高雄梅, 徐國(guó)輝, 王賀新, 侯義龍
(1.大連大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116622; 2.大連大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院, 遼寧 大連 116622)
基于EST-SSR標(biāo)記的藍(lán)莓品種指紋圖譜構(gòu)建及遺傳多樣性
高雄梅1, 徐國(guó)輝2*, 王賀新2, 侯義龍1
(1.大連大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116622; 2.大連大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院, 遼寧 大連 116622)
為給藍(lán)莓品種鑒別、優(yōu)良雜交組合選配提供分子水平依據(jù),從40對(duì)EST-SSR引物中篩選多態(tài)性良好的引物組合,選取其中引物CA231構(gòu)建北高叢藍(lán)莓栽培種的DNA指紋圖譜、數(shù)字指紋圖譜,利用非加權(quán)類平均法進(jìn)行遺傳多樣性分析。結(jié)果表明:10個(gè)引物對(duì)組合共擴(kuò)增出206個(gè)位點(diǎn),其中多態(tài)性位點(diǎn)203個(gè),占98.12%。每條引物的多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)為9~48個(gè),平均每條引物擴(kuò)增出20.6個(gè)位點(diǎn),平均多態(tài)性位點(diǎn)為20.3個(gè)。引物CA231擴(kuò)增位點(diǎn)數(shù)最多,多態(tài)性比率為100%,且可以鑒別所有試驗(yàn)材料。構(gòu)建30個(gè)北高叢藍(lán)莓栽培品種的指紋圖譜,并對(duì)其親緣關(guān)系分析表明,在遺傳相似系數(shù)為0.52時(shí),30個(gè)品種聚為一類,當(dāng)遺傳相似系數(shù)為0.63時(shí),77.7%的品種仍聚為一類。
藍(lán)莓; EST-SSR; 指紋圖譜; 遺傳多樣性
藍(lán)莓是杜鵑花科越桔屬植物,原產(chǎn)北美,是一種具有極高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新興世界性小漿果樹(shù)種,適生于疏松的酸性土壤中[1]。藍(lán)莓果實(shí)酸甜,風(fēng)味獨(dú)特,富含花青素、黃酮醇、原花青素及其他多種酚類復(fù)合物,可以改善泌尿系統(tǒng),防止尿路感染;軟化毛細(xì)血管,消除眼睛疲勞;增強(qiáng)心臟功能;提高抗癌能力[2-3]。由于其獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值,使得消費(fèi)者需求量不斷增加,種植面積也在持續(xù)增長(zhǎng)。
近年來(lái),我國(guó)藍(lán)莓種植面積及其產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng),已成為亞洲地區(qū)藍(lán)莓生產(chǎn)的主導(dǎo)國(guó)。但國(guó)內(nèi)所有的藍(lán)莓生產(chǎn)企業(yè)均依賴于美國(guó)、日本等國(guó)家引進(jìn)品種。在引種過(guò)程中,可能是由于人為或其他因素等造成品種間的混亂,單從外部形態(tài)特征上很難準(zhǔn)確地將其區(qū)分開(kāi),使得藍(lán)莓種苗市場(chǎng)上出現(xiàn)同物異名或者同名異物的現(xiàn)象,給雜交育種及苗木生產(chǎn)帶來(lái)阻滯。為了識(shí)別假冒偽劣品種,減少種植者的損失,保護(hù)育種者的權(quán)益,必須用有效的方法檢測(cè)藍(lán)莓種質(zhì)資源的真實(shí)性,保護(hù)藍(lán)莓育種者的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前,藍(lán)莓品種間的區(qū)分工作主要通過(guò)形態(tài)特征觀察和DNA分子標(biāo)記鑒別2種方法進(jìn)行。但前者具有易受環(huán)境影響、耗時(shí)和主觀性強(qiáng)的缺點(diǎn),而考察結(jié)果與實(shí)際表現(xiàn)間往往存在比較大的差異。DNA分子標(biāo)記則不受環(huán)境條件的影響,非常適合進(jìn)行此類研究。EST-SSR標(biāo)記開(kāi)發(fā)較簡(jiǎn)單、快捷、低成本[4],可鑒定基因組中的變異性,同時(shí),基因組圖譜的建立可以加快后續(xù)基因功能的快速鑒定,提高標(biāo)記輔助篩選的效率[5]。與其他標(biāo)記相比,EST-SSR更容易獲得基因表達(dá)信息,在相關(guān)物種間轉(zhuǎn)移效率更高,更經(jīng)濟(jì)[6]。近年來(lái),EST-SSR分子標(biāo)記得到廣泛應(yīng)用。
