李歐靜,張桂華,蘭青闊 ,王 永 ,趙 新 ,朱 珠 ,陳 銳,郭永澤
(1.天津市農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所,天津 300381;2.天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司,天津 300192)
蔬菜種子純度是種子質(zhì)量的重要指標(biāo),其鑒定方法有田間形態(tài)試驗、RAPD、SSR、同工酶標(biāo)記等,但這些方法在操作性、穩(wěn)定性、多態(tài)性等方面不能滿足目前的需要。單核苷酸多態(tài)性(Single nucleotide polymorphism,SNP)是指基因組水平上由單個核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性。近年來,SNP標(biāo)記以其二態(tài)性、等位基因性、高密度性以及高遺傳穩(wěn)定性等優(yōu)點成為研究熱點,被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物遺傳學(xué)研究[1]和品種鑒定當(dāng)中[2]。
焦磷酸測序技術(shù)(Pyrosequencing)是實時、定量分析DNA序列的新一代測序技術(shù),是基于引物引導(dǎo)的多聚酶延伸下的核酸合成的新型DNA測序技術(shù)[3],具有操作簡單、費用低、通量高、結(jié)果準(zhǔn)確和自動化程度高等優(yōu)點,特別適合SNP、small InDel等短序列分析,具有較高的靈敏性和準(zhǔn)確性。Pyrosequencing技術(shù)的另一突出優(yōu)勢在于與DNA池(DNA Pooling)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。Pooling技術(shù)的原理是將已知對照樣本和多個未知樣本混合在一起進(jìn)行PCR擴增,PCR產(chǎn)物經(jīng)基因分型、最后用統(tǒng)計學(xué)方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到已知樣本在總樣本中的比例[4]。Pyrosequencing和Pooling聯(lián)用技術(shù)兼有Pyrosequencing的定量測序優(yōu)點和Pooling高通量的優(yōu)點,特別適用于大規(guī)模樣品的等位基因頻率分析[5],能滿足種子純度鑒定大樣本量的需求。
筆者分析了黃瓜SNP位點CLA13(C/G)在16個黃瓜育種材料中的多態(tài)性,結(jié)合Pyrosequencing和DNA Pooling技術(shù),建立3Pooling SNP Pyrosequencing標(biāo)準(zhǔn)曲線,快速、高效的鑒定黃瓜種子純度,旨在為后續(xù)的品種鑒定及大批量的蔬菜種子純度鑒定奠定基礎(chǔ)。
供試材料:16個黃瓜雜交種及其母本、父本的基因組DNA由天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所提供。
1.2.1 SNP位點的選擇及引物設(shè)計 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫檢索、驗證獲得黃瓜SNP位點CLA13(C/G),利用PSQ Assay Design軟件設(shè)計用于焦磷酸測序的PCR引物、測序引物以及需要分析的目標(biāo)序列(Sequence to Analyze),其中前引物5’加生物素(Biotin)標(biāo)記修飾見表1。引物由上海生工生物工程有限公司合成。
表1 CLA13(C/G)位點焦磷酸測序引物序列
1.2.2 焦磷酸測序反應(yīng) 包括用于制備測序反應(yīng)模板的PCR擴增和焦磷酸測序反應(yīng)[6]。PCR擴增采用50μL反應(yīng)體系,其中2×GoTaq Green Master Mix(Promega)25μL,上下游引物(10 μmol/L)各 1μL,DNA模板100 ng,滅菌去離子水補足至50μL。反應(yīng)程序為94℃預(yù)變性5min;50個循環(huán)反應(yīng)(94℃30 s,50℃ 30 s,72℃ 40 s);72℃延伸 7 min;4℃保存。PCR儀為ABIverity 96 well Thermal cycler。
焦磷酸測序反應(yīng)在PyroMark ID焦磷酸測序儀(Biotage)上進(jìn)行。PCR產(chǎn)物中加入47μL Binding buffer(Biotage)和 3 μL Sepharose beads(Biotage),1 300 r/min渦旋混勻 15 min,經(jīng) Vacuum prep workstation單鏈分離,釋放到預(yù)先加入38.8μL Annealing buffer(Biotage)和1.2μL測序引物(10 μmol/L)的PSQ 96測序反應(yīng)板中,80℃金屬加熱塊(Labnet)上加熱2min后冷卻至室溫。將酶、底物和A、T、C、G 成分(Qiagen)加入試劑倉,即可上機測序。測序結(jié)果可通過分型分析模式(Genotyping)直接獲得樣品SNP類型,或者通過等位基因頻率AQ(Allele Quantification)模式分析C基因型頻率C%和G基因型頻率G%。
1.2.3 DNA Pooling最適數(shù)量的確定 取3號雜交種(基因型記為C/G)及其父本(基因型記為C/C)基因組DNA,精確稀釋至20 ng/μL,按照C/C與C/G 的比例為 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9 和1∶19 進(jìn)行混合,模擬 2、3、4、5、6、7、8、9、10、20 個雜交種Pooling中混雜1個C/C的情況。將上述10種充分混勻DNA模板進(jìn)行PCR擴增及焦磷酸測序分析,獲得C等位基因頻率C%和G等位基因頻率G%(G%=1-C%)。試驗設(shè)置10次重復(fù)。
