牛樟EST—SSR標(biāo)記的開發(fā)及遺傳多態(tài)性分析

郭鶯　孟紅巖　林文珍　林志楷　劉黎卿

摘 要 本研究通過測(cè)序牛樟葉片cDNA獲得17 046條Uni-EST，從中檢測(cè)出1 316個(gè)SSR位點(diǎn)，平均每 25.7 kb EST含1個(gè)SSR位點(diǎn)。功能注釋發(fā)現(xiàn)1 242條SSR-EST中有690條可被劃分為3大功能類、18個(gè)功能亞類。牛樟EST-SSR二核苷酸重復(fù)類型出現(xiàn)頻率最高，三核苷酸次之。184類重復(fù)基序中AG/CT出現(xiàn)頻率最高（32.4%），其次為AAG/CTT（9.3%）。從1 242條SSR-EST設(shè)計(jì)SSR引物537對(duì)，隨機(jī)選取150對(duì)檢測(cè)牛樟的多態(tài)性及在香樟、大葉樟和沉水樟中的可轉(zhuǎn)移性。結(jié)果表明，有44對(duì)引物在牛樟中得到特異性擴(kuò)增，其中17對(duì)具有多態(tài)性，檢測(cè)出的等位基因數(shù)2～7個(gè)，平均3.02個(gè)。牛樟SSR標(biāo)記在香樟、沉水樟和大葉樟的可轉(zhuǎn)移率分別為97.7%、97.7%和95.3%。聚類分析表明，在遺傳相似系數(shù)為0.76處，14個(gè)樟屬植物能被劃分為5類，聚類結(jié)果與植物學(xué)分類結(jié)果基本吻合。

關(guān)鍵詞 牛樟；EST-SSR；標(biāo)記開發(fā)；遺傳多態(tài)性

中圖分類號(hào) Q949.747.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract 17 046 Uni-ESTs were generated by sequencing cDNA of Cinnamomum kanehirae， of which 1 316 SSR loci were identified with 1 SSR on every 25.7 kb EST. Analysis of GO （gene ontology） showed that 690 SSR-ESTs could be divided into three major functional categories and 18 functional sub-categories. Di-nucleotide repeat was the most abundant repeat type followed by tri-nucleotide repeat in EST of C. kanehirae. In 184 motif types， AG/CT （32.4%） was the most abundant followed by AAG/CTT （9.3%）. Based on the 1 242 SSR-EST， a total of 537 primer pairs were successfully designed. 150 primer pairs were randomly selected to detect the polymorphism in C. kanehirae and test transferability in C. camphora， C. micranthum and C. parthenoxylon. The results showed that 44 primer pairs were specifically amplified in C. kanehirae， of which 17 pairs were polymorphic and the number of alleles detected was 2–7， with an average of 3.02. The transfer rates of C. kanehirae SSR marker in C. camphora， C. micranthum and C. parthenoxylon were 97.7%， 97.7% and 95.3%， respectively. Cluster analysis showed that at the genetic similarity coefficient 0.76， 14 Cinnamomum plant samples could be divided into five groups. The clustering result was in good agreement with the result of botany classification.

Keywords Cinnamomum kanehirae； EST-SSR； marker development； genetic polymorphism

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2018.08.014

牛樟（Cinnamomum kanehirae Hay），又名黑樟，隸屬于樟目（Laurales）樟科（Lauraceae）樟屬（Cinnamomum），是臺(tái)灣原生特有樹種，被列為國(guó)家三級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物。牛樟既是木雕、家具和建筑的上等原料，同時(shí)也是一種具有很高觀賞價(jià)值的景觀樹種。牛樟整個(gè)植株含有芳香油，其主要成分黃樟油素是香料洋茉莉醛的原料，在工業(yè)上具有廣泛的用途。此外，牛樟是牛樟芝（Antrodia camphorata）的寄生樹種。牛樟芝在醫(yī)學(xué)上被稱為“藥芝之王”，具有強(qiáng)化免疫、抗癌、抗過敏、降血脂、解毒保肝等藥用和保健功效[1]。近年來，重要林木的遺傳多樣性及遺傳育種研究取得長(zhǎng)足進(jìn)展[2-3]。然而，由于缺乏有效的DNA標(biāo)記，目前有關(guān)牛樟的資源收集分類、遺傳多樣性及遺傳育種研究進(jìn)展仍相當(dāng)緩慢。因此，開發(fā)高效的DNA標(biāo)記成為牛樟遺傳資源開發(fā)利用的當(dāng)務(wù)之急。