Rowland等[7]為區(qū)分控制藍(lán)莓種間二倍體雜交的抗寒與需冷量相關(guān)基因的數(shù)量性狀基因座(quantitative trait locus, QTL),用EST-SSR、SNP和RAPD等分子標(biāo)記技術(shù)構(gòu)建其遺傳連鎖圖譜;Yang等[8]設(shè)計(jì)136對(duì)EST-SSR引物,并用其中36對(duì)引物對(duì)已登記在冊(cè)的150個(gè)藍(lán)莓品種進(jìn)行遺傳多樣性、種群結(jié)構(gòu)及親緣多樣性進(jìn)行分析;Samir等[9]用12對(duì)EST-SSR引物序列分析36份野生藍(lán)莓和栽培種的遺傳多樣性及遺傳關(guān)系。但迄今為止,北高叢藍(lán)莓作為栽培種和育種種質(zhì)中的重要一類,卻無(wú)有關(guān)北高叢藍(lán)莓種內(nèi)遺傳多樣性和遺傳關(guān)系的報(bào)道。因此,筆者采用EST-SSR標(biāo)記技術(shù)對(duì)30份北高從藍(lán)莓種質(zhì)進(jìn)行親緣關(guān)系和遺傳多樣性分析,并構(gòu)建指紋圖譜,旨在從分子水平上揭示北高叢藍(lán)莓種質(zhì)間的親緣關(guān)系及遺傳多樣性特征,為今后藍(lán)莓種質(zhì)資源的收集、引種和鑒定、雜交育種中親本的選配、分子標(biāo)記輔助育種等方面提供依據(jù)。
1.1 材料
供試材料由大連森茂現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有限公司提供,各品種遺傳背景見(jiàn)表1。
表1 供試藍(lán)莓品種的遺傳背景及來(lái)源
1.2 植物基因組DNA 的提取
用 TIANGEN新型植物基因組DNA試劑盒提取基因組DNA。用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的質(zhì)量,將DNA置于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3 EST-SSR 的PCR 擴(kuò)增
試驗(yàn)使用的40對(duì)引物參照Boches[10]等設(shè)計(jì),由寶生物工程(大連)有限公司合成。隨機(jī)選取5個(gè)樣品,分別對(duì)40對(duì)引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增反應(yīng),篩選多態(tài)性較好的引物用于下一步試驗(yàn)。
EST-SSR反應(yīng)體系的10×buffer、dNTPs、TaqDNA酶均購(gòu)自寶生物科技有限公司。EST-SSR的反應(yīng)體系為 10×buffer (Mg2+Plus) 2 μL、dNTPs 1.6 μL、正反向引物(10 μmol/L)各1 μL、TaqDNA聚合酶0.2 μL,模板100 ng,最后添加滅菌超純水至20 μL。
EST-SSR擴(kuò)增程序?yàn)?4℃預(yù)變性10 min;94變性40 s,52℃退火70 s,72℃延伸120 s,40個(gè)循環(huán);72℃后延伸10 min;4℃保存。擴(kuò)增在S1000伯樂(lè)梯度PCR儀上進(jìn)行,擴(kuò)增產(chǎn)物用8%的聚丙烯酰胺凝膠電泳3 h,最終銀染檢測(cè),拍照、分析。
按上述方法對(duì)全部材料進(jìn)行EST-SSR PCR擴(kuò)增,2次重復(fù)。
1.4 數(shù)據(jù)處理
選擇重復(fù)性好且清晰的條帶進(jìn)行記錄,在相同位置有帶記為1,無(wú)帶記為0,構(gòu)建0、1矩陣,選用l00~2000 bp易于識(shí)別的條帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。采用NTSYSpc 2.0e軟件按類平均法(UPGMA)構(gòu)建親緣關(guān)系聚類圖,對(duì)不同品種間的遺傳多樣性進(jìn)行分析。
2.1 藍(lán)莓的DNA 檢測(cè)
采用試劑盒法提取得到供試藍(lán)莓品種的基因組DNA,經(jīng)0.8%~1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后DNA電泳條帶清晰,亮度均一,濃度適中,符合后續(xù)試驗(yàn)對(duì)DNA純度和質(zhì)量的要求。
2.2 EST-SSR 標(biāo)記的多態(tài)性
