蒲小劍,田久勝,田新會,杜文華(.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070; .甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
擴(kuò)增片段長度多態(tài)性(AFLP)是由RFLP與RAPD結(jié)合而成的一種新的分子標(biāo)記技術(shù),具有RFLP標(biāo)記和RAPD標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn),有“最有力的分子標(biāo)記”或“下一代分子標(biāo)記”的稱號[7]。因其高多態(tài)性,可靠,高效[8],DNA用量少,檢測率高[9],重復(fù)性高,加上選擇為中性[10]等許多優(yōu)點(diǎn),AFLP技術(shù)普遍應(yīng)用于生物研究領(lǐng)域。近年來,AFLP技術(shù)在牧草種質(zhì)鑒定方面的應(yīng)用發(fā)展迅速,在紫花苜蓿(Medicagosativa)[11],燕麥(Avenasativa)[12],狗牙根(Cynodondactylon)[13],老芒麥(Elymussibiricus)[14-15],扁蓿豆(Medicagosativa)[16],鴨茅(Dactylisglomerata)[17]等牧草的鑒定中均有報(bào)道。孟麗娟[18]通過對來自美國、加拿大和俄羅斯的31份紅三葉材料運(yùn)用ISSR分子標(biāo)記建立并優(yōu)化了適宜紅三葉ISSR分析的最佳反應(yīng)體系,擴(kuò)增出58條多態(tài)性條帶,后通過UPGMA聚類分析將試驗(yàn)材料分為5類。Mamta Gupta等[19]使用36對簡單序列重復(fù)(SSR)引物分析全球收集紅三葉材料的遺傳多樣性,其擴(kuò)增片段1~6個,多態(tài)性值0.301~0.719,貝葉斯聚類模型分析將研究材料分為3類。Herrmann等[20]利用優(yōu)化AFLP體系探索了野生和栽培紅三葉群體的遺傳特性和親緣關(guān)系。Muntean等[21]用AFLP分子標(biāo)記對紅三葉品種遺傳多樣性進(jìn)行了評價(jià)。雖然AFLP技術(shù)的原理簡便,但步驟繁多,從酶切反應(yīng)到銀染成像的優(yōu)化,若一個步驟或條件不合適,就出現(xiàn)帶型不穩(wěn)定、條帶不清晰和多態(tài)性偏低等問題。所以,以岷山紅三葉和紅三葉新品系為試驗(yàn)材料,篩選AFLP優(yōu)化條件,旨在建立適宜紅三葉的AFLP反應(yīng)體系,為紅三葉分子遺傳研究奠定基礎(chǔ)。
田間試驗(yàn)在甘肅省臨洮縣臨洮農(nóng)校農(nóng)場進(jìn)行,地理位置E 103°87′,N 35°37′,海拔1 892 m,降水量562 mm,無霜期80~190 d,年平均氣溫7.0℃(最高氣溫34.6℃,最低氣溫-29.5℃)。土壤為黑麻土,肥力均勻,有灌溉條件,前茬作物為玉米。
試驗(yàn)材料為以岷山紅三葉為父本(Male parent,M)、抗白粉病紅三葉新品系(甘農(nóng)PR1)為母本(Female parent,F(xiàn))雜交形成的F1代群體,以及2親本。2015年3月下旬將雜交F1代種子點(diǎn)播,株距20 cm,行距30 cm,播種深度1(2 cm,得到F1代群體。于生長期間采摘幼嫩葉片1~2 g,放入液氮保存,帶回實(shí)驗(yàn)室-80℃超低溫冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>
MseI,EcoRI和T4DNA連接酶購自Thermo Scientific,2×PCR Master Mix與DNA Marker購于BBI Life Sciences。引物及接頭(表1)上海生工生物工程有限公司人工合成,其他試劑均為國產(chǎn)分析純。
試驗(yàn)所用儀器見表2。
表1 接頭和引物序列Table 1 Sequence of the adapter and primer
表2 試驗(yàn)儀器Table 2 Experimental instrument
