么大軒 張彬 劉松濤
摘要:利用單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,簡(jiǎn)稱SNP)與簡(jiǎn)單重復(fù)序列(simple sequence repeat,簡(jiǎn)稱SSR)2種分子標(biāo)記對(duì)23份甜玉米自交系進(jìn)行遺傳多樣性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明,6對(duì)針對(duì)su1基因的SNP引物分別在 7 790、8 210、10 550 bp位點(diǎn)處檢測(cè)到22、17、23個(gè)自交系發(fā)生突變。23份甜玉米自交系在相似系數(shù)為0.55處被劃分為4個(gè)SNP類群;用19對(duì)針對(duì)玉米10條染色體的SSR引物共檢測(cè)出83個(gè)多態(tài)性位點(diǎn),平均每對(duì)引物檢測(cè)到的多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)為4.4個(gè),在相似系數(shù)為0.55處被劃分為5個(gè)SSP類群。2種分子標(biāo)記在類群劃分中既存在一定的相關(guān)性,也存在一定的差異。用SNP、SSR法檢測(cè)的平均遺傳相似系數(shù)分別為0.64、0.71,表明23份甜玉米自交系存在比較豐富的遺傳變異,種質(zhì)資源較為豐富。
關(guān)鍵詞:甜玉米;分子標(biāo)記;SNP;SSR;聚類分析
中圖分類號(hào): S513.032 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A ?文章編號(hào):1002-1302(2019)07-0045-05
甜玉米是玉米屬的一個(gè)亞種,起源于美洲大陸,是一種集糧、果、蔬、飼于一體的經(jīng)濟(jì)型作物,人類種植和食用甜玉米已有100多年的歷史[1]。甜玉米鮮穗可直接上市或加工,乳熟時(shí)籽粒中富含蛋白質(zhì)、水溶性多糖、多種游離氨基酸和維生素,具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值、加工價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。隨著人們生活水平的提高,甜玉米也迎來(lái)了更多的消費(fèi)者[2]。美國(guó)是世界上開展甜玉米育種研究最早的國(guó)家,早在1828年,美國(guó)人索布就發(fā)表了關(guān)于甜玉米研究的第1篇論文,1836年諾埃斯·達(dá)林培育出了第1個(gè)甜玉米品種達(dá)林早熟[3]。而我國(guó)對(duì)甜玉米的研究起步較晚,直到1968年,才由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)培育出了首個(gè)甜玉米品種北京白砂糖[4],到了20世紀(jì)80年代,又有一批新品種出現(xiàn),如農(nóng)梅Ⅰ號(hào)、東甜2號(hào)、金甜1號(hào)、甜玉2號(hào)等,但是其應(yīng)用和推廣面積有限[5-6]。
從20世紀(jì)90年代至今,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高以及甜玉米加工產(chǎn)品的出現(xiàn),對(duì)甜玉米的需求量與種質(zhì)資源遺傳多樣性的需求不斷提高[7]。但是,由于我國(guó)不是甜玉米的起源中心,很多材料依賴于從美國(guó)、泰國(guó)等海外引進(jìn),甜玉米的親緣關(guān)系比較近,類型較單一[8],從而嚴(yán)重影響了我國(guó)甜玉米育種的進(jìn)一步發(fā)展。因此,對(duì)甜玉米的遺傳多樣性進(jìn)行研究尤其重要。
近幾年來(lái),分子標(biāo)記技術(shù)發(fā)展迅速,作為新的手段和方法已被用于檢測(cè)玉米的遺傳多樣性,主要包括限制性內(nèi)切酶片段長(zhǎng)度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphism,簡(jiǎn)稱RFLP)、隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(random amplified polymorphic DNA,簡(jiǎn)稱RAPD)、擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性(amplified fragment length polymorphism,簡(jiǎn)稱AFLP)、簡(jiǎn)單重復(fù)序列(simple sequence repeat,簡(jiǎn)稱SSR)、單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,簡(jiǎn)稱SNP)等分子標(biāo)記技術(shù)。