)行定位時(shí),只發(fā)現(xiàn)214(15.23%)對SSR引物在兩親本材料間(“118-3”和“粵煙 98”)具有多態(tài)性。TONG等[38]選用5718對依據(jù)基因組數(shù)據(jù)開發(fā)的SSR引物,對煙草赤星病進(jìn)行QTL定位時(shí),發(fā)現(xiàn)只有227對引物的擴(kuò)增產(chǎn)物具有多態(tài)性,多態(tài)率僅為3.96%。劉文杰等[17]選用90對前人開發(fā)的SSR引物分析94份煙草核心種質(zhì)資源的遺傳多樣性時(shí),只有17對引物檢測出34個(gè)等位變異位點(diǎn),平均PIC值只有0.2811。本研究利用簡化基因組測序技術(shù)開發(fā)和設(shè)計(jì)出23 346對SSR標(biāo)記引物,并依據(jù)兩個(gè)測序樣品間的序列數(shù)據(jù),初步發(fā)現(xiàn) 323對引物的SSR位點(diǎn)具有多態(tài)性,以減少在引物合成及其篩選的成本和工作量。在利用 4份煙草材料對多態(tài)性SSR進(jìn)行驗(yàn)證時(shí),發(fā)現(xiàn)在兩份測序樣品中多態(tài)率達(dá)到76%,并發(fā)現(xiàn)24%的假陽性,可能是因?yàn)闇y序結(jié)果有一定的錯(cuò)誤率造成,或者是多態(tài)性驗(yàn)證時(shí)所采用的 6%非變性聚丙烯酰胺凝膠的分辨率不足,造成一部分多態(tài)性SSR標(biāo)記驗(yàn)證結(jié)果錯(cuò)誤[38]。同時(shí),在另外兩份種質(zhì)材料中也發(fā)現(xiàn)了20%的多態(tài)率,該比率高于牟建英等[39]在“臺(tái)煙 7號(hào)”和“NC89”兩份煙草材料間得到的 4.8%以及高亭亭等[40]在“Beinhart1000-1”和“小黃金 1025”兩份煙草材料間得到的7.2%。值得說明的是,多態(tài)性SSR在4份材料之間的多態(tài)率高達(dá)84%,表明開發(fā)的多態(tài)性標(biāo)記不僅能夠用于兩個(gè)測序材料的后續(xù)基因定位,也能用于種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析。另外,一些研究發(fā)現(xiàn),基因組或EST序列中SSR位點(diǎn)的重復(fù)序列長度與所開發(fā)出 SSR標(biāo)記的多態(tài)性有關(guān),即SSR位點(diǎn)的重復(fù)序列越長,多態(tài)性出現(xiàn)的概率越大,且認(rèn)為當(dāng)SSR位點(diǎn)中重復(fù)序列長度≥20 bp,多態(tài)性的比例高[33,41]。本研究開發(fā)的323個(gè)多態(tài)性SSR中只有2個(gè)重復(fù)序列的長度低于20 bp,也表明重復(fù)序列的長度與其多態(tài)性相關(guān)。最后,單從多態(tài)性SSR開發(fā)和選用前人開發(fā)的 SSR的研究成本角度考慮,由于測序技術(shù)快速發(fā)展,測序分析開發(fā)多態(tài)性 SSR的研究成本顯著低于選用前人開發(fā)的 SSR標(biāo)記,尤其在遺傳距離較近的材料中。綜上所述,簡化基因組測序可快速高效開發(fā)煙草多態(tài)性 SSR標(biāo)記,為后續(xù)的 QTL定位和遺傳多樣性分析等研究提供基礎(chǔ)。
通過對兩份煙草材料“118-3”和“粵煙 98”進(jìn)行簡化基因組測序,共檢測到25 343個(gè)SSR位點(diǎn),依據(jù)序列設(shè)計(jì)出23 346對SSR標(biāo)記引物組合;序列對比發(fā)現(xiàn)其中323對SSR引物組合在兩份測序材料間具有多態(tài)性,試驗(yàn)驗(yàn)證表明其多態(tài)率為76%。研究結(jié)果表明,簡化基因組測序可為煙草具有多態(tài)性SSR標(biāo)記的開發(fā)和應(yīng)用提供參考,亦可為后續(xù)的QTL定位和遺傳多樣性分析等研究提供基礎(chǔ)。
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