近年來，通過第二代DNA測(cè)序技術(shù)快速獲得的EST（expressed sequence tag）數(shù)據(jù)成為SSR（simple sequence repeat）的重要來源[4]。與genomic-SSR相比，EST-SSR具有其特殊優(yōu)勢(shì)：（1）信息量大，EST-SSR屬于表達(dá)基因的一部分，當(dāng)此基因控制某一性狀，則該標(biāo)記與此性狀相關(guān)[5]；（2）可轉(zhuǎn)移性高，與非轉(zhuǎn)錄區(qū)相比，來自轉(zhuǎn)錄區(qū)的EST-SSR序列保守性更強(qiáng)，故在近緣物種中具有更高的可轉(zhuǎn)移性，可作為比較基因組學(xué)研究中的公共標(biāo)記[6]；（3）開發(fā)簡(jiǎn)便、快捷、成本低，EST-SSR標(biāo)記的開發(fā)通常是轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析的“副產(chǎn)品”，幾乎不用成本。目前經(jīng)濟(jì)林木如橡膠樹、胡楊、云杉、牡丹、茶樹等已開發(fā)大量的EST-SSR[7-11]，并應(yīng)用于遺傳多樣性分析、遺傳圖譜構(gòu)建、基因定位及QTL分析等研究上[12-14]，但在牛樟上至今尚未開發(fā)出EST-SSR標(biāo)記。

本研究在測(cè)序獲得牛樟葉片EST序列數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過分析牛樟EST-SSR的分布頻率及特征，開發(fā)牛樟EST-SSR標(biāo)記，并對(duì)其在牛樟中的多態(tài)性和其他樟屬植物上的可轉(zhuǎn)移性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為后續(xù)牛樟遺傳資源的開發(fā)利用打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料 牛樟葉片cDNA文庫測(cè)序獲得的2.4 Gb EST序列數(shù)據(jù)。用于EST-SSRs檢測(cè)的牛樟樣本8個(gè)，香樟（Cinnamomum camphora）4個(gè)，沉水樟（Cinnamomum micranthum）和大葉樟（Cinnamomum parthenoxylon）各1個(gè)，由福建省亞熱帶植物研究所提供（表1）。

1.1.2 試劑與儀器 磁珠法植物DNA提取試劑盒（貨號(hào)：AU3111，百泰克，中國(guó)），Hiseq 2500測(cè)序系統(tǒng)（Illumina，美國(guó)），超微量分光光度計(jì)（型號(hào)：Nanodrop 2000，Thermo Scientific，德國(guó)），F(xiàn)ragment AnalyzerTM自動(dòng)化毛細(xì)管電泳系統(tǒng)（型號(hào)：FSV2-CE，生產(chǎn)商：美國(guó)AATI）。

1.2 方法

1.2.1 牛樟葉片RNA提取及EST測(cè)序 從牛樟樣本C. kanehirae-1選取嫩葉作為測(cè)序材料，液氮速凍，置于80 ℃冰箱中，凍存?zhèn)溆?。隨后提取牛樟葉片總RNA，用帶有Oligo（dT）的磁珠富集真核生物的mRNA，加入fragmentation buffer將mRNA打斷成短片段，以mRNA為模版，用random hexamers（六堿基隨機(jī)引物）合成第一條cDNA鏈，然后加入緩沖液、dNTPs、RNase H和DNA polymerase I合成第二條cDNA鏈，cDNA質(zhì)量檢測(cè)合格后經(jīng)過末端修復(fù)、3加polyA和連接測(cè)序接頭，建好的文庫在Hiseq 2500測(cè)序系統(tǒng)進(jìn)行100 bp雙末端（paired-end）測(cè)序。RNA提取、反轉(zhuǎn)錄、建庫、測(cè)序和序列拼接等過程由北京諾禾致源生物信息科技有限公司完成。