其中單個(gè)堿基變異的SNP作為第3代分子標(biāo)記,具有密度高、分布廣等優(yōu)勢(shì),在水稻、玉米等植物性狀標(biāo)記分析、遺傳圖譜構(gòu)建及遺傳多樣性分析等方面有廣闊的應(yīng)用前景[9-12]。在玉米上,康奈爾Buckle實(shí)驗(yàn)室和Illumina公司構(gòu)建了高密度的SNP標(biāo)記遺傳連鎖圖譜,為分子育種提供了可靠的信息。SSR是一類由 1~6個(gè)堿基組成的基因串聯(lián)重復(fù)而成的DNA序列,其長(zhǎng)度一般較短,它們廣泛分布于基因組的不同位置[13]。SSR具有多態(tài)性水平高、遺傳方式簡(jiǎn)單、結(jié)果重現(xiàn)性好、穩(wěn)定可靠、需要的DNA量少且操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[14],被育種研究者們廣泛使用[15-16]。然而,目前利用分子標(biāo)記對(duì)甜玉米進(jìn)行遺傳多樣性研究的報(bào)道還較少。
為了綜合SNP分子標(biāo)記與SSR分子標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn),增強(qiáng)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性,同時(shí)探究2種分子標(biāo)記的聯(lián)系與差異,本研究采用SNP、SSR 2種分子標(biāo)記同時(shí)對(duì)23份甜玉米材料進(jìn)行遺傳多樣性研究,以期為甜玉米育種提供理論依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
本研究采用的23份甜玉米自交系(均為su1甜玉米)和1份常規(guī)對(duì)照自交系由河北農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究室提供,其名稱詳見表1。
SNP檢測(cè)試驗(yàn)所用引物參照韓國(guó)Shin等研究設(shè)計(jì)的6對(duì)SNP引物[17],詳見表2。SSR檢測(cè)試驗(yàn)所用引物參照CIMMYT(國(guó)際玉米小麥改良中心)公布的針對(duì)玉米10條染色體的核心引物,從中篩選出19對(duì)帶型清晰、穩(wěn)定性好的引物進(jìn)行SSR分析,相應(yīng)的引物序列見表3。以上引物均由北京天一輝遠(yuǎn)生物科技有限責(zé)任公司合成。
1.2 試驗(yàn)方法
本試驗(yàn)于2015年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)種子科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,甜玉米材料種植于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)三分廠試驗(yàn)田。取0.5 g甜玉米鮮葉片,用十六烷基三甲基溴化銨(hexadecyltrimethyl ammonium bromide,簡(jiǎn)稱CTAB)法對(duì)供試的23份甜玉米進(jìn)行DNA提取,并用NanoDrop ND1000型紫外分光光度計(jì)測(cè)定DNA分子D260 nm/D280 nm及濃度,之后統(tǒng)一將濃度稀釋至100 ng/μL,于-20 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>
1.3 PCR反應(yīng)體系和條件
20 μL PCR反應(yīng)體系:2 μL 10×Taq 緩沖液(含Mg2+)、1.6 μL dNTP(2.5 mmol/L)、1 μL前引物、1 μL后引物、0.2 μL Taq酶(2.5 U/L)、1 μL DNA模板(100 ng/μL)、13.2 μL ddH2O。反應(yīng)程序:95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃ 變性 30 s,X ℃退火[X=(前引物Tm+后引物Tm)/2-1,Tm為理論退火溫度]45 s,72 ℃ 延伸1 min,35個(gè)循環(huán);72 ℃延伸 10 min,4 ℃保存。
1.4 PCR產(chǎn)物的檢測(cè)