采用改進(jìn)CTAB法[22-23]提取紅三葉基因組DNA。1 %瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的質(zhì)量,TE稀釋后用超微量紫外分光光度計(jì)檢測D260nm/D280nm,D260nm/D230nm,以確定DNA的純度與濃度。
體系優(yōu)化篩選條件:酶切時間,DNA濃度,EcoRI、MseI濃度見表3;預(yù)擴(kuò)增體系見表4,選擇性擴(kuò)增體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)見表5。
表3 優(yōu)化體系篩選條件設(shè)計(jì)及篩選結(jié)果Table 3 Optimization system screening conditions design and screening results
表4 預(yù)擴(kuò)增正交體系設(shè)計(jì)Table 4 Orthogonal design for pre-amplification
表5 選擇性擴(kuò)增引物組合編號Table 5 Primer numbers
注:E代表EcoRI,M代表MseI。
1.6.1 基因組DNA雙酶切 選取2種限制性內(nèi)切酶EcoRI/MseI,反應(yīng)體系共20 μL。包含,10×Tang buffer 3 μL,模板DNA(200~300 ng/μL)9 μL,8 UEcoRI,6 UMseI,ddH2O補(bǔ)平。雙酶切時間,37℃水浴5 h、65℃水溶15 min。-20℃保存酶切產(chǎn)物。
1.6.2 接頭連接 合成的單鏈人工接頭稀釋至50 μmol/L,經(jīng)PCR反應(yīng)合成雙鏈,加入3 U T4DNA連接酶,于22℃下連接過夜。
1.6.3 AFLP預(yù)擴(kuò)增反應(yīng) 反應(yīng)總體系30 μL,包括4 μL連接產(chǎn)物模板DNA,0.8 μLEcoRI,0.6 μLMseI預(yù)擴(kuò)增引物,15 μL 2×PCR Master Mix,ddH2O補(bǔ)平,離心混勻進(jìn)行PCR反應(yīng)。
1.6.4 AFLP選擇性擴(kuò)增反應(yīng) 反應(yīng)總體系20 μL,包括2 μL稀釋10、20、25、30、40、50倍的預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物(稀釋30倍);0.8 μL Primer E,1.0 μL Peimer M,2×PCR Master Mix6、7、8、9、10和11 μL;ddH2O補(bǔ)平后進(jìn)行PCR反應(yīng)。
1.6.5 擴(kuò)增產(chǎn)物檢測 制備4%變性聚丙烯酰胺凝膠,待膠聚合后預(yù)電泳30 min。選擇擴(kuò)增產(chǎn)物(2 μL)與上樣Buffer混勻,經(jīng)90℃變性3 min,置于4℃保存等待點(diǎn)樣。點(diǎn)樣后1 500 V恒功率電泳1.5 h左右,停止電泳。采用Carlos銀染方法[22-23],膠版微干后拍照、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
AFLP反應(yīng)對DNA質(zhì)量要求較高。高質(zhì)量的DNA是獲得重復(fù)性好、條帶清晰AFLP擴(kuò)增結(jié)果的關(guān)鍵因素。采取改良CTAB法提取紅三葉基因組DNA。經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測顯示所提取的紅三葉基因組DNA條帶清晰、整齊、無拖尾(圖1)。經(jīng)超微量紫外分光光度計(jì)檢測,D260nm/D280nm在1.7~1.9,D260nm/D230nm約為2,濃度在200 ng/μL。說明所提取DNA純度高,濃度適中,能夠達(dá)到下一步試驗(yàn)要求。
圖1 紅三葉基因組DNA電泳檢測Fig.1 Agarose gel-electrophporesis of redclover genomic DNA注:1,2分別為紅三葉DNA在1 %瓊脂糖凝膠檢測結(jié)果
