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        利用rDNA-ITS研究立枯絲核菌的遺傳多樣性

        2013-03-23 05:38:24王利紅王艷麗孫國昌
        關(guān)鍵詞:限制性亞群圖譜

        王利紅,姜 華,王艷麗,孫國昌

        (1.杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,浙江杭州310036;2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)與微生物研究所,浙江杭州310021)

        立枯絲核菌(RhizoctoniasolaniKühn)是一種植物病原真菌,能侵染27科以上的植物,其中包括許多重要的糧食作物如水稻、小麥、玉米等[1].R.solani被普遍認(rèn)為是一個集合種(collective species)[2],不同寄主來源的R.solani在形態(tài)、致病性和生理方面存在極大的差異[3-4].1936年Schultz[5]首次提出了菌絲融合群(Anastomosis group,AG)的概念,即根據(jù)不同來源R.solani菌株的菌絲融合情況,將其分成不同的融合群[6-7].盡管菌絲融合群的提出與廣泛應(yīng)用便利了R.solani遺傳多樣性的研究,但由于該菌在群體遺傳和地域差異上表現(xiàn)出巨大的復(fù)雜性,人們一直在探求研究R.solani遺傳多樣性的新方法和技術(shù).

        真菌核糖體rDNA-ITS序列包括18SrDNA、轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)1(internal transcribed spacer 1,ITS1區(qū))、5.8SrDNA、轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)2(ITS2區(qū))和28SrDNA(圖1).鑒于最終成熟的核糖體并不包括轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)ITS(ITS1和ITS2),因此相對于18S、5.8S和28SrDNA區(qū)域的高度保守性,ITS區(qū)域有著非常豐富的遺傳變異,從而為R.solani遺傳多樣性研究提供了理論基礎(chǔ)[8].雖然18S和28SrDNA區(qū)不及ITS區(qū)域遺傳多樣性豐富,但該區(qū)域也可以在融合群水平上研究R.solani的遺傳多樣性[9-10].因此,本文以整個rDNA-ITS區(qū)域為對象,綜述rDNA-ITS技術(shù)的實現(xiàn)、在實際研究中的應(yīng)用及目前的研究進(jìn)展.

        圖1 R.solanirDNA-ITS及該區(qū)域PCR擴(kuò)增引物示意圖Fig.1 The sketch map of rDNA-ITS and PCR primers for amplification of this region of R.solani

        1 利用rDNA-ITS研究R.solani遺傳多樣性的方法

        1.1 直接測序

        直接測序是目前最為快速的rDNA-ITS分析方法之一.在R.solanirDNA-ITS測序過程中,選擇合適的引物是首要條件,相關(guān)研究中使用的rDNA-ITS擴(kuò)增的引物列于表1.根據(jù)實驗?zāi)康?,選擇合適的引物,利用PCR儀擴(kuò)增R.solani的rDNA-ITS并采用雙脫氧終止法[11]對PCR產(chǎn)物直接測序.雖然測序費(fèi)用相對較高、整理數(shù)據(jù)略顯復(fù)雜,但過程簡單、快速、準(zhǔn)確率高且獲得的信息量大,因此,被廣泛應(yīng)用于R.solaniAG-1[12],AG-2[13-14]和AG-4[15]遺傳多樣性的研究中.

        表1 擴(kuò)增R.solanirDNA-ITS區(qū)域常用引物Tab.1 The list of common used primers for amplifying the rDNA-ITS region of R.solani

        1.2 限制性片段長度多態(tài)性(RFLP)

        RFLP是基于rDNA-ITS序列的酶切位點由于堿基突變或發(fā)生插入、缺失、易位和倒位等,導(dǎo)致酶切片段發(fā)生變化,從而可以通過瓊脂糖凝膠電泳圖譜的差異,比較不同R.solani菌株DNA水平的多態(tài)性.Liu等[13]首次通過rDNA-ITS的RFLP酶切圖譜來研究R.solani的遺傳多樣性,隨后RFLP就被廣泛地應(yīng)用于該菌遺傳多樣性的研究中[20-25].rDNA-ITS由于片段小,其RFLP無需利用探針進(jìn)行雜交[26],實驗過程簡單,數(shù)據(jù)分析便捷.rDNA-ITS片段RFLP分析的一般流程:利用適合引物(表1)擴(kuò)增rDNA-ITS區(qū)域;選擇不同的限制性內(nèi)切酶對擴(kuò)增片段進(jìn)行酶切,利用瓊脂糖凝膠電泳區(qū)分不同酶切片段;分析相關(guān)R.solani菌株的遺傳多樣性.雖然RFLP法依賴于限制性內(nèi)切酶,多態(tài)性降低,但該法結(jié)果穩(wěn)定且重復(fù)性好.