1.2.4 3 Pooling SNPPyrosequencing標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 取3號雜交種(C/G)及其母本(G/G)、父本(C/C)的基因組 DNA(20 ng/μL),按照 C3(3C/C)、C2(2C/C∶1C/G)、C1(1C/C∶2C/G)、Hybrid(3C/G)、G1(1G/G∶2C/G)、G2(2G/G∶1C/G)、G3(3G/G)的梯度比例混合DNA模板,進(jìn)行PCR擴增和焦磷酸測序,分析等位基因頻率C%,并建立C%與不同梯度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.2.5 3 Pooling SNPPyrosequencing分析模型樣品檢驗 選擇SNP位點為C/G分型的黃瓜雜交品種8號進(jìn)行樣品檢驗試驗。選顆粒飽滿、大小均勻籽粒30粒,浸泡、萌發(fā)、每3個種子DNA等量混合,進(jìn)行PCR擴增、焦磷酸測序以及等位基因頻率分析。根據(jù)建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線模型,換算出其中來自親本的污染。
1.2.6 數(shù)據(jù)分析 SNP多態(tài)信息量PIC值使用PIC_CALC軟件計算,TTEST和標(biāo)準(zhǔn)曲線制定使用office excel軟件完成。
對16個黃瓜雜交種及其親本的CLA13(C/G)位點進(jìn)行PCR擴增及焦磷酸測序分析,分型結(jié)果見表2。在16個子代中,7個檢測為C/G雜合,因此CLA13(C/G)位點適合7個品種做黃瓜種子純度鑒定試驗。進(jìn)一步對CLA13(C/G)位點多態(tài)信息量(PIC)分析表明,在16個黃瓜雜交種的群體中該SNP位點PIC達(dá)0.556,處于高度多態(tài)。
為提高種子純度檢測效率,研究引入DNA Pooling技術(shù),通過分析DNA Pooling中SNP位點的等位基因頻率,確定樣品的雜合程度,并轉(zhuǎn)換為種子純度。按一定梯度比例混合C/C基因型和C/G基因型DNA,模擬不同DNA Pooling,并通過比較不同DNA Pooling下等位基因頻率差異顯著性,確定最適DNA Pooling。
表2 16個黃瓜雜交種及其親本CLA13(C/G)位點分型分析
如表3所示,隨著Pooling數(shù)量的增加,C%平均值逐漸下降并接近50%。對2~20 Pooling C%值進(jìn)行TTest分析顯示,4 Pooling以下呈顯著差異水平,3 Pooling以下呈極顯著差異水平??紤]試驗的準(zhǔn)確性和可靠性,選擇3 Pooling作為最佳Pooling數(shù)量,即在種子純度檢測過程中,將3粒種子作為1個Pooling進(jìn)行檢測具備較高的效率和準(zhǔn)確度。
為了把C等位基因頻率轉(zhuǎn)換為3 Pooling中雜交種的數(shù)量,需建立3 Pooling SNPPyrosequencing標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示,隨著C3-G3七個梯度樣品中C基因降低和G基因升高,焦磷酸測序峰圖(圖1A)中C堿基峰高從后續(xù)堿基T、C、G的1倍峰高逐步降低為0,G堿基峰高從0逐漸升高到與后續(xù)堿基T、C、G的峰高持平;建立C%與C3-G3七個梯度樣品標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖1B),兩者呈線性關(guān)系,R2達(dá)0.998 2。參考該標(biāo)準(zhǔn)曲線,可通過畫圖比較或計算的方法將C%轉(zhuǎn)換出3 Pooling樣品中是否含有或含有幾粒C/C或G/G類型種子。
表3 不同DNA Pooling數(shù)量C等位基因頻率分析
圖1 3Pooling下C梯度測序結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)曲線
如表4所示,10個Pooling中第1 Pooling C%值為65.3%,第7 PoolingC%值為66.2%,說明第1 Pooling和第7 Pooling的3粒種子中含有1個C/C類型的種子,而其他8個Pooling均為C/G類型的種子。因此,該30粒種子中含有2粒非雜交種,純度可記為93.3%。
表4 3Pooling檢驗黃瓜雜交品種種子純度結(jié)果
種子純度是指雜交種后代表型的一致性,是黃瓜種子質(zhì)量的重要指標(biāo)。造成黃瓜種子純度低的主要原因有親本純度不夠高、生物混雜和機械混雜等原因,其中來自母本的混雜較為普遍。因此,雜交種中母本基因型的檢測是分子檢測的重點。SNP分子標(biāo)記是繼SSR標(biāo)記以后的第三代分子標(biāo)記,具有高密度和高度遺傳穩(wěn)定性等優(yōu)點,而且大多數(shù)只有兩種等位基因型,所以也被稱為雙等位基因標(biāo)記(biallelic marker),能夠明顯區(qū)分出母本、父本及雜交種基因型。因此,SNP分子標(biāo)記適合于黃瓜品種真實性和純度檢測的要求。
研究將SNP標(biāo)記技術(shù)、Pyrosequencing技術(shù)和DNA Pooling技術(shù)有機結(jié)合,建立3 Pooling SNP Pyrosequencing種子純度檢測分析模型,克服了RAPD、SSR等分子標(biāo)記技術(shù)必須凝膠電泳的瓶頸,提高了黃瓜雜交種純度鑒定效率。同時,3 Pooling SNPPyrosequencing分析模型可應(yīng)用于其他作物種子純度鑒定,具有推廣價值和應(yīng)用前景。
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