1.2.2 樟屬植物DNA提取 采用磁珠法植物DNA提取試劑盒提取樟屬植物葉片基因組DNA，并用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA質(zhì)量，用超微量分光光度計(jì)測(cè)定DNA濃度。所有DNA樣本用超純水統(tǒng)一稀釋至50 ng/μL，并保存于20 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 SSR位點(diǎn)搜索 原始牛樟EST序列拼接為Uni-EST，采用MISA（MIcroSAtellite identification tool）軟件（http：//pgrc.ipk-gatersleben.de/misa/）從中搜索SSR位點(diǎn)。搜索標(biāo)準(zhǔn)為二、三、四、五、六核苷酸基序（motif）重復(fù)次數(shù)分別≥10、7、5、4、4。由于難以區(qū)分EST-SSR中的單核苷酸重復(fù)序列A/T與cDNA中的PolyA/T，故本研究未將單核苷酸重復(fù)序列列入搜索范圍。根據(jù)搜索標(biāo)準(zhǔn)，MISA配置文件（misa.ini）中參數(shù)設(shè)置為2-10、3-7、4-5、5-4、6-4，其中數(shù)據(jù)對(duì)第一個(gè)數(shù)字代表SSR基序長(zhǎng)度，第2個(gè)數(shù)字代表基序重復(fù)的最少次數(shù)。

1.2.4 SSR引物設(shè)計(jì) 采用Primer Premier 5軟件（http：//www.premierbiosoft.com/primerdesign/）從SSR位點(diǎn)側(cè)翼序列設(shè)計(jì)引物。引物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：（1）引物長(zhǎng)度18～24 bp；（2）引物GC含量40%～ 60%；（3）預(yù)期擴(kuò)增產(chǎn)物大小100～500 bp；（4）引物最適溶解溫度（Tm）72 ℃，最適復(fù)性溫度55 ℃。

1.2.5 PCR擴(kuò)增及檢測(cè) PCR擴(kuò)增體系為20 μL：基因組DNA 50 ng，0.15 μmol/L正反向引物， 0.2 mmol/L dNTPs，1 U Taq DNA聚合酶，1×PCR緩沖液（50 mmol/L KCl，1.5 mmol/L MgCl2，0.1%明膠，10 mmol/L Tris-HCl，pH 8.3）。PCR程序：94 ℃ 5 min；94 ℃ 30 s，55 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，35個(gè)循環(huán)；72 ℃ 5 min。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)Fragment AnalyzerTM自動(dòng)化毛細(xì)管電泳系統(tǒng)進(jìn)行電泳檢測(cè)。

1.2.6 SSR-EST的功能注釋 為了研究牛樟SSR-EST的基因功能，本研究應(yīng)用Blastx工具

（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/），將1 242條牛樟SSR-EST在Uniprot數(shù)據(jù)庫（http：//www. uniprot.org/）中進(jìn)行同源比對(duì)（E-value Le-5）。根據(jù)Uniprot數(shù)據(jù)庫的GOA（Gene Ontology Annotation）系統(tǒng)進(jìn)行功能分類。通過基因的相似性進(jìn)行功能注釋，序列比對(duì)匹配標(biāo)準(zhǔn)：（1）分值（score）>80；（2）序列一致性（identity）>35%。

1.2.7 SSR-ESTs ORF預(yù)測(cè) 利用Open Reading Frame Finder（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov/orffinder/）尋找SSR-EST中的開放閱讀框架（open reading frame， ORF），預(yù)測(cè)SSR位點(diǎn)坐落于5-UTR（5untranslated region）、CDS（Coding sequence）或者3-UTR（3untranslated region）。