2.2.1 酶切時間優(yōu)化 采用EcoRI和MseI進(jìn)行基因組DNA酶切,識別序列分別為GAATTC和AATT。用1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測酶切產(chǎn)物。其DNA片段均在100~1 500 bp,表明酶切充分,符合試驗(yàn)要求(圖2)。1~5條帶亮度逐漸增加,6稍暗于5。因此酶切時間選用37℃ 5 h,65℃ 20 min。
圖2 酶切時間優(yōu)化電泳圖Fig.2 Agarose gel-electrophporesis of gradientextracted enzyme digestion time注:1~6分別為3,3.5,4.0,4.5,5.0,5.5 h酶切連接瓊脂糖電泳帶型,M為D2000分子量標(biāo)記
2.2.2 DNA濃度篩選 40~90 ng/μL電泳條帶亮度逐漸變大,100 ng/μL條帶亮度暗于90 ng/μL。90 ng/μL DNA進(jìn)行酶切反應(yīng)(圖3)。
圖3 DNA濃度篩選電泳圖Fig.3 Agarose gel-electrophoresis of different DNA concentrations注:1~7的DNA濃度分別為40、50、60、70、80、90、100 ng/μL,M為D2000分子量標(biāo)記
2.2.3EcoRI濃度篩選 電泳結(jié)果(圖4)表明,1~4條帶亮度隨內(nèi)切酶EcoRI濃度增加變大,而5、6條帶亮度暗于4。EcoRI濃度篩選結(jié)果為8 U。
圖4 EcoRI濃度篩選電泳圖Fig.4 Agarose gel-electrophoresis of different EcoRI concentrations注:1~6的EcoRI濃度分別為2、4、6、8、10、12 U,M為D2000分子量標(biāo)記
2.2.4MseI濃度篩選 電泳結(jié)果(圖5)表明1、3條帶明顯亮于其他條帶,3的條帶亮度最大。MseI濃度篩選結(jié)果為6 U。
根據(jù)表2設(shè)計(jì)的16個PCR擴(kuò)增結(jié)果圖。整體效果不理想,僅第4與第6有條帶。第6條帶的亮度明顯優(yōu)于第4條帶。因此,預(yù)擴(kuò)增體系為,連接產(chǎn)物,4 μL(稀釋10倍);Primer E0,0.8 μL;Peimer M0,0.6 μL;2×PCR Master Mix,15 μL;ddH2O,9.6 μL(圖6)。
圖5 MseI(Trμ9I)濃度篩選電泳圖Fig.5 Agarose gel-electrophporesis of different MseI (Trμ9I) concentration注:1~6的MseI(Trμ9I)濃度分別為2、4、6、8、10、12 U,M為D2000分子量標(biāo)記
圖6 預(yù)擴(kuò)增正交設(shè)計(jì)電泳圖Fig.6 Agarose gel-electrophporesis on orthogonal design of pre-amplification注:1~16代表正交體系編號,同表4
2.4.1 預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物稀釋倍數(shù)篩選 在眾多因素中,預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物稀釋的倍數(shù)對選擇性擴(kuò)增效果的影響最大。為使條帶清晰、穩(wěn)定,預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物被稀釋不同倍作比對試驗(yàn),結(jié)果顯示,最適宜的擴(kuò)增效果是稀釋30倍(圖7)。
2.4.2 2×PCR Master Mix用量篩選 2×PCR Master Mix是即用型的常規(guī)PCR預(yù)混合溶液,含有TaqDNA Polymerase,dNTP混合物,MgCl2以及優(yōu)化的緩沖體系,只需加入引物和模板即可進(jìn)行擴(kuò)增(圖8),其用量大小會直接影響PCR結(jié)果。瓊脂糖凝膠電泳表明,10 μL PCR產(chǎn)物電泳條帶最亮,7 μL PCR產(chǎn)物次之,6 μL PCR產(chǎn)物最暗。
