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    基于轉(zhuǎn)錄組測(cè)序的油梨EST-SSR引物開(kāi)發(fā)

    2018-05-14 14:44:51應(yīng)東山唐浩韓瑞璽王文林王明王琴飛湯秀華張如蓮
    熱帶作物學(xué)報(bào) 2018年12期
    關(guān)鍵詞:油梨基元堿基

    應(yīng)東山 唐浩 韓瑞璽 王文林 王明 王琴飛 湯秀華 張如蓮

    摘? 要? 利用轉(zhuǎn)錄測(cè)序技術(shù),開(kāi)發(fā)油梨表達(dá)序列標(biāo)簽-簡(jiǎn)單重復(fù)序列(EST-SSRs),為SSR標(biāo)記在油梨種質(zhì)資源鑒定、品種選育及遺傳連鎖圖譜構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。采用Illumina二代測(cè)序的技術(shù),共獲得37 639條無(wú)冗余的序列,對(duì)其進(jìn)行SSR搜索,共獲得6 419條簡(jiǎn)單序列重復(fù)(SSR)。利用Primer 3.0軟件設(shè)計(jì)SSR引物,并以11份油梨種質(zhì)篩選多態(tài)性引物?;谵D(zhuǎn)錄組序列開(kāi)發(fā)出的EST-SSR的分布頻率為17.05%。在油梨EST-SSR中,單核苷、二核苷和三核苷的重復(fù)占主導(dǎo),占總數(shù)的99.07%。單、二、三核苷酸重復(fù)單元分別占總SSR的37.47%、31.80%和29.80%;出現(xiàn)頻率最高的二核苷酸重復(fù)基元是AG/CT,占總數(shù)的29.15%,出現(xiàn)最高的三核苷酸重復(fù)基元為AAG/CTT,占12.01%。隨機(jī)選擇315個(gè)SSR位點(diǎn)合成引物,經(jīng)11份油梨種質(zhì)篩選鑒定,227對(duì)引物可擴(kuò)增獲得產(chǎn)物,有效擴(kuò)增率為72.06%;其中34對(duì)引物表現(xiàn)出良好多態(tài)性,占有效引物的12.78%,占總引物的10.79%。在34對(duì)多態(tài)性引物中,每對(duì)引物擴(kuò)增等位基因數(shù)2~12個(gè)。利用高通量測(cè)序開(kāi)發(fā)SSR 引物有較好的實(shí)用性,開(kāi)發(fā)獲得的34個(gè)具有多態(tài)性的油梨SSR標(biāo)記可用于研究油梨及其相關(guān)近緣物種的遺傳變異。

    關(guān)鍵詞? 油梨;轉(zhuǎn)錄組;EST-SSR;引物中圖分類(lèi)號(hào)? S31 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? A

    DOI10.3969/j.issn.1000-2561.2018.12.017

    油梨(2n=24,Persea americanaMill.)是樟科(Lauraceae)油梨屬常綠喬木果樹(shù),富含脂肪、熱能高,故有“森林黃油”之美稱(chēng),是重要的熱帶果樹(shù)之一。油梨起源于中美洲地區(qū),目前在美國(guó)、危地馬拉、墨西哥及古巴等地區(qū)栽培最多,也是最早在中美洲商業(yè)化的水果之一[1]。油梨早在公元前500年就在墨西哥栽培種植[2],在其主產(chǎn)區(qū)危地馬拉、墨西哥及非洲一些國(guó)家,人們把油梨作為主食達(dá)半年以上,因而油梨具有良好的社會(huì)效益,同時(shí),因其四季常綠、樹(shù)姿優(yōu)美,也可作優(yōu)良的綠化樹(shù)種。目前所有的油梨栽培品種都屬于P.americana種,有4個(gè)亞小種,俗稱(chēng)墨西哥系、西印度系和危地馬拉系,另外還有一個(gè)雜交種系[3]。