1.2.8 聚類分析 統(tǒng)計(jì)EST-SSR引物在實(shí)驗(yàn)材料中檢測(cè)的等位基因數(shù)，同一電泳遷移位置上，有電泳峰的記為1，無峰的記為0，聚類分析采用NTSYSpc軟件（http：//www.exetersoftware.com/cat/ ntsyspc/ntsyspc.html），聚類方法為非加權(quán)配對(duì)算術(shù)平均法（unweighted pair group method using arithmetic average，UPGMA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛樟EST-SSR分布特點(diǎn)

將牛樟葉片cDNA文庫測(cè)序獲得的原始序列拼接后獲得17 046條Uni-EST。通過MISA軟件共搜索到1 316個(gè)SSR位點(diǎn)，分布于1 242條EST中，出現(xiàn)頻率為1 SSR/25.7 kb，其中70條EST含有一個(gè)以上的SSR。二、三、四、五、六核苷酸重復(fù)在牛樟EST-SSR中均存在，且出現(xiàn)頻率存在明顯差異。出現(xiàn)頻率最高為二核苷酸重復(fù)，占44.1%（581個(gè)）；其次為三核苷酸重復(fù)，占23.6%（310個(gè)）；四、五、六核苷酸重復(fù)分別只占9.1%、13.5%和9.6%（表2）。本研究中牛樟EST-SSR平均長(zhǎng)度為21 bp，二、三、四、五、六核苷酸重復(fù)長(zhǎng)度分別為20.4、21.5、20.6、20.6和25.7 bp（表3）。牛樟EST-SSR二至六核苷酸基序的出現(xiàn)頻率隨著重復(fù)次數(shù)的增加而急劇下降，如重復(fù)10次的二核苷酸基序有469個(gè)，重復(fù)11次的只有105個(gè)，而重復(fù)12次的僅有7個(gè)。

本研究中牛樟EST-SSR種類較為豐富，包含184種基序類型，二至六核苷酸重復(fù)分別含有3、10、21、56和94種基序類型。由圖1可知，出現(xiàn)頻率最高的基序類型為AG/CT（32.4%），其次是AAG/CTT（9.3%），第3是AT/AT（8.9%）。

2.2 SSR-EST的功能注釋

由于SSR-EST屬于表達(dá)基因的一部分，EST- SSR與genomic-SSR相比最大的優(yōu)點(diǎn)是具有某些生物學(xué)功能。本研究檢測(cè)到了牛樟1 242條SSR- EST，其中690條SSR-EST被注釋到3大功能類、18項(xiàng)功能亞類中，剩余552條SSR-EST因數(shù)據(jù)庫中缺乏與之相似的基因序列而無法進(jìn)行功能注釋（表4）。在與功能大類“生物過程”相關(guān)的232條SSR-EST所涉及的11項(xiàng)功能亞類中，34.5%與細(xì)胞過程相關(guān)，17.8%與代謝過程相關(guān)，11.6%與細(xì)胞發(fā)育相關(guān)。與分子功能相關(guān)的258條SSR- EST所涉及的11項(xiàng)功能中，與結(jié)合因子相關(guān)的EST數(shù)量最多（31.8%），其次是與催化反應(yīng)相關(guān)的（27.5%）。與細(xì)胞組分相關(guān)的200條SSR-EST所涉及的6項(xiàng)功能中，與細(xì)胞相關(guān)的占54.5%，與細(xì)胞質(zhì)部分相關(guān)的占20.5%，其余占25%。