        1.3 直接測序和RFLP數(shù)據(jù)處理

        1.3.1 直接測序

        測序的快速發(fā)展,幫助研究者獲得了大量rDNA-ITS序列信息.目前較為普遍的rDNA-ITS序列分析流程:選取測序結(jié)果準(zhǔn)確的區(qū)間,利用CLUSTALW進(jìn)行不同菌株間rDNA-ITS序列比對;根據(jù)比對結(jié)果利用MEGA軟件[27]計算轉(zhuǎn)換/顛換值(transition/transversion,Ti/Tv)及堿基平均含量;構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹,用以描述各融合群間的進(jìn)化關(guān)系;利用DnaSP軟件分析rDNA-ITS序列的變異位點,推導(dǎo)單倍型數(shù)目,計算單倍型多樣性、核苷酸多樣性,進(jìn)而研究R.solanirDNA-ITS序列代表的菌株遺傳多態(tài)性.

        1.3.2 RFLP

        利用RFLP可獲得大量酶切片段,將每個酶切片段看作一個遺傳位點,不同大小的酶切片段按有無分別記為1和0,形成多態(tài)性矩陣,并計算菌株間相似程度[28],獲得相似系數(shù)矩陣:F(相似系數(shù))=2nxy/(nx+ny),其中nxy為兩個菌株間共有的片段數(shù),nx,ny分別為兩個菌株各自的片段數(shù);聚類分析,從而把不同的R.solani菌株依據(jù)親緣關(guān)系遠(yuǎn)近聚類成不同的類群[29].

        2 rDNA-ITS在R.solani遺傳多樣性研究中的應(yīng)用

        2.1 直接測序在研究R.solani遺傳多樣性中的應(yīng)用

        利用rDNA-ITS區(qū)域序列測定研究R.solani不同融合群的遺傳多樣性表明AG-1[12,30-31]、AG-2[13-14]、AG-3[32]、AG-4[8]和AG-6[33]菌株間存在很大的變異性.Kuninaga等[8]研究了AG-1的8個菌株,發(fā)現(xiàn)ITS1片段大小為198~227bp,ITS2為267~283bp;相同亞群的ITS1同源性為99.5%~100%,ITS2同源性為96.4%~100%;不同亞群的ITS1同源性為66.7%~80.4%,ITS2同源性為88.6%~92.6%.這表明在AG-1中,相同亞群ITS序列同源性極高,不同亞群ITS序列變異性較大,通過鄰接樹也顯示AG-1的3個亞群之間存在一定的遺傳距離.同時對AG-3的9個菌株的序列分析顯示ITS1大小為218~222bp,ITS2為270~272bp,且分離自番茄和煙草的菌株有相同的ITS序列,分離自馬鈴薯的菌株,ITS1序列同源性為96.8%~98.6%,ITS2同源性為99.6%~100%;不同寄主菌株間ITS序列分析表明分離自馬鈴薯和番茄的菌株序列同源性為96.8%~98.5%,但與分離自煙草的菌株同源性為91.0%~95.2%;鄰接樹分析顯示分離自馬鈴薯和煙草的AG-3菌株彼此系統(tǒng)進(jìn)化距離遠(yuǎn),這表明rDNA-ITS可有效地用于評估融合亞群的遺傳多樣性.Carling等[34]對AG-13的ITS分析顯示ITS1為210bp,ITS2為282bp;對來源AG-13的6個菌株的序列分析表明其ITS1序列完全相同,ITS2序列同源性達(dá)到99%~100%;當(dāng)AG-13的ITS序列與其它融合群進(jìn)行比較時,ITS1序列同源性達(dá)到68%~85%,ITS2同源性達(dá)到85%~95%;通過鄰接樹顯示AG-13與AG-4不在一個群里,但與其它融合群都可以聚在同一個群里.Fiers等[35]利用rDNA-ITS測序法分析分離自土豆塊莖的73株R.solani遺傳多樣性,發(fā)現(xiàn)60個菌株屬于AG-3PT,8個菌株屬于AG2-1,5個菌株屬于AG-5,其遺傳多樣性極其豐富.