選擇性擴(kuò)增體系:預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物,2 μL(稀釋30倍);Primer E,0.8 μL;Primer M,1.0 μL;2×PCR Master Mix,10 μL;ddH2O,6.2 μL。
圖7 預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物稀釋倍數(shù)處理下選擇性擴(kuò)增Fig.7 Effects of pre-amplification product diluted multiples on selective amplification注:1~6分別為5、10、15、20、25、30、40倍Mix用量,M為D2000分子量標(biāo)記
圖8 2×PCR Master Mix用量處理下選擇性擴(kuò)增Fig.8 Effects of concentration of 2×PCRMasterMix on selective amplification注:1~6分別為6、7、8、9、10、11 μL 2×PCR Master稀釋,M為D2000分子量標(biāo)記
2.4.3 引物對的篩選 從8條EcoRI酶切位點(diǎn)接頭選擇性引物和8條MseI酶切位點(diǎn)接頭選擇性引物組合共計(jì)64對選擇性引物中篩選。只有1對引物組合沒有擴(kuò)增出條帶,2對引物擴(kuò)增結(jié)果與其他引物組合擴(kuò)增條帶重復(fù),其余引物組合均能獲得較清晰條帶。其中31對引物的擴(kuò)增圖譜(圖9)。選取16對條帶清晰且條帶數(shù)較多的引物組合進(jìn)行后續(xù)分析。
AFLP被認(rèn)為是十分理想、高效的分子標(biāo)記技術(shù),己經(jīng)被廣泛應(yīng)用到水稻等作物的遺傳多樣性分析、種質(zhì)鑒定、基因定位和連鎖圖譜構(gòu)建等方面[24]。AFLP試驗(yàn)分析中,DNA模板限制性內(nèi)切酶酶切是否充分、酶切片段T4DNA連接酶的連接是否成功是影響AFLP試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵,限制性內(nèi)切酶及 T4DNA連接酶的用量根據(jù)模板 DNA量而定[25]。AFLP可采取單酶切、雙酶切,據(jù)報(bào)道TE-AFLP用3種酶進(jìn)行酶切反應(yīng)[26]。雙酶切具有DNA片段長度較小,易于分離擴(kuò)增產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn),因此得以大量應(yīng)用于試驗(yàn)研究。高品質(zhì)基因組DNA的提取,是AFLP反應(yīng)體系成功建立的關(guān)鍵[27],若含有質(zhì)量較差的DNA時,試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性將會受到很大影響[28-29]。試驗(yàn)用于酶切的DNA經(jīng)檢測D260 nm/D280 nm的比值在1.7~1.9,純度較高。瓊脂糖凝膠電泳檢測顯示,不含RNA和其他雜質(zhì),完全達(dá)到了AFLP技術(shù)的要求。雙酶切反應(yīng)中,限制性內(nèi)切酶對DNA的酶切必須完全徹底,否則擴(kuò)增后變性聚丙烯電泳會出現(xiàn)多而密、中下部擴(kuò)增帶稀少的現(xiàn)象,EcoRI較MseI敏感,更容易受DNA質(zhì)量和體系中各成分的影響,因此在酶切反應(yīng)中,采用EcoRI酶切緩沖液作為雙酶切的緩沖液。
圖9 引物篩選電泳圖Fig.9 Agarose gel-electrophporesis of primer screening注:M為DNA Marker(BBI Life Sciences)
AFLP反應(yīng)中,不同材料的酶切時間、預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物的稀釋倍數(shù)和選擇性擴(kuò)增引物濃度這3個關(guān)鍵反應(yīng)條件有所不同[30-31]。蔡麗艷等[11]構(gòu)建苜蓿cDNA-AFLP反應(yīng)體系的酶切時間為37℃ 6 h,65℃ 20 min。劉歡等[12]構(gòu)建燕麥AFLP體系酶切的時間為37℃ 4 h,65℃ 15 min。引物濃度是反應(yīng)體系的重要組成部分,對試驗(yàn)結(jié)果影響比較大[32]。如果引物濃度偏低,PCR效率也會降低,擴(kuò)增產(chǎn)物產(chǎn)量也相應(yīng)減少;如果引物濃度偏高,可能會發(fā)生異位引導(dǎo),導(dǎo)致非特異性意外擴(kuò)增,影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性[33]。試驗(yàn)為2種引物分別設(shè)置了6個引物濃度梯度,并篩選出了最優(yōu)濃度。