2.3 EST-SSR多態(tài)性分析

對(duì)1 242條牛樟SSR-EST進(jìn)行引物設(shè)計(jì)，其中705條因SSR側(cè)翼序列長(zhǎng)度不夠無法設(shè)計(jì)，最終只成功設(shè)計(jì)出537對(duì)SSR引物。為檢測(cè)引物的擴(kuò)增效果，隨機(jī)挑選150對(duì)引物擴(kuò)增8份來自不同地區(qū)的牛樟樣本DNA（表1）。結(jié)果表明，在牛樟中能擴(kuò)增出特異條帶的引物有44對(duì)，另有43對(duì)只擴(kuò)增出非特異性條帶，剩余63對(duì)無任何擴(kuò)增產(chǎn)物。特異性擴(kuò)增引物中，有38對(duì)擴(kuò)增長(zhǎng)度與預(yù)期完全一致，另有1對(duì)大于預(yù)期，5對(duì)小于預(yù)期。43對(duì)牛樟特異性擴(kuò)增引物在香樟、沉水樟和大葉樟上同樣能產(chǎn)生有效擴(kuò)增，可擴(kuò)增率分別為97.7%、97.7%和95.3%，平均可擴(kuò)增率為96.9%，表明牛樟EST-SSR在其他3種樟屬植物中具有很高的可轉(zhuǎn)移性。

44對(duì)特異性擴(kuò)增引物中有43對(duì)在8個(gè)牛樟樣本中能檢測(cè)出多態(tài)性。每對(duì)引物檢測(cè)出2～6個(gè)等位基因（圖2），平均3.02個(gè)（表5），總共檢測(cè)到134個(gè)等位基因。44對(duì)牛樟特異性EST-SSR引物在14個(gè)樟屬植物樣本間均能檢測(cè)出多態(tài)性。每對(duì)引物檢測(cè)出等位基因數(shù)2～8個(gè)，平均4.3個(gè)，累計(jì)檢測(cè)出等位基因數(shù)189個(gè)。

SSR位于5-UTR、CDS和3-UTR的特異性擴(kuò)增引物在牛樟中平均檢測(cè)出的等位基因數(shù)分別為3.57、2.56和2.67個(gè)（表5）。顯然，在牛樟EST中，位于5-UTR和3-UTR的SSR比位于CDS的擁有更高的多態(tài)性。

2.4 樟屬植物的聚類分析

聚類分析表明，樟屬植物樣本間的遺傳距離為0.89～0.74（圖3）。在相似系數(shù)為0.76處，14個(gè)樟樹植物樣本可聚為5類，第1類包含8個(gè)牛樟樣本，樣本間的遺傳距離為0.89～0.765；第2類包含1個(gè)香樟樣本（C. camphora-2）和1個(gè)大葉樟樣本（C. parthenoxylon）；第3類只包含沉水樟樣本（C. micranthum）；第4類只包含1個(gè)香樟樣本（C. camphora-1）；第5類包含2個(gè)香樟樣本（C. camphora-3和C. camphora-4）。

3 討論

本研究通過轉(zhuǎn)錄組測(cè)序獲得17 046條Uni- EST，搜索出1 316個(gè)SSR位點(diǎn)，共有1 242條EST（7.2%）含SSR，表明牛樟EST中SSR較為豐富，但與其他木本植物如洋槐（13.9%）[15]、橡膠樹（23.9%）[16]、花楸（7.7%）[4]等相比，其EST-SSR含量仍偏低，其原因在于不同木本植物上EST-SSR搜索的標(biāo)準(zhǔn)不同。本研究中采用的搜索標(biāo)準(zhǔn)較為嚴(yán)格，首先是不包含單核苷酸重復(fù)，其次是二、三、四、五、六核苷酸重復(fù)的次數(shù)分別至少為10、7、5、4、4，遠(yuǎn)高于其他研究的標(biāo)準(zhǔn)。

植物EST-SSR以三核苷酸和二核苷酸重復(fù)類型為主[17]，其中三核苷酸重復(fù)多見于被子植物，但也有部分木本植物以二核苷酸重復(fù)為主，如楊樹、茶樹、山胡椒等[18-20]。本研究中牛樟EST-SSR的二核苷酸重復(fù)占44.1%，明顯高于三核苷酸重復(fù)（23.6%），這與楊樹、茶樹等其他木本植物的研究結(jié)果相似。牛樟EST-SSR的重復(fù)基序類型以AG/CT（32.4%）、AT/AT（8.9%）和AAG/CTT為主（9.3%），與橡膠樹[16]和檸條[21]等相似，這也是被子植物中最豐富的重復(fù)類型。