        根據(jù)rDNA-ITS區(qū)域序列的特異性,設(shè)計以診斷為目的的PCR引物,可檢測和鑒定某些融合群和亞群.Carling等利用ITS2、3、4、5、NS7[16]和LR3[19]擴(kuò)增AG-2-1、-2-2IIIB、-2-2IV、-2-2LP、-2-3和-2-4的ITS序列,通過比較ITS1和ITS2之間序列的差異,設(shè)計了可特異性擴(kuò)增各亞群的引物(表2),能快速、可靠地鑒定AG-2的亞群[36].類似地,Kuninaga等[32]設(shè)計了可特異性擴(kuò)增亞群3-PT和3-TB的引物PT1/PT2和TB1/TB2(表2),用于快速鑒定AG-3的亞群.Lees等[37]設(shè)計了可特異性擴(kuò)增AG-3的引物Rs1F2/Rs2R1(表2),用于與其它融合群區(qū)分.

        2.2 RFLP在研究R.solani遺傳多樣性中的應(yīng)用

        Liu等[13]采用DNA限制性內(nèi)切酶分析AG-2的70個菌株,酶切圖譜顯示2A、2B、2C、2D和2E有相同的5.8SrDNA,但PCR擴(kuò)增的rDNA-ITS片段大小有所不同,2A和2E片段均為690bp,2B、2C和2D片段大小為740bp,表明這5個亞群在ITS區(qū)域存在差異.通過EcoRI可區(qū)分2A和2E亞群,MspI或TaqI可區(qū)分2B、2C和2D亞群.Liu等[12]還根據(jù)rDNA-ITS限制性圖譜對來源于不同地區(qū)的9個融合群進(jìn)行研究:在AG-3中PCR擴(kuò)增rDNA-ITS,雖然擴(kuò)增片段大小均為700bp,但可通過MboI酶切區(qū)分出兩個亞群3A和3B;在AG-4中PCR擴(kuò)增出700bp和720bp 2條片段,且通過MboI酶切分成兩個亞群4A和4B;在AG-5中PCR擴(kuò)增出3條大小不同的片段,分別為680、710、650bp,通過HaeIII和MspI酶切可把AG-5分成3個不同亞群5A、5B和5C.此外,Liu等[12]還發(fā)現(xiàn)AG-9的6個菌株在rDNA-ITS區(qū)域有相同的DNA限制性圖譜,屬于同一個群;AG-10通過PCR擴(kuò)增出的片段最短,經(jīng)HinfI酶切和MspI、TaqI雙酶切,可分為兩個亞群10A和10B;AG-BI通過PCR擴(kuò)增出的片段最長,為740bp,可與其它融合群相區(qū)別.Guillemaut等[38]比較了不同地理位置和寄主范圍的219株菌株rDNA-ITS區(qū)域的限制性內(nèi)切酶圖譜,顯示內(nèi)切酶MseI、AvaII、HincII和MunI在rDNA-ITS區(qū)產(chǎn)生了40個RFLP類型.另外,通過Fnu4HI酶切可區(qū)分AG-6和AG-12,MseI、AvaII、HincII和MunI共同酶切還可區(qū)分AG-1、AG-2、AG-3和AG-4的亞群.

        表2 鑒定融合群和亞群的特殊引物Tab.2 The specifical primers for identification anastomosis group and subgroups

