基于高通量測序方法的蒙古櫟SSR標記開發(fā)

陳 罡，于世河，姜義仁，卜鵬圖，鄭 穎，馮 健

（1遼寧省林業(yè)科學研究院，沈陽 110032；2沈陽農(nóng)業(yè)大學生物科學技術學院，沈陽 110866）

0 引言

蒙古櫟(Quercus mongolica)為殼斗科櫟屬植物，主要分布于中國的華北、東北，朝鮮半島，俄羅斯遠東和蒙古等地。蒙古櫟是國內東北和華北地區(qū)針闊葉混交林的主要建群種，在維持地域生態(tài)平衡和生態(tài)系統(tǒng)恢復重建中有重要的作用，因此具有重要的生態(tài)價值和經(jīng)濟價值[1]。有關蒙古櫟種內遺傳變異的研究相對較少[2]，為育種、造林和基因資源保存，有必要對現(xiàn)有的蒙古櫟天然林、天然次生林進行分子水平的遺傳多樣性研究[3]。

SSR標記是一種比較理想的共顯性分子標記，具有基因組中廣泛存在、特異性強、多態(tài)性高、實驗重復性好、結果穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，被廣泛應用于林木遺傳改良、遺傳圖譜構建、分子標記輔助育種、遺傳多樣性研究、親緣關系分析、種質資源保存、QTL作圖等許多應用研究領域[4]。目前，對部分地區(qū)的蒙古櫟群體遺傳多樣性研究大都利用RAPD標記、等位酶技術、AFLP技術及ISSR標記等顯性分子標記技術[5-8]，可供利用的專門針對蒙古櫟開發(fā)的SSR標記較少[9-11]，因此需要更多的SSR標記的開發(fā)進行補充，以增加位點數(shù)[12]。目前尚未見到利用二代基因組測序技術開發(fā)蒙古櫟SSR位點的報道。本研究基于中國分布蒙古櫟基因組de novo拼接的二代測序數(shù)據(jù)，旨在發(fā)掘一批擴增效率高、多態(tài)性好的引物，為進一步開展蒙古櫟遺傳資源評價、種質資源多樣性分析提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018年6月下旬采集遼寧8個不同地區(qū)的蒙古櫟葉片，硅膠干燥保存?zhèn)溆谩Ｓ糜诙鷾y序建庫的樣本群體為DA（采自撫順大孤家），用于引物驗證的8個樣本信息見表1。

表1 樣本采樣信息

1.2 基因組DNA提取與建庫測序

采用CTAB法提取基因組DNA[13]，用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA大小和完整性。利用NanoDrop ND-2000分光光度計（Thermo Fish Scientific公司）分析DNA純度和濃度，隨后用1×TE緩沖液稀釋基因組DNA至終濃度為20 ng/μL，-20℃保存?zhèn)溆谩?/p>

DNA打斷，末端補平，3'端加A，連接測序接頭，文庫構建并質檢，構建合格的文庫利用Illumina HiSeq2500平臺進行雙末端測序。實驗由北京閱微基因技術有限公司完成。

1.3 生物信息學分析

原始數(shù)據(jù)以FASTQ格式進行保存，用Trimmomatic軟件[14]進行數(shù)據(jù)過濾，去除reads中包含的測序接頭序列、低質量序列、重復reads、含N（N表示無法確定堿基信息）的序列，最后得到干凈序列(clean reads)。用Flash軟件進行無參考基因組的de novo拼接[15]，默認參數(shù)設置。

1.4 基因組SSR位點開發(fā)與引物設計

利用MISA軟件[16]對拼接好的序列片段進行SSR位點搜索和鑒定，MISA軟件能識別出序列中的單核苷酸SSR和復合SSR及所在的位點，查找參數(shù)設為二、三、四、五核苷酸最小重復次數(shù)為6、5、5、5次。用Primer3對含有SSR位點且側翼適合設計引物的序列進行引物設計。將設計的引物與前人已開發(fā)的SSR引物進行比對，去除重復位點。

1.5 引物篩選與PCR擴增

PCR 反應體系為 10 μL：10×Buffer I 1.0 μL，2.5 mmol/L dNTP 0.8 μL，帶有M13序列的熒光引物TP-M13(5 μmol/L)0.5 μL（HEX 或 FAM 熒光），特異SSR 引 物 (5 μmol/L)0.6 μL，Takara HS Taq（ 大 連TaKaRa生物）0.1 μL，DNA模板1.2 μL，ddH2O 5.8 μL。

按以下程序在GeneAmp 9700上（Applied Biosystems公司）完成PCR擴增。95℃在PCR儀上進行預熱5 min；然后94℃模板變性30 s，60℃退火30 s，72℃延伸30 s，程序重復30次循環(huán)；隨后94℃變性30 s，53℃退火30 s，72℃延伸擴增30 s，重復10個循環(huán)；最后60℃持續(xù)30 min。向96孔板中每孔加入分子量內標GS500 LIZ（Applied Biosystems公司）和甲酰胺混合液(0.5:8.5)9 μL，PCR產(chǎn)物1.0 μL，95℃變性3 min。帶有不同熒光PCR擴增產(chǎn)物上ABI 3730XL測序儀進行檢測。將檢測得到的原始數(shù)據(jù)“.fsa”文件導入到分析軟件GeneMapper 3.2（Applied Biosystems公司）中進行自動分析，手工校正。多色熒光引物合成和檢測均由北京閱微基因技術有限公司完成。用Popgene32軟件計算遺傳距離(Nei)[17]。