AFLP操作時,由于膠板點(diǎn)樣口限制,同一對引物所擴(kuò)增出的所有樣需分批進(jìn)行點(diǎn)樣、跑膠,這就造成了不同玻璃板之間顯影的差別,人工統(tǒng)計(jì)條帶時,人為因素造成的誤差會降低AFLP技術(shù)的有效性。因此,為了提高試驗(yàn)的精確性,試驗(yàn)對引物初步篩選后,選出16對引物(點(diǎn)樣板最多點(diǎn)樣32個)對紅三葉新品系和岷山紅三葉進(jìn)行多樣性分析,篩選出11對清晰的擴(kuò)增條帶且多樣性豐富的引物組合進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。
通過對決定AFLP體系的DNA濃度,酶切時間,兩酶EcoRI和MseI濃度,預(yù)擴(kuò)增產(chǎn)物稀釋倍數(shù),2×PCR Master Mix用量,引物組合等7個要素進(jìn)行篩選,逐一篩選出對應(yīng)上述要素的最優(yōu)化量。分別為90 ng/μL,5 h,8 U,6 U,30倍,10 μL,構(gòu)建了AFLP優(yōu)化體系。按照篩選結(jié)果得到31條清晰條帶。并選出11條進(jìn)行后續(xù)分析。
參考文獻(xiàn):
[1] 何瑋,蔣安,王琳,等.PEG干旱脅迫對紅三葉抗性生理生化指標(biāo)的影響研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2013,29(5):5-10.
[2] 孟麗娟,趙桂琴.紅三葉ISSR-PCR反應(yīng)體系的建立與優(yōu)化[J].草原與草坪,2015,35(2):21-26.
[3] 高雪芹,伏兵哲,王俊杰,等.紅三葉的研究現(xiàn)狀及利用前景[J].農(nóng)業(yè)科學(xué)研究,2013,34(3):52-55.
[4] 姜義寶,王成章,崔國文.紅車軸草異黃酮對肉雞免疫器官、免疫球蛋白及抗氧化性能的影響[J].草地學(xué)報(bào),2011,19(3):520-524.
[5] 杜文華.三葉草[M].蘭州:甘肅科學(xué)技術(shù)出版社,2006:7-8.
[6] 劉曉玲,杜文華,宋超.氮磷肥施用量對紅三葉中異黃酮含量的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010,19(7):159-163.
[7] 王真.丹參雄性不育基因的AFLP標(biāo)記[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2012.
[8] 李鴻雁,李志勇,辛霞,等.49份野生扁蓿豆種質(zhì)資源的AFLP遺傳多樣性分析[J].中國草地學(xué)報(bào),2016,38(4):20-26.
[9] 程小毛,李響,姜永雷,等.基于AFLP的滇西北玉龍雪山不同海拔川滇高山櫟遺傳多樣性分析[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(1):22-27.
[10] 王曉英,張林,李承秀,等.51個春蘭(Cymbidiumgoeringii)品種的AFLP遺傳多樣性分析[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2015,16(3):653-658.
[11] 蔡麗艷,石鳳翎,李志勇,等.苜蓿cDNA-AFLP反應(yīng)體系的建立和優(yōu)化[J].種子,2011,30(8):1-4,8.
[12] 王茅雁,齊秀麗.利用RAPD標(biāo)記研究燕麥屬不同種的遺傳差異[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2004,19(4):24-28.