        此外,通過18SrDNA-RFLP和28SrDNA-RFLP也可以研究R.solani的遺傳多樣性.Liu等[9]用11個限制性內(nèi)切酶對161個菌株的18SrRNA區(qū)域進(jìn)行限制性分析,獲得4種圖譜:圖譜I代表大部分R.solani亞群;圖譜II代表2E和9的菌株,與圖譜Ⅰ相比缺少1個限制性位點;圖譜III代表5C菌株,較圖譜I缺少2個限制性位點;圖譜IV有明顯的限制性位點變異,代表10A和B菌株.根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,AG-10與其它融合群親緣關(guān)系較遠(yuǎn).Matsumoto等[10]分析了57株菌株28SrDNA的多樣性,結(jié)果顯示AG-1、AG-2和AG-4之間存在多樣性;同時發(fā)現(xiàn)在AG-1亞群中,用HpaII酶切AG-1-IA的rDNA片段模式與AG-1-IB和AG-1-IC有很大的不同.用HhaI和HpaII酶切AG2-1、2-2IIIB和2-2IV,觀察到的片段模式也是不同的.將限制性內(nèi)切酶結(jié)果和聚類分析相結(jié)合,表明AG-1和AG-2的亞群又可細(xì)分成不同的種內(nèi)亞群,這些亞群與其它融合群在親緣關(guān)系上很遠(yuǎn).

        3 討 論

        R.solani是一個相當(dāng)復(fù)雜的集合群,已分成14個國際標(biāo)準(zhǔn)融合群,AG1-AG10在形態(tài)、生理、生態(tài)、致病性和寄主等方面均存在一定的遺傳多樣性.最近十幾年來,主要通過同工酶組成、脂肪酸含量以及各種分子標(biāo)記研究該菌的遺傳多樣性.在各種方法中,由于ITS選擇壓力小、進(jìn)化快、有非常豐富的遺傳變異,加之R.solani的rDNA-ITS片段僅611~740bp,片段小易于分析,因此,rDNA-ITS分析已成為R.solani遺傳多樣性的研究中較為常用的方法.

        通過直接測序和RFLP分析R.solani的遺傳多樣性,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)融合群又可以分為不同的亞群:Liu等[12]根據(jù)RFLP和同工酶技術(shù)認(rèn)為AG-1可分為6個亞群.Salazar等[39]根據(jù)ITS序列分析認(rèn)為AG-2可分為7個亞群.Liu等[20]根據(jù)rDNA-ITS區(qū)的限制性圖譜認(rèn)為AG-3可分為2個亞群、AG-4可分為2個亞群、AG-5可分為3個亞群,而AG-10可分成2個亞群.這表明即便在相同融合群中也存在著豐富的遺傳多樣性.

        由于選擇壓力小,ITS1和ITS2區(qū)域相比于5.8S,18S和28S區(qū)更能累計序列變異.不同融合群的rDNA-ITS區(qū)段在擴(kuò)增片段大小及序列組成上都存在豐富的差異[8,34].盡管目前紋枯菌的遺傳多樣性主要通過分析ITS1和ITS2區(qū)域而獲得,但也有研究表明18S和28S區(qū)域也可以對部分融合群進(jìn)行亞群區(qū)分[9-10],這在一定程度上表明即便是進(jìn)化相對保守的區(qū)段在同一融合群內(nèi)同樣能顯現(xiàn)出豐富的變異,利用這些保守的區(qū)段也可以研究紋枯菌的遺傳多樣性,同時也可以幫助理解在這些區(qū)段紋枯菌的進(jìn)化機(jī)制.

        依據(jù)DNA在不同濃度變性劑中解鏈動態(tài)不同,變性梯度凝膠電泳(DGGE)可以將相同片段長度但堿基組成不同的DNA片段分開.鑒于RFLP法受制于限制性內(nèi)切酶,而測序法成本高很難實現(xiàn)高通量,DGGE無疑為紋枯菌rDNA-ITS分析提供了新的手段.利用其能夠區(qū)分不同堿基組成片段的特性,可以將同一融合群中rDNA-ITS片段長度一致且只有單核苷酸差異的菌株分開,大大提高了檢測的靈敏度,且周期短可比測序法獲得更快更豐富的數(shù)據(jù).同時可以選擇性地對差異片段進(jìn)行測序分析,從而降低獲取差異的測序成本.筆者所在實驗室也正在利用DGGE技術(shù)對浙江省不同地區(qū)的水稻紋枯菌進(jìn)行分析,初步結(jié)果表明浙江省水稻紋枯菌呈現(xiàn)豐富的多態(tài)性,對其進(jìn)一步的研究可以更加完善此項實驗技術(shù)并更深入地了解省內(nèi)水稻紋枯菌遺傳多樣性.

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