1.4.1 瓊脂糖凝膠電泳 在每個(gè)PCR體系中加入5 μL加樣緩沖液6×loading buffer,取10 μL上樣于1.5%瓊脂糖凝膠上,于180 V、300 mA、80 W電泳15 min,用EB(溴化乙錠)顯色,用BioRAD凝膠成像系統(tǒng)觀察拍照,記錄條帶信息。
1.4.2 聚丙烯酰胺凝膠電泳 在每個(gè)PCR體系中加入5 μL加樣緩沖液6×loading buffer,取2 μL上樣于6%聚丙烯酰胺凝膠上,于300 V、200 mA、100 W電泳45 min,用銀染法顯影,將膠置于燈箱上觀察拍照,記錄條帶信息。
1.5 數(shù)據(jù)處理及分析方法
根據(jù)PCR產(chǎn)物電泳結(jié)果讀取條帶,同一長(zhǎng)度處有帶的記為1,無(wú)帶的記為0,缺失的記為9,用NTSYS Version 2.10e軟件進(jìn)行聚類分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 PCR擴(kuò)增結(jié)果分析
用6對(duì)針對(duì)su1基因設(shè)計(jì)的SNP引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,其中在1~23號(hào)供試甜玉米中均能檢測(cè)到點(diǎn)突變,而對(duì)照常規(guī)玉米自交系Mo17在所檢測(cè)的3個(gè)變異位點(diǎn)上均無(wú)擴(kuò)增條帶,即在檢測(cè)的3個(gè)位點(diǎn)上均無(wú)變異,8210(A/G)位點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果見圖1。
由表4可以看出,在7790位點(diǎn)處,有22個(gè)自交系發(fā)生突變,116327、116329、116353等15個(gè)自交系發(fā)生C堿基突變,116359-60、 116377、116432等7個(gè)自交系發(fā)生T堿基突變。
在829位點(diǎn)處,有17個(gè)自交系發(fā)生突變,116327、116377-78、116390等8個(gè)自交系發(fā)生A堿基突變,116432、116471、116484等9個(gè)自交系發(fā)生G堿基突變。在10550位點(diǎn)處,23個(gè)自交系全部發(fā)生突變,116432、116455、116471等5個(gè)自交系發(fā)生G堿基突變,116469、116379、116385等18個(gè)自交系發(fā)生A堿基突變。
通過對(duì)10條染色體的核心引物進(jìn)行篩選,獲得19個(gè)條帶清晰、多態(tài)性強(qiáng)的SSR引物。利用篩選出的引物對(duì)供試的23份甜玉米材料進(jìn)行DNA擴(kuò)增,其中引物bnlg439的擴(kuò)增條帶如圖2所示。對(duì)全部擴(kuò)增結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示,擴(kuò)增出的條帶數(shù)在4~11條之間,19對(duì)SSR引物共擴(kuò)增出114條條帶,其中多態(tài)性條帶83條,平均每對(duì)引物檢測(cè)到的多態(tài)性位點(diǎn)為4.4個(gè),多態(tài)性條帶數(shù)占總條帶數(shù)的73%。
2.2 遺傳相似性分析
根據(jù)2種分子標(biāo)記結(jié)果,計(jì)算23份甜玉米的遺傳相似系數(shù),其中SNP相似系數(shù)為0.28~1.00,平均遺傳相似系數(shù)為0.64;SSR遺傳相似系數(shù)為0.47~0.95,平均遺傳相似系數(shù)為0.71。由此可見,2種標(biāo)記方法的平均遺傳相似系數(shù)基本一致,說明含有su1基因的甜玉米突變體的遺傳背景存在比較豐富的遺傳變異。
2.3 聚類分析
當(dāng)相似系數(shù)為0.55時(shí),23份甜玉米材料被劃分為4個(gè)SNP類群(SNP groups,簡(jiǎn)稱SNPGs),分別為SNPGⅠ、SNPGⅡ、SNPGⅢ和SNPGⅣ(圖3)。由表4可以看出,SNPG Ⅰ包含116327、116390、紫su5-3、紫su5-12、紫su5-3-3、116377-78、116385、黃su7-8、116375、116329、116353、116379、116394、116424共14份材料,占60.9%;SNPG Ⅱ僅含有1份材料,即116455,占4.3%;SNPG Ⅲ、SNPG Ⅳ各含有4份材料,分別為116359-60、116377、紅su5、116469和116432、116471、116485、116484,各占供試材料的17.4%。