    近年來(lái),隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展,利用高通量測(cè)序技術(shù)開(kāi)發(fā)油梨分子標(biāo)記優(yōu)勢(shì)明顯,由于不存在物種選擇性、測(cè)序靈敏度高、無(wú)需特異性探針等,特別是對(duì)尚未公布基因組測(cè)序信息的物種,轉(zhuǎn)錄組測(cè)序能夠快速高效地呈現(xiàn)出覆蓋面廣、準(zhǔn)確度高的信息,而成為SSR、SNP等分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)的良好工具,被廣泛應(yīng)用于植物的遺傳育種、種質(zhì)資源保護(hù)和開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。轉(zhuǎn)錄組測(cè)序主要有以下五點(diǎn)優(yōu)勢(shì):①包容性廣,不受限制;②分辨率高,結(jié)果準(zhǔn)確度好,不易受傳統(tǒng)技術(shù)問(wèn)題干擾;③靈敏度高;④測(cè)序通量高,單次檢測(cè)上百億個(gè)堿基序列;⑤重復(fù)性好,無(wú)需技術(shù)重復(fù)。在已完成基因組測(cè)序的作物上,其轉(zhuǎn)錄組測(cè)序獲得的原始數(shù)據(jù)與基因組序列進(jìn)行比對(duì),能快速尋找差異基因[4-7]。目前,利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序開(kāi)發(fā)SSR標(biāo)記已廣泛應(yīng)用于其他植物[8-12]。王明等[13]利用454高通量測(cè)序技術(shù)開(kāi)發(fā)獲得8 831條芒果SSR。李淑斌等[14]利用草莓基因組序列高通量開(kāi)發(fā)月季SSR標(biāo)記,共識(shí)別49 029個(gè)SSR位點(diǎn),成功對(duì)21 288個(gè)SSR位點(diǎn)設(shè)計(jì)引物。戴亞平[7]利用Illumina轉(zhuǎn)錄組測(cè)序開(kāi)發(fā)短絲木犀SSR,成功設(shè)計(jì)2 366對(duì)引物。魏明明[15]利用Illumina開(kāi)發(fā)茄子858對(duì)SSR分子標(biāo)記。鄭紀(jì)偉[16]利用柳樹(shù)轉(zhuǎn)錄組高通量測(cè)序開(kāi)發(fā)SSR標(biāo)記,分別在垂柳和簸箕柳中成功設(shè)計(jì)459和729對(duì)引物。綜上所述,基于高通量的SSR標(biāo)記開(kāi)發(fā)在多種植物的研究已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展,可以應(yīng)用于熱帶果樹(shù),而熱帶果樹(shù)油梨的分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)和利用研究還比較少,目前只有有限數(shù)量的SSR可用于油梨遺傳多樣性分析。Ashworth等[17]通過(guò)Hass油梨品種的2個(gè)基因組DNA文庫(kù)來(lái)構(gòu)建開(kāi)發(fā)了25對(duì)SSR引物。Borrone等[18]通過(guò)對(duì)已經(jīng)發(fā)表的油梨表達(dá)序列標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行微衛(wèi)星序列篩選,開(kāi)發(fā)出70對(duì)微衛(wèi)星序列引物。Gross-German等[19]利用構(gòu)建油梨基因組小片段SSR富集文庫(kù)和已知EST序列庫(kù)開(kāi)發(fā)47個(gè)新的油梨SSR標(biāo)記,多態(tài)性較好的40個(gè)SSR(其中25個(gè)SSR和15個(gè)EST-SSR)。利用高通量技術(shù)開(kāi)發(fā)新的油梨SSR分子標(biāo)記在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

    本研究利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù),開(kāi)發(fā)油梨表達(dá)序列標(biāo)簽-簡(jiǎn)單重復(fù)序列(EST-SSRs),以期為中國(guó)油梨種質(zhì)資源進(jìn)行系統(tǒng)的遺傳研究和構(gòu)建油梨遺傳圖譜,以及在選育新品種和改良栽培品種上挖掘優(yōu)異的基因資源,培育抗性強(qiáng)、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的油梨品種等研究奠定基礎(chǔ)。