隨機(jī)選取5個(gè)供試品種對(duì)40對(duì)EST-SSR引物進(jìn)行篩選,獲得10對(duì)多態(tài)性高、穩(wěn)定性好且?guī)腿菀鬃R(shí)別的引物,各引物序列及擴(kuò)增結(jié)果(表2)。供試的30份藍(lán)莓品種共擴(kuò)增206個(gè)位點(diǎn),其中多態(tài)性位點(diǎn)203個(gè),占98.12%。每條引物的多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)為9~48個(gè),平均每條引物擴(kuò)增20.6個(gè)位點(diǎn),平均多態(tài)性位點(diǎn)為20.3。引物CA231擴(kuò)增位點(diǎn)數(shù)最多,為48個(gè),且其多態(tài)性比率為100%。
表2 10對(duì)EST-PCR 引物對(duì)5個(gè)藍(lán)莓品種的擴(kuò)增情況
2.3 EST-SSR 擴(kuò)增圖譜
每對(duì)引物組合均能鑒別供試材料,但鑒別能力不同,CA23可鑒別28個(gè)品種,CA94和CA483可鑒別25個(gè)品種,CA112和CA236可鑒別15個(gè)品種,CA190可鑒別24個(gè)品種,CA227可鑒別21個(gè)品種,CA791可鑒別27個(gè),CA1920可鑒別22個(gè)品種,而引物CA231可鑒別30個(gè)品種。引物CA231對(duì)30份藍(lán)莓品種擴(kuò)增的EST-SSR圖譜,擴(kuò)增產(chǎn)物的長(zhǎng)度為100~2000 bp(圖1)。
圖1 引物組合 CA231對(duì)1~30號(hào)藍(lán)莓栽培種的擴(kuò)增圖譜
表3 30個(gè)藍(lán)莓栽培種的DNA 數(shù)字指紋圖譜
2.4 SSR 的數(shù)字指紋圖譜
CA231在30個(gè)供試藍(lán)莓品種中的擴(kuò)增結(jié)果,在相同位置有帶記為 1,無(wú)帶記為0,構(gòu)成每個(gè)品種的數(shù)字指紋圖譜(表3),這些數(shù)碼分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的SSR編碼,可以作為藍(lán)莓栽培種的分子身份證。
2.5 藍(lán)莓的聚類樹(shù)
由圖2可見(jiàn),當(dāng)相似系數(shù)為0.63時(shí),可將供試材料聚為4個(gè)大類,1個(gè)大聚類組B和3個(gè)較小聚類組A、C、D。A組只包含1號(hào)品種大粒藍(lán)金,來(lái)源于藍(lán)金的實(shí)生苗選育。B組包括23個(gè)品種,占供試材料的76.67%。在相似系數(shù)為0.69時(shí),B組可被分為3個(gè)亞組,即B1、B2、B3。B1亞組有5個(gè)品種,其中9號(hào)來(lái)自澳大利亞,從藍(lán)空的自然實(shí)生苗中選育而得。B2亞組包含16個(gè)品種,在相似系數(shù)為0.77時(shí),可進(jìn)一步分為3組。第①組包括3號(hào)(維口)、5號(hào)(公爵)、4號(hào)(藍(lán)塔),這3個(gè)品種都與早藍(lán)有血緣關(guān)系,其中藍(lán)塔和斯巴坦都是早藍(lán)的雜交子一代;第②組有11個(gè)品種,這11個(gè)品種又根據(jù)其遺傳相似度進(jìn)行聚類,其中7號(hào)(日出)和28號(hào)(雙迪)、8號(hào)(藍(lán)片)和11(陶柔)號(hào)的關(guān)系最為緊密;第③組包括6號(hào)(斯巴坦)、14號(hào)(柏林頓)2個(gè)品種,分別來(lái)自美國(guó)北卡羅拉納州和澳大利亞維多利亞。B3亞組含2個(gè)品種,即17號(hào)和18號(hào),分別來(lái)自美國(guó)新澤西州和澳大利亞維多利亞。C組包含5個(gè)品種,均由美國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布。D組只有13號(hào)品種,由美國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布。
圖2 30個(gè)藍(lán)莓栽培種的聚類樹(shù)
Fig.2 Dendrogram of 30 cultivated blueberry based on EST-SSR analysis