[13] 凌瑤,楊樹萍,張新全,等.西南地區(qū)野生狗牙根種質(zhì)資源的SSR與AFLP聯(lián)合分析[J].廣西植物,2014,(6):734-741,815.
[14] 付藝峰.老化老芒麥種質(zhì)遺傳完整性研究[D].呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.
[15] 陳云.兩種牧草遺傳多樣性及逆境條件下甲基化水平分析[D].曲阜,曲阜師范大學(xué),2015.
[16] 李鴻雁,李志勇,辛霞,等.野生扁蓿豆種質(zhì)資源AFLP遺傳多樣性的分析[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2016(1):78-83.
[17] 王少青,牟瓊,歐鐘明,等.鴨茅種質(zhì)資源分子遺傳多樣性研究進(jìn)展[J].草業(yè)與畜牧,2015(5):1-6.
[18] 孟麗娟.引進(jìn)紅三葉種質(zhì)資源的表型和遺傳多樣性研究[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.
[19] M Gupta,V Sharma,S K Chahota,etal.Analysis of genetic diversity and structure in a genebank collection of red clover (TrifoliumpratenseL.) using SSR markers[J].Plant Genetic Resources,2016,1-4.
[20] D Herrmann,B Boller,F Widmer,etal.Optimization of bulked AFLP analysis and its application for exploring diversity of natural and cultivated populations of red clover[J].Genome,2005,48:474-486.
[21] L Muntean,C Botez,S Muntean.AFLP-based assessment of genetic diversity among red clover (TrifoliumpratenseL.) cultivars[C].42nd CROATIAN & 2nd INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON AGRICULTURE,236-240.
[22] 劉世新.實(shí)用生物組織學(xué)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2003:222-224.
[23] S Porebski,L G Bailey,B R Baum.Modification of a CTAB DNA extraction protocol for plants containing high polysaccharide and polyphenol components[J].Plant molecular biology reporter,1997,15(1):8-15.
[24] 張鳳仙,畢玉芬,王曉云.云南野生苜蓿與引進(jìn)苜蓿的核型分析[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(4):431-435.
[25] 饒龍兵,楊漢波,郭洪英,等.陳益泰.榿木屬植物AFLP反應(yīng)體系的建立與優(yōu)化[J].分子植物育種,2014,12(3):547-553.
[26] A V Wurff,Y L Chan,N M Straalen.TE-AFLP:combining rapidity and robustness in DNA fingerprinting.Nucleic Acids Research,2000,28(24):1-5.
[27] 王大瑋,李煜,周瑋,等.杜仲AFLP反應(yīng)體系的建立及優(yōu)化[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,38(6):88-94.
[28] 雷家軍,于海濤,王志剛,等.卷丹百合AFLP反應(yīng)體系的建立與優(yōu)化[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,44(10):122-127.
[29] 琚茜茜,黃如葵,黃玉輝,等.苦瓜AFLP和SRAP的PCR反應(yīng)體系優(yōu)化及應(yīng)用比較[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,44(2):195-199.
[30] M A Rodrigues,C A Santos,J R Santana.Mapping of AFLP loci linked to tolerance to cowpea golden mosaic virus[J].Genetics and Molecular Research,2012,11(4):3789-3797.
[31] A K Shukla,A K Shasany,S P Khanuja.cDNA-AFLP-Based numerical comparison of leaf and root organ cDNAs in Catharanthus roseus[J].OMICS A Journal of Integrative Biology,2012,16(7/8):397-401.
[32] 李芳弟,王艦,王芳,等.馬鈴薯種質(zhì)遺傳多樣性分析的AFLP反應(yīng)體系優(yōu)化與引物篩選[J].分子植物育種,2010,8(1):179-185.
[33] 曹亞.實(shí)用分子生物學(xué)操作指南[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2003:132-134.