    1? 材料與方法

    1.1? 材料

    轉(zhuǎn)錄組測(cè)序樣本來(lái)自海南大學(xué)油梨種質(zhì)圃的Hass嫩葉,液氮速凍后送派森諾生物科技股份有限公司(上海)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組Illumina NextSeq500測(cè)序。

    遺傳多樣性研究使用的11份油梨樣本(表1),來(lái)自廣西亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所油梨種質(zhì)資源圃和海南大學(xué)油梨種質(zhì)圃。

    1.2? DNA提取

    實(shí)驗(yàn)采用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)法提取基因組DNA[20]

    1.3? EST序列來(lái)源、SSR檢測(cè)及SSR引物設(shè)計(jì)

    本研究涉及的油梨EST序列來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室將HASS葉片樣品送派森諾公司轉(zhuǎn)錄組測(cè)序所得,并利用MISA軟件對(duì)所有測(cè)序所得的轉(zhuǎn)錄本進(jìn)行檢測(cè)、篩選與分析SSR,最終確定SSR 位點(diǎn)。根據(jù)SSR搜索標(biāo)準(zhǔn),將一、二、三、四、五和六核苷酸的最少重復(fù)次數(shù)的篩選標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)置為10、6、5、5、5、5,同時(shí)搜索復(fù)合SSR,統(tǒng)計(jì)不同SSR 類(lèi)型在轉(zhuǎn)錄組中的密度分布。結(jié)合SSR位點(diǎn)兩端保守的特點(diǎn),利用Primer 3.0引物設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行批量設(shè)計(jì)引物。從二~六核苷酸重復(fù)基元中隨機(jī)挑選315對(duì)預(yù)期擴(kuò)增產(chǎn)物為100~500 bp的SSR引物,交由北京鼎國(guó)昌盛生物技術(shù)有限責(zé)任公司合成,用于11份油梨種質(zhì)SSR引物篩選。

    1.4? SSR引物篩選和驗(yàn)證

    利用11份油梨種質(zhì)對(duì)合成的315對(duì)引物進(jìn)行引物有效性擴(kuò)增和篩選多態(tài)性,根據(jù)條帶擴(kuò)增效果,統(tǒng)計(jì)目的條帶擴(kuò)增穩(wěn)定、清晰的引物。

    PCR反應(yīng)體系15.0 μL,包括:10×Buffer(Mg2+ Plus)1.5 μL,dNTP(2.5 mmol/L)0.8 μL,正反向引物(5 μmol/μL)各1.0 μL,模板DNA 2.0 μL

    (50 ng/μL),Taq酶1 U,超純水補(bǔ)足至15.0 μL。PCR程序?yàn)椋?4 ℃ 5 min;33個(gè)循環(huán)(94 ℃ 30 s,60 ℃ 45 s,72 ℃ 1 min);最后72 ℃ 5 min。PCR產(chǎn)物用瓊脂糖檢測(cè),再利用6%變性聚丙烯酰胺凝膠電泳分離,電泳緩沖液為1×TBE,60 W恒功率電泳分離1.0 h,硝酸銀染色,拍照。

    2? 結(jié)果與分析

    2.1? 油梨轉(zhuǎn)錄組SSR位點(diǎn)分布頻率與基序特征

    從油梨轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果,共包含37 639條Unigenes序列,總長(zhǎng)為23 605 Mb,GC%為47.31,其中檢測(cè)到5 292條序列上包含了共6 419個(gè)SSR 位點(diǎn)。其中復(fù)合SSRs有428條,占總SSR的6.67%,含有2個(gè)或2個(gè)以上SSR位點(diǎn)的序列有909條,占總SSR的17.18%。

    油梨的二~六核苷酸重復(fù)基元的EST-SSRs分布頻率情況見(jiàn)表2。其中單堿基重復(fù)基元占比最高,為37.47%;二堿基重復(fù)基元次之,為31.80%;三堿基重復(fù)基元為29.80%; 四~六堿基重復(fù)基元最低,僅為0.93%。從重復(fù)次數(shù)看(表2),二~