DNA分子標(biāo)記技術(shù)具有簡(jiǎn)單、快速、高效的特性,已被廣泛用于種質(zhì)資源的遺傳多態(tài)性分析[11]、作物指紋圖譜構(gòu)建[12-13]和遺傳連鎖圖譜研究[14]中。分子標(biāo)記主要包括AFLP、RFLP、RAPD、ISSR、EST-SSR、SRAP、TRAP等,其中EST-SSR標(biāo)記因其高分辨力特性及其共顯性遺傳方式已成為作物DNA指紋分析和圖譜構(gòu)建非常理想的技術(shù)。任紅曉等[15]用39對(duì)SSR引物分析了78份中國(guó)北方名優(yōu)綠豆品種的遺傳多樣性表明,內(nèi)蒙古是傳統(tǒng)名優(yōu)綠豆種質(zhì)資源最豐富的地區(qū);薛建峰等[16]從171對(duì)SSR及EST-SSR引物中篩選10對(duì),構(gòu)建30份國(guó)內(nèi)蓖麻品種和1份法國(guó)蓖麻品種的指紋圖譜,并進(jìn)行遺傳多樣性和親緣關(guān)系分析;也有研究者[17]利用25個(gè)表型性狀和33對(duì)SSR標(biāo)記對(duì)53份五節(jié)芒種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行了評(píng)價(jià),證明五節(jié)芒種質(zhì)具有豐富的遺傳多樣性;段艷鳳[18]利用篩選出的6對(duì)SSR引物構(gòu)建88份馬鈴薯的指紋圖譜,并進(jìn)行聚類分析結(jié)果與供試材料系譜來(lái)源有較好一致性。隨著物種間遺傳多樣性研究工作的不斷開(kāi)展,EST-SSR分子標(biāo)記得到廣泛應(yīng)用,如在菠蘿[19]、核桃[20]、柑橘[21]、葡萄[22]、杏[23]、梨[24]及蘋(píng)果[25]等物種中均有研究。近年來(lái),在越桔屬植物中也有廣泛的應(yīng)用[26-28]。本研究利用EST-SSR標(biāo)記構(gòu)建了30個(gè)藍(lán)莓品種的2種形式的DNA指紋圖譜,即EST-SSR PCR擴(kuò)增指紋圖譜、數(shù)字指紋圖譜。擴(kuò)增指紋圖譜是分子標(biāo)記試驗(yàn)最原始、最基礎(chǔ),也是最重要的DNA指紋圖譜,是遺傳多樣性分析、親緣關(guān)系分析、種質(zhì)資源評(píng)價(jià)鑒定、遺傳圖譜繪制及其他形式DNA指紋圖譜構(gòu)建的原始資料。DNA數(shù)字指紋圖譜是每個(gè)品種的身份證編碼,可簡(jiǎn)單有效的辨別。傅冰等[29]、李紅俠等[30]、王程等[31]、鄭珊等[32]都在不同層面上構(gòu)建了藍(lán)莓的擴(kuò)增圖譜。
本研究利用篩選出的10對(duì)穩(wěn)定性好、分辨率高的引物構(gòu)建了30個(gè)供試品種的指紋圖譜,這些引物的多態(tài)性比率為90.15%~100%,平均多態(tài)性比率為98.12%,其中只用引物CA231可以將這些材料逐一區(qū)分開(kāi),證明了研究結(jié)果的準(zhǔn)確性,也表明本研究選用的EST-SSR標(biāo)記分辨力極高,為構(gòu)建藍(lán)莓遺傳連鎖圖譜,進(jìn)一步研究與抗寒、需冷量等性狀相關(guān)基因提供參考。同時(shí),本研究構(gòu)建的DNA指紋圖譜也將為藍(lán)莓種植戶進(jìn)行品種真?zhèn)舞b定、保護(hù)該品種提供一定的科學(xué)依據(jù),這將逐步改善藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)苗木市場(chǎng)混亂的現(xiàn)象。另外,本研究中有些聚類分析結(jié)果與實(shí)際親緣關(guān)系不符合,如14號(hào)卡羅琳藍(lán)和18號(hào)布里吉塔都是從Lateblue的實(shí)生苗中選育而來(lái),被分在不同的組中,說(shuō)明來(lái)源于同樣實(shí)生苗的后代在不斷雜交過(guò)程中內(nèi)部遺傳信息可能發(fā)生改變,即內(nèi)部遺傳物質(zhì)發(fā)生了變異,這在今后的研究工作中,可通過(guò)測(cè)序手段對(duì)其差異片段進(jìn)行序列分析,根據(jù)同源性比對(duì)結(jié)果深入分析內(nèi)部遺傳物質(zhì)發(fā)生變異的情況。
本研究結(jié)果表明,北高叢藍(lán)莓品種間遺傳基礎(chǔ)狹窄,在遺傳相似系數(shù)為0.52時(shí),30個(gè)品種聚為一類,當(dāng)遺傳相似系數(shù)為0.63時(shí),77.7%的品種還聚為一類,說(shuō)明按照種植區(qū)域分類的品種間內(nèi)部遺傳物質(zhì)變異程度小,若想改變北高叢藍(lán)莓品種間的遺傳信息量,獲得新性狀的藍(lán)莓品種,則需要加強(qiáng)野生種質(zhì)資源的利用或者進(jìn)行種間雜交,以提高后代變異的幾率,該研究結(jié)果與崔建民等[27]研究結(jié)果一致。今后,筆者還將更加系統(tǒng)地開(kāi)展不同種植區(qū)域品種間遺傳多樣性的研究,如北高叢藍(lán)莓、南高叢藍(lán)莓、半高叢藍(lán)莓、兔眼藍(lán)莓以及紅豆越桔間遺傳多樣性的研究,可以在遺傳背景較遠(yuǎn)的品種間開(kāi)展雜交育種工作,利用分子標(biāo)記可以加快育種速度,同時(shí)再結(jié)合染色體倍性研究結(jié)果,快速地開(kāi)展種間雜交育種工作,為更快、更好地開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的藍(lán)莓新品種提供理論依據(jù)。