2 結果與分析

2.1 蒙古櫟SSR位點開發(fā)

共測得2.6 G的數(shù)據(jù)量，獲得原始reads 8956795對，用Flash軟件拼接后獲得4876401條序列。MISA軟件對拼接后的序列進行掃描，搜索鑒定SSR位點，共在282605條序列鑒定出SSR基元，占拼接序列總數(shù)的5.8%。選擇含有SSR位點的序列，利用Primer3批量設計引物，設計引物參數(shù)為GC含量40%～60%，退火溫度Tm為50～60℃，引物長度18～25 bp，目的片段預期100 bp以上，符合引物設計條件的序列148479條，占含SSR重復基元序列數(shù)的52.5%。這些序列構成了后續(xù)進行大規(guī)模SSR引物開發(fā)的序列基礎。

2.2 蒙古櫟SSR引物的確定

作為初步研究，隨機挑選合成40對引物進行篩選和驗證，最終篩選出10對重復性好的SSR引物（表2），其中7個位點的重復基元為3核苷酸重復，4核苷酸重復位點有3個。從重復基元的類型看，位點N1014482和N4544558重復核苷酸類型是一樣的(AAT)，位點N1010265和N1110207是CAA重復，位點N1105306和N4529840的重復類型是相同的(TTC)，其余4個位點的重復基元序列均不同。

2.3 毛細管電泳熒光檢測

為驗證這些引物是否在群體中具有多態(tài)性，利用采自遼寧不同地區(qū)的8個蒙古櫟樣本進行擴增驗證。圖1所示為引物對N1010265的熒光擴增產(chǎn)物在自動測序儀上的條帶大小，模板分別來自采集的8個地區(qū)樣本，橫坐標為擴增的片段大小，縱坐標為擴增產(chǎn)物的熒光強度。從圖中可以看出，總體信號清晰，8個DNA樣品的電泳峰型各異，呈現(xiàn)出較好的多態(tài)性。統(tǒng)計結果表明，這10個SSR位點均為多態(tài)性位點（表2），等位基因數(shù)最高的是N1457047位點，達到6個?？傮w上，片段大小范圍為135～215 bp，片段最長的位點是N4529840，為200～215 bp；片段最短的是N1345390和N12361位點，擴增長度分別為135～153、139～152 bp。

圖1 利用引物N1010265對8個樣品擴增的峰值圖

表2 蒙古櫟10對SSR引物信息

2.4 新開發(fā)SSR標記群體內檢測

為進一步驗證新開發(fā)SSR引物的有效性，選用10對引物對采集自撫順大孤家地區(qū)的15個蒙古櫟材料進行擴增，結果表明，15個材料的遺傳距離在0.689～0.919之間（表3），說明在同一地區(qū)群體內存在一定的遺傳變異，通過計算得出該群體平均等位基因數(shù)為4.2個，有效等位基因數(shù)為2.7個，Shannon多樣性指數(shù)為1.104，從結果可見蒙古櫟群體遺傳多樣性處于較高水平。

表3 15個蒙古櫟材料遺傳距離

3 結論與討論

SSR標記的開發(fā)需要預先知道側翼序列信息以設計引物進行PCR擴增，這些序列通常利用一代測序方法獲得，檢測方法也是低通量的聚丙烯酰胺凝膠電泳。因此，傳統(tǒng)的SSR標記開發(fā)引物通常都涉及一系列繁復的基因組建庫、重復片段富集、雜交、多個克隆篩選和桑格測序等操作步驟[18]，效率較低成本較高，使得SSR標記僅在模式植物或者是經(jīng)濟價值較高的植物上得到開發(fā)和應用[19]。隨著新一代測序技術帶來的高通量優(yōu)勢，測序效率大大提高，對物種的基因組和轉錄組進行大規(guī)模測序和細致分析成為簡單易行的方法，給SSR標記的開發(fā)也帶來了很大便利[20-21]；另一方面，隨著多色熒光標記檢測技術的廣泛應用，SSR片段的記錄和分析可以實現(xiàn)自動化，檢測效率、準確率和重復性得到明顯改進[22]。本研究利用高通量測序技術，在較短時間內開發(fā)了10對蒙古櫟專屬SSR引物，對SSR新位點多態(tài)性驗證表明，每個位點的等位基因數(shù)為4～6，平均為4.5個，且均具有較好多態(tài)性，這將為下一步分析遼寧地區(qū)分布的蒙古櫟群體遺傳多樣性和遺傳改良提供技術基礎。

鑒于SSR標記的優(yōu)點，研究人員十分關注SSR標記引物的開發(fā)。就SSR引物的來源看，一種是來源于近緣物種間的通用性引物，這種方法雖然方便、快捷、經(jīng)濟，但是存在很大的物種局限性，原物種的SSR基因位點在其他物種間轉移擴增時，存在未知性和同源性問題，盲目性較大。另一種則是基于各種方法開發(fā)物種特有SSR位點。開發(fā)特有SSR標記的方法各具優(yōu)勢，常用方法如基于ISSR-PCR開發(fā)SSR標記、基于EST序列開發(fā)SSR標記等，本研究是基于基因組de novo拼接序列數(shù)據(jù)開發(fā)SSR標記，鑒定的10個SSR位點中，三基元的占了70%，其中CAA基元和TTC基元相對占比較高，與前人開發(fā)的櫟屬SSR標記特征有所不同[23-25]，這可能與此次統(tǒng)計的SSR位點相對較少，且在引物設計時剔除了復合型和非完全型的SSR位點有關，將在今后蒙古櫟SSR標記開發(fā)中做進一步研究。