    油梨EST-SSR基元類(lèi)型分布情況(表3)。單堿基重復(fù)基元有98.46%為(A/T)n形式;僅有1.54%為(C/G)n形式。二堿基重復(fù)基元有91.67%

    為(AG/CT)n形式,占SSR總數(shù)的29.15%;而僅占本類(lèi)基序比例最小的形式為(CG/CG)n形式,僅有0.24%,為SSR 總數(shù)的0.08%。三堿基重復(fù)基元有40.30%為(AAG/CTT)n形式,其次為(AGG/ CCT)n,占17.83%,(AGC/CTG)n占13.49%,(ACT/ AGT)n的形式最少,僅有0.78%。四~六堿基重復(fù)型的重復(fù)基元類(lèi)型多,但數(shù)量少,僅為SSR總數(shù)的0.93%。

    2.2? EST-SSR引物設(shè)計(jì)篩選和驗(yàn)證

    5 292條油梨轉(zhuǎn)錄組序列中,成功設(shè)計(jì)包括二~六核苷酸重復(fù)的SSR位點(diǎn)引物1 083條,涉及90種基元類(lèi)型,其中出現(xiàn)頻次大于10的基元類(lèi)型如圖2所示,其中CT/TC為主要基序類(lèi)型,占13.02%,基序類(lèi)型AGA次之,占4.43%,基序類(lèi)型GAA占4.25%,AAG 和CAG均占4.06%。

    隨后,從1 083條引物中隨機(jī)挑選、合成315對(duì)SSR引物,并用11份油梨種質(zhì)對(duì)合成的315對(duì)引物擴(kuò)增效果進(jìn)行檢驗(yàn)。其中,88對(duì)未擴(kuò)增出條帶,占27.94%;其中227對(duì)引物能擴(kuò)增出條帶,占設(shè)計(jì)引物總數(shù)的72.06%;34對(duì)引物在不同種群個(gè)體中擴(kuò)增出多態(tài)性條帶,占10.79%。圖3為引物PA118在11份油梨種質(zhì)中的擴(kuò)增。

    3? 討論

    微衛(wèi)星標(biāo)記由于其廣泛存在于真核生物的基因組上,已成為目前研究種質(zhì)資源遺傳多樣性、基因組作圖的首選標(biāo)記。SSR分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)途徑主要包括基因組的SSR標(biāo)記開(kāi)發(fā)、應(yīng)用已知EST數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行SSR標(biāo)記開(kāi)發(fā)以及通過(guò)同源物種轉(zhuǎn)移開(kāi)發(fā)SSR等。傳統(tǒng)上基因組開(kāi)發(fā)SSR標(biāo)記,通過(guò)片段化酶切基因組、回收、測(cè)序、構(gòu)建含SSR的序列小片段基因組文庫(kù),然后采用單克隆測(cè)序,成本高且操作繁雜、效率低下。Gross-German等[19]利用構(gòu)建油梨基因組小片段SSR富集文庫(kù)和已知EST序列庫(kù)開(kāi)發(fā)47個(gè)新的油梨SSR標(biāo)記,多態(tài)性較好的40個(gè)SSR,其中25個(gè)SSR和15個(gè)EST-SSR,EST-SSR開(kāi)發(fā)效率為4%。本研究利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)開(kāi)發(fā)油梨SSR共獲得37 639條Unigene通過(guò)MISA軟件進(jìn)行SSR搜索,獲得6 419個(gè)SSR,遠(yuǎn)高于采用其他方法開(kāi)發(fā)的油梨SSR標(biāo)記數(shù)量,

    成功設(shè)計(jì)1 083條引物。隨機(jī)挑選合成的315對(duì)引物篩選結(jié)果顯示,227對(duì)引物能擴(kuò)增出條帶,有效率達(dá)到72.06%,說(shuō)明從油梨轉(zhuǎn)錄組中設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)分子標(biāo)記引物有效率較高,有34對(duì)引物在11個(gè)種質(zhì)材料間表現(xiàn)出較好的多態(tài)性,開(kāi)發(fā)效率為10.79%。說(shuō)明利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)SSR開(kāi)發(fā)效率高于傳統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)。