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(責(zé)任編輯: 劉忠麗)
Fingerprinting Construction and Genetic Relationship Analysis of Blueberry Based on EST-SSR Markers
GAO Xiongmei1, XU Guohui2*, WANG Hexin2, HOU Yilong1
(1.LifeScienceandTechnologyCollege,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622; 2.InstituteofModernAgriculturalResearch,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622,China)
To provide basis for cultivar identification and apolegamy of excellent hybridization combination at the molecular level, EST-SSR markers were employed to analyzeon fingerprinting and genetic diversity of north highbush blueberry cultivars. Ten of 40 pairs of EST-SSR primers were screened out based on five cultivars which were selected randomly. The 10 primer pairs amplified a total of 206 alleles (including 203 polymorphic alleles) among the 30 cultivars, and the ratio of polymorphism was as high as 98.12%. Alleles amplified by each pair of primers ranged from 9 to 48, with a mean of 20.6, and the mean of polymorphism alleles for each pair was 20.3. 30 cultivars were univocally identified using only one EST-SSR primer pair(CA231), which one’s alleles was the most and the ratio of polymorphism was 100%. UPGMA cluster analysis of genetic relationship between cultivars showed that all the materials were clustered into one group at the genetic similarity coefficient of 0.52, and 77.7% of the cultivars were still clustered together at the genetic similarity coefficient of 0.63.
blueberry; EST-SSR; fingerprinting; genetic diversity
2015-09-09; 2016-02-28修回
遼寧省博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目“高叢藍(lán)莓自然雜交優(yōu)良品系的篩選及其DNA指紋鑒定”(20141120);遼寧省科技計(jì)劃項(xiàng)目“藍(lán)莓樹(shù)莓種質(zhì)資源創(chuàng)新及優(yōu)質(zhì)高效栽培技術(shù)研究”(2013204001);藍(lán)莓優(yōu)良新品種的選育及推廣應(yīng)用(XDNY-NYKJ-2015-001);大連金州國(guó)家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目“藍(lán)莓優(yōu)良品種高效栽培技術(shù)示范”(2014-004);昆明市科技計(jì)劃項(xiàng)目“藍(lán)莓品種選育及關(guān)鍵栽培技術(shù)創(chuàng)新”(2014-04-A-N-01-3099)
高雄梅(1989-),女,在讀碩士,研究方向:植物遺傳育種。E-mail:gaoxm13@163.com
*通訊作者: 徐國(guó)輝(1980-),女,講師,博士,從事遺傳育種學(xué)研究。E-mail:xugh520@163.com
1001-3601(2016)04-0172-0110-06
S663.9
A