由圖4的SSR標(biāo)記聚類結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)相似系數(shù)為0.55時(shí),23份甜玉米自交系被分為5個(gè)類群(SSR groups,簡(jiǎn)稱SSRGs)。其中SSRGⅠ包括紫su5-3、紫su5-12、黃su7-8、116390、116329、116375、紫su5-3-3等13份材料;SSRGⅡ和SSRGⅣ分別包含116359-60、116394、116424和 116377-78、116469、116471;SSRGⅢ和SSRGⅤ分別包含116484、116485和116432、116455(表5)。
3 討論
玉米胚乳基因組內(nèi)某一特定核苷酸位置發(fā)生轉(zhuǎn)換、顛倒、插入、缺失等都有可能使其突變?yōu)樘鹩衩?。su突變體編碼的蛋白質(zhì),即異淀粉酶是淀粉去分支酶的一種[18-19],能使糖向淀粉的轉(zhuǎn)化過程受阻,造成中間產(chǎn)物大量積累,因而發(fā)生相應(yīng)突變的玉米中的蔗糖、還原糖含量顯著高于普通玉米,使玉米未成熟籽粒中大量積累水溶性多糖[20-21]。
本試驗(yàn)應(yīng)用SNP、SSR 2種分子標(biāo)記研究su1型甜玉米。su1基因位于第4染色體的第8~66位點(diǎn),在該位點(diǎn)先后發(fā)現(xiàn)了sul-am、sul-B n2、sul-cr、sul-st和sul-R等等位基因[1]。本試驗(yàn)選用等位基因特異性PCR對(duì)su1基因的7790、8210及10550這3個(gè)SNP位點(diǎn)進(jìn)行分型,該方法具有成本低、易操作等優(yōu)點(diǎn),但仍需要對(duì)引物退火溫度以及反應(yīng)條件進(jìn)行一定的摸索。有報(bào)道指出,等位基因特異PCR反應(yīng)體系具有很高的靈敏性[22],然而試驗(yàn)中依然會(huì)有隱約的非特異性條帶出現(xiàn),本試驗(yàn)中檢測(cè)的甜玉米在7790、8210、10550這3個(gè)突變位點(diǎn)中至少存在1~2個(gè)突變,PCR反應(yīng)對(duì)退火和延伸過程的時(shí)間和溫度比較敏感[17],因而不適宜的反應(yīng)條件可能會(huì)導(dǎo)致堿基錯(cuò)配,使得堿基發(fā)生非特異性結(jié)合。本試驗(yàn)通過適當(dāng)提高退火溫度,較大程度地抑制了非特異性條帶的產(chǎn)生,與樂素菊等的研究結(jié)果[23]一致。SSR分子標(biāo)記技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),是近10年來(lái)常用的研究遺傳多樣性的方法[24]。趙波等利用SSR標(biāo)記,對(duì)小豆種質(zhì)資源進(jìn)行了遺傳多樣性分析,檢測(cè)到86個(gè)等位變異[25]。陳婧等曾利用SSR分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)玉米進(jìn)行了遺傳多樣性分析[26-28]。胡萍等利用SSR分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)貴州的108份玉米品種進(jìn)行了遺傳多樣性分析,得出其遺傳相似系數(shù)在0.44~0.99之間[29]。王利峰等利用表型和SSR分析了河南省玉米的遺傳多樣性,得出其遺傳相似系數(shù)為0.63~0.89[30]。而本試驗(yàn)利用19對(duì)SSR引物對(duì)23份甜玉米自交系進(jìn)行遺傳多樣性分析,共檢測(cè)出80個(gè)等位基因有變異位點(diǎn),檢測(cè)到的等位基因數(shù)為4.4個(gè),遺傳相似度系數(shù)為0.47~0.95,表明甜玉米種質(zhì)來(lái)源較廣泛,遺傳基礎(chǔ)豐富。本研究將供試材料劃分為5大類,從分子水平分析了甜玉米的群體遺傳結(jié)構(gòu)和多態(tài)性水平,為研究親本選配、新種質(zhì)創(chuàng)制等提供了依據(jù)。
本試驗(yàn)利用SNP、SSR 2種分子標(biāo)記,研究了甜玉米的遺傳多樣性,在甜玉米親緣劃分上,2種分子標(biāo)記存在一定的相關(guān)性,均能將紫su5-3、紫su5-12和紫su5-3-3等姊妹系聚在一起,同時(shí)也存在一定的差異,如SSR標(biāo)記比SNP標(biāo)記劃分的類群多1個(gè)。本研究結(jié)果也驗(yàn)證了用分子標(biāo)記探究種質(zhì)資源血緣關(guān)系的科學(xué)性、準(zhǔn)確性,由于引物數(shù)量及試驗(yàn)材料數(shù)量的限制,要得到更精確的群體結(jié)構(gòu)劃分還需要進(jìn)一步研究。
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