    利用轉(zhuǎn)錄組開(kāi)發(fā)花椒[11]、紅松[21]、沙棘[22]等具有多態(tài)性引物的EST-SSR,有效性分別為28.13%、15.84%和22.35%。本研究發(fā)現(xiàn)油梨EST-SSR位點(diǎn)多,但相對(duì)于其他作物多態(tài)性引物開(kāi)發(fā)有效性不高。引物開(kāi)發(fā)效率低的原因:①用于分析的油梨樣品的數(shù)量和類(lèi)型影響開(kāi)發(fā)結(jié)果,樣品種群規(guī)模小,選擇存在一定的局限性;②油梨種質(zhì)資源的局限性,國(guó)內(nèi)油梨資源主要從國(guó)外引種,國(guó)內(nèi)已報(bào)道的油梨資源100份左右[23],與一些發(fā)達(dá)國(guó)家收集的油梨資源千余份存在一定的差距,種質(zhì)資源中國(guó)引種油梨只有100多年,且品種選育起步晚,水平較落后,只有桂研10號(hào)、桂墾系列等幾個(gè)優(yōu)良品系被推廣種植的報(bào)道[24]。③種群內(nèi)部近交率頻繁,種群間存在一定的隔離現(xiàn)象,種群間基因流阻斷,導(dǎo)致種群內(nèi)遺傳多樣性較低,多樣性主要來(lái)自種群間。④可能是基因轉(zhuǎn)錄區(qū)的具有較高的保守性,種屬間具備一定的通用性,利于后續(xù)的近緣物種間的應(yīng)用。

    研究發(fā)現(xiàn),除單核苷酸重復(fù)基元以外,油梨中最為常見(jiàn)的重復(fù)基元為二堿基和三堿基,與王明[13]、Jung[25]等在芒果及薔薇科植物中的研究結(jié)果相似。油梨的二堿基重復(fù)基元中,高達(dá)91.67%為(AG/CT)n形式,與水稻、玉米、小麥、大豆、夏蠟梅、花椒中二堿基重復(fù)基元出現(xiàn)頻率最高的(AG/CT)n相同[11-12, 26]。與夏蠟梅的相同[12],油梨的三堿基重復(fù)基元類(lèi)型最多為(AAG/CTT)n;而芒果的三堿基重復(fù)基元中以(TTC/GAA)n類(lèi)型最多[13],水稻、玉米、小麥、大豆的三堿基重復(fù)基元以(AAC/GTT)n類(lèi)型最多[26],花椒的三堿基重復(fù)基元以(GAA/CTT)n類(lèi)型最多[11]。四~六堿基重復(fù)型的重復(fù)基元類(lèi)型多,但數(shù)量少,僅為SSR總數(shù)的0.93%。

    本研究開(kāi)發(fā)了基于油梨轉(zhuǎn)錄組的SSR標(biāo)記,為油梨種群的遺傳多樣性分析、親本鑒定、交配系統(tǒng)估算、構(gòu)建遺傳連鎖圖譜等提供了新的途徑,同時(shí)油梨EST序列的開(kāi)發(fā)為挖掘新的SSR提供了豐富的資源,為油梨EST-SSR引物在近緣物種間拓展提供了新的途徑。

    4? 結(jié)論

    本研究結(jié)果表明,采用二代測(cè)序技術(shù)開(kāi)發(fā)油梨SSR標(biāo)記具有快速、簡(jiǎn)單、有效、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn);成功開(kāi)發(fā)獲得的多態(tài)性的油梨SSR標(biāo)記可用于研究油梨種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析及其相關(guān)近緣物種(如肉桂、樟樹(shù)等)的遺傳變異研究,同時(shí)為中國(guó)油梨品種選育及遺傳改良提供有力的技術(shù)支持。

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