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        SNP的檢測方法及其在農(nóng)作物遺傳育種中的應(yīng)用

        2014-04-08 16:13:05麻艷超郭振清周麗艷東方陽王建設(shè)
        關(guān)鍵詞:堿基多態(tài)性基因組

        麻艷超,郭振清,周麗艷,陳 普,陸 鳴,東方陽*,王建設(shè)

        (1 河北科技師范學(xué)院生命科技學(xué)院,河北 秦皇島,066004;2 國家蔬菜工程技術(shù)研究中心)

        Single Nucleotide Polymorphism(SNP,單核苷酸多態(tài)性)是指由于單個核苷酸的變異而引起基因組水平上的DNA序列多態(tài)性。在大部分有機體基因組中,SNP是存在最普遍和穩(wěn)定的遺傳多樣性類型[1]。人類的基因組中,任何2個同源染色體間,估計每1 000個堿基對中存在1個SNP多態(tài)位點[2];在玉米基因3’非編碼區(qū),平均每48個堿基對中存在1個SNP多態(tài)位點,而在3’編碼區(qū)平均每130個堿基對中存在1個SNP多態(tài)位點[3,4]。在同一物種的不同品種中,同樣存在大量SNP,如擬南芥Columbia和Landsberg兩種生態(tài)型中,每3 300 bp中存在1個SNP;線蟲CB4586和N2基因組中,每1 000 bp中就有1個SNP位點[5~7]。因此,相較于傳統(tǒng)分子標記技術(shù),如RFLP(Restriction fragment length polymorphism, 限制性長度多態(tài)性),AFLP(Amplified restriction fragment polymorphism, 擴增片段長度多態(tài)性)和SSR(Simple sequence repeat, 簡單重復(fù)序列)等,SNP自1996年作為新的術(shù)語出現(xiàn)后,很快發(fā)展成為第3代分子標記技術(shù)[8~11]。

        目前,有關(guān)SNP檢測方法研究比較多,本研究側(cè)重綜述常用的單堿基多態(tài)性檢測技術(shù)及其在農(nóng)作物遺傳育種中的應(yīng)用。

        1 SNP的分類

        SNP是指在基因組水平上由于單個核苷酸發(fā)生插入、缺失、轉(zhuǎn)換和顛換變異所引起的DNA序列的多樣性[12],其多態(tài)性頻率大于1%,但在實際研究中,也常把位于cDNA、頻率低于1%的單核苷酸變異稱為SNP[13]。

        在生物體基因組內(nèi),基因編碼區(qū)和非編碼區(qū)均分布著大量的SNP,因此,將SNP分為2種類型:一種是基因編碼區(qū)內(nèi)(coding region)的SNP[14],稱為cSNP;另一種是基因組非編碼區(qū)的SNP。cSNP又分為2類,一類是同義cSNP(Synonymous cSNP),其引起的基因編碼序列的改變不會影響蛋白質(zhì)氨基酸序列的改變,突變堿基產(chǎn)生同義突變;另一類是非同義cSNP (nonsynonymous cSNP ),其引起的基因編碼序列的改變會導(dǎo)致蛋白質(zhì)氨基酸序列的改變,通常會引起表達蛋白的多態(tài)性變異,從而影響蛋白功能[15,16]。位于非編碼區(qū)的SNP又分為基因周邊SNP(peripheral SNP,pSNP)和基因間SNP(intronic SNP, iSNP)。

        2 SNP常用檢測方法

        2.1 直接測序法

        直接測序法是最直接、最容易實施的檢測SNP的方法[17,18]。首先,PCR擴增出目的產(chǎn)物,通過測序獲得目的基因片段序列,再利用生物信息學(xué)軟件進行序列比對,就可直接檢測出是否存在SNP,其檢出率達到100%。同時還可以獲得SNP類型和突變基因座位點。隨著DNA測序自動化和成本的降低,直接測序法在SNP檢測和分型中的使用越來越廣泛。

        2.2 基于限制性酶切位點檢測方法

        2.2.1酶切擴增多態(tài)性序列 酶切擴增多態(tài)性序列簡稱CAPS(Cleaved amplified polymorphic sequence analysis),又稱為PCR-RFLP,是廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)分子標記技術(shù)。該方法在RFLP[19]基礎(chǔ)上,利用PCR擴增目的區(qū)間產(chǎn)物。若擴增區(qū)間存在因單堿基差異而造成酶切位點有無的差異,用相應(yīng)的酶切擴增產(chǎn)物,再用電泳檢測,根據(jù)電泳分離結(jié)果,即可檢測SNP位點的差異[20]。但是,該方法無法檢測不涉及到酶切位點改變的SNP。

        2.2.2衍生的酶切擴增多態(tài)性序列 dCAPS 衍生的酶切擴增多態(tài)性序列簡稱dCAPS(Derived cleaved amplified polymorphic sequence analysis)。是以CAPS為基礎(chǔ),在進行PCR擴增產(chǎn)物時,通過在引物中引入1個或少量錯配堿基創(chuàng)造酶切位點,之后再進行相應(yīng)酶切反應(yīng),根據(jù)電泳產(chǎn)物分離結(jié)果,檢測SNP的有無[21]。由于這2種方法對實驗技術(shù)要求不高,且操作簡單,在遺傳學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。