本研究用的150對(duì)EST-SSR引物有63對(duì)無擴(kuò)增產(chǎn)物，另外43對(duì)產(chǎn)生非特異擴(kuò)增，擴(kuò)增失敗的比例較高，其原因可能是：（1）由于牛樟基因組的復(fù)雜性，導(dǎo)致部分Uni-EST序列無法正確拼接；（2）上下游引物位點(diǎn)間有一個(gè)或多個(gè)長(zhǎng)片段內(nèi)含子；（3）擴(kuò)增區(qū)段存在比較復(fù)雜的高級(jí)結(jié)構(gòu)。在可擴(kuò)增的44對(duì)引物中有1對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物長(zhǎng)度大于預(yù)期，這可能與擴(kuò)增產(chǎn)物含有內(nèi)含子，或者發(fā)生小片段DNA插入有關(guān)。

理論上，由于EST受選擇壓力的影響，序列的保守性比基因組其他區(qū)域更高，因此與genomic- SSR相比，EST-SSR在近緣物種間具有更高的可轉(zhuǎn)移性。目前有關(guān)植物EST-SSR的可轉(zhuǎn)移性研究均支持上述觀點(diǎn)[6]。本研究表明牛樟EST-SSR在其他樟屬植物中均具有較高的可轉(zhuǎn)移性。

聚類分析表明EST-SSR聚類結(jié)果與植物學(xué)分類結(jié)果基本吻合，如8個(gè)牛樟樣本單獨(dú)聚為一類，能夠完全與其他樟屬植物區(qū)分開來。但由于形態(tài)性狀和DNA標(biāo)記間通常缺乏顯著的相關(guān)性，導(dǎo)致基于形態(tài)性狀的植物學(xué)分類和EST-SSR聚類結(jié)果并不完全一致。此外，由于牛樟EST-SSR在其他樟樹植物上的擴(kuò)增特異性降低，也可能造成聚類結(jié)果出現(xiàn)偏差。如牛樟EST-SSR將不屬于同一個(gè)種（species）的香樟樣本C. camphora-2和大葉樟樣本C. parthenoxylon聚為一類。

EST-SSR具備信息量大、通用性好、開發(fā)簡(jiǎn)捷成本低等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在明顯的缺點(diǎn)，即多態(tài)性低。研究表明，SSR位點(diǎn)的多態(tài)性與其核苷酸重復(fù)次數(shù)呈正相關(guān)，重復(fù)次數(shù)越多，多態(tài)性越高[22]。EST-SSR核苷酸重復(fù)次數(shù)明顯低于genomic-SSR，因此對(duì)應(yīng)的多態(tài)性也偏低[23]。此外，基因編碼區(qū)序列的保守性可能也是導(dǎo)致其多態(tài)性偏低的原因，特別是編碼區(qū)內(nèi)的核苷酸重復(fù)次數(shù)的變動(dòng)容易產(chǎn)生致死性的移碼突變，長(zhǎng)期的自然選擇壓力嚴(yán)重抑制了編碼區(qū)內(nèi)的核苷酸重復(fù)次數(shù)的變動(dòng)。由于本研究在進(jìn)行EST-SSR開發(fā)時(shí)設(shè)置的搜索標(biāo)準(zhǔn)較高，SSR核苷酸重復(fù)次數(shù)較其他研究高，且多數(shù)SSR位點(diǎn)落在非編碼區(qū)，因此在牛樟和樟屬植物中均檢測(cè)到較高的多態(tài)性。說明在開發(fā)EST-SSR引物時(shí)應(yīng)選擇基序重復(fù)次數(shù)高的SSR-EST序列，同時(shí)避免SSR位點(diǎn)落在編碼區(qū)，以提高EST-SSR的多態(tài)性。

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