        2.3 基于PCR的檢測方法

        2.3.1擴增阻遏突變系統(tǒng) 擴增阻遏突變系統(tǒng)簡稱ARMS(Amplification Refractory Mutation System),又稱為等位基因特異性PCR[22,23](Allele-Specific PCR,AS-PCR),其原理是,根據(jù)等位基因分別設(shè)計2個上游引物,將等位基因的特異堿基位于引物3′-末端,分別與同一個下游引物構(gòu)成PCR體系。由于TaqDNA聚合酶缺乏3′-5′外切校正活性,只有當引物3′末端與模板嚴格互補的上游引物才能得到PCR擴增產(chǎn)物,反之,則無PCR產(chǎn)物。因此根據(jù)電泳檢測產(chǎn)物的有無,即可鑒定單堿基的多態(tài)性。這種方法適用于已知多態(tài)位點等位基因的檢測。

        在AS-PCR基礎(chǔ)上,科研工作者又對此方法進行了優(yōu)化改進,Cha等在設(shè)計等位基因特異性引物時,有靠近SNP位點的3個堿基中增加了1個錯配堿基[24,25];Drenkard等[26]通過優(yōu)化2次PCR的循環(huán)數(shù)提高檢測結(jié)果,并開發(fā)SNAPER程序軟件為每個SNP等位位點設(shè)計16種類型特異性引物,這種改進顯著提高了SNP等位位點的檢測效率。

        2.3.2單堿基引物延伸法(Single nucleotide primer extension) 單堿基延伸技術(shù)又稱為微測序(Minisequencing)[27]或模板介導(dǎo)染料終止劑摻入( Template-directed dye-terminator incorporation,TDI)分析[28],其原理是在位于待測SNP位點上游的1個堿基處設(shè)計1條引物,加入不同熒光標記的ddNTPs進行擴增,當加入的ddNTP與SNP等位基因互補時,延伸才可以繼續(xù),之后可以通過檢測延伸堿基發(fā)出的熒光判斷SNP的類型。

        2.4 單鏈構(gòu)象多態(tài)性 SSCP

        單鏈構(gòu)象多態(tài)性技術(shù)簡稱SSCP(Single strand conformation polymorphism)[29],是基于DNA構(gòu)象差別檢測突變的方法,由于長度相同的單鏈DNA片段,若堿基序列不同,在堿基相互間作用力下形成不同的構(gòu)象,利用非變性聚丙烯酰胺凝膠電泳即可檢測。該方法靈敏、快捷,但對電泳條件要求較高[30]。

        2.5 高分辨溶解曲線分析

        高分辨溶解曲線分析簡稱HRM(High Resolution Melting),是根據(jù)PCR產(chǎn)物的熔解曲線分析核苷酸差異的[31]。其原理在PCR中加入熒光染料,飽和熒光染料(如LC Green)與PCR產(chǎn)物結(jié)合,在DNA解鏈過程中,熒光染料會釋放信號,根據(jù)信號繪制熔解曲線,若序列中一個堿基發(fā)生突變,熔解曲線發(fā)生變化,即可檢測出SNP多態(tài)性[32,33]。該方法應(yīng)用較廣,對控溫的均一性要求較高。

        2.6 基因芯片技術(shù)(gene chips)

        基因芯片(gene chips)又稱DNA芯片(DNA chips), 或生物芯片(biological chips),其原理是用制備帶熒光標記的待測樣品與固定在芯片上的陣列探針雜交,或者用制備無熒光標記的待測樣品與固定在芯片上的微陣列探針雜交,之后進行染色,根據(jù)雜交信號強弱的差異進行檢測[34]。為加快雜交反應(yīng)速度,美國Nanogene公司研制了Nanochip電子微陣列[35, 36],通過在雜交位點引入電場而使雜交和沖洗過程的速度大大增加。基因芯片是利用核酸雜交原理建立的一種高度集成化、微型化和自動化的檢測技術(shù),已在基因多態(tài)性分析方面廣泛應(yīng)用。

        3 SNP在作物遺傳育種中的應(yīng)用

        3.1 農(nóng)藝性狀基因關(guān)聯(lián)分析

        基因組多數(shù)SNP的變異與植物基因功能密切相關(guān),通過關(guān)聯(lián)分析可以挖掘出功能型位點變異,并對作物遺傳育種有重要的指導(dǎo)意義[37, 38]。吳德志[39]通過對188株西藏野生大麥材料的關(guān)聯(lián)分析表明,與bPb-489標記緊密連鎖的HvCBF4基因可能與大麥的耐鹽性相關(guān)。Konishi等[40]發(fā)現(xiàn)水稻的qSH1基因5′調(diào)節(jié)區(qū)1個SNP的變異落粒性相關(guān)。王仲平[41]首次利用改進了的Ecotilling酶切檢測技術(shù),發(fā)現(xiàn)了一個新的水稻光周期敏感的重要基因Hd6等位基因。玉米基因組中含有豐富的SNP,通過SNP與耐旱性狀進行關(guān)聯(lián)分析,可以找到與玉米耐旱相關(guān)的代謝和農(nóng)藝性狀候選基因及其變異位點,蘇志平[42]通過關(guān)聯(lián)分析,發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下,dbf1基因中的多態(tài)性位點366與ASI和單穗粒質(zhì)量顯著關(guān)聯(lián),位點452與單穗粒質(zhì)量和結(jié)實株數(shù)百分率存在顯著關(guān)聯(lián)。劉昌林[43]利用來源于美國雜交種P78599的5份高抗粗縮病自交系(R18,P138,X178,金黃59和齊318)和全基因組41 101個SNP,篩選到9個包含與抗病性顯著相關(guān)的SNP衍生片段。

        3.2 遺傳圖譜的構(gòu)建

        SNP具有多態(tài)性豐富、在作物基因組中分布密度大等優(yōu)點,在重要作物遺傳圖譜構(gòu)建上已顯示出其特有的優(yōu)勢和廣泛應(yīng)用前景。Bhattramkki 等以高分辨率的B73×Mo17為作圖群體材料,繪制了玉米EST遺傳圖譜,整個基因組中分布了超高密度的SNPs,促進了基于連鎖不平衡的關(guān)聯(lián)圖譜的構(gòu)建[44]。韓志國等[45]根據(jù)SNP將FIF1基因定位于四倍體棉花遺傳圖譜上。李博等[46]利用41 101個SNP標記對159份我國玉米自交系進行全基因組分析,檢測到7個與穗位高顯著相關(guān)SNP,并將收集的137個穗位高QTL整合至IBM2 2008 Neighbors玉米遺傳圖譜上。Wim等[47]篩選出甜瓜EST-SNP標記,建立了葫蘆科作物中第1個包含SNP標記的遺傳圖譜。

        3.3 基因克隆及定位

        由于SNP分布廣的特點,在與農(nóng)作物基因克隆中,以SNP為基礎(chǔ)的AS-PCR,CAPS,dCAPS等分子標記已成為一種非常重要的研究手段。潘存紅等[48]通過BLAST比對秈稻品種93-11與粳稻日本晴,利用SNP多態(tài)性位點克隆出水稻卷葉基因。衛(wèi)波等[49]完成了小麥抗旱相關(guān)基因的SNP標記和定位。韓志國等[45]克隆了陸地棉TM-1和海島棉7124中的FIF1基因。Yang等[50]利用3個番茄品種,將46個SNP定位在染色體的特定區(qū)域,并證明2個SNP與果實顏色基因座緊密連鎖。李博等[46]結(jié)合分析的7個與穗位高顯著相關(guān)的SNP位點信息,獲得了2個候選基因。

        3.4 種質(zhì)鑒定及親緣關(guān)系分析

        SNP在分子育種品質(zhì)鑒定和資源分類中有非常重要的利用價值。Brunner等[51]利用SNP開發(fā)了基于PCR的大麥家系葉銹病抗病性狀標記,用于鑒定優(yōu)良種質(zhì)。趙婷婷[52]利用SNP分子標記技術(shù)篩選抗病基因Cf-9的單堿基突變位點,獲得含有番茄抗葉霉病基因Cf-9的番茄材料,為培育新抗病品種提供物質(zhì)基礎(chǔ)。宋偉等[53]根據(jù)多態(tài)性水平、染色體位置等信息從公共數(shù)據(jù)庫上篩選了48個玉米核心SNP位點,并通過基因分型分析,找到了42個可以用來區(qū)分105份自交系材料的SNP位點。蘭青闊建立了基于CLA6位點的黃瓜雜交種純度鑒定方法,并用該方法檢測出黃瓜雜交種優(yōu)一種子的純度[54]。

        SNP標記還可用于種間親緣關(guān)系分析,Germano等[55]利用直接測序法對云杉種間SNP進行分析,鑒定出3個近緣種間的多態(tài)性。孫清明等[56]利用自主開發(fā)的SNP和EST-SSR等2種分子標記技術(shù),鑒定出御金球為1份全新荔枝種質(zhì),并且首次完成了對荔枝新種質(zhì)御金球的親本來源鑒定。Kota等[57]分析了大麥7個基因型180個EST位點,發(fā)現(xiàn)了72個可應(yīng)用于親緣關(guān)系中研究的SNP。

        4 結(jié) 論

        基因組SNP具有數(shù)量多、分布廣的特點,使之成為第3代分子標記技術(shù)。在農(nóng)作物及其他物種研究中,具有強大的開發(fā)與利用潛能。目前,SNP已在作物農(nóng)藝性狀基因關(guān)聯(lián)分析、遺傳圖譜的構(gòu)建、作物基因克隆與定位、種質(zhì)資源鑒定以及親緣關(guān)系分析中發(fā)揮著重要的作用。今后對于SNP進一步的開發(fā)研究,必將在生命科學(xué)領(lǐng)域和農(nóng)作物遺傳育種中發(fā)揮更大的作用。

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