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        基于SSR分子標記對西瓜雜交種早佳8424純度的高通量鑒定

        2020-03-18 08:55:24李寐華馬新力張學(xué)軍張永兵伊鴻平
        新疆農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:雙親雜交種母本

        李寐華,楊 永,馬新力,張學(xué)軍,張 紅,張永兵,伊鴻平

        (新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈密瓜研究中心,烏魯木齊 830091)

        0 引 言

        【研究意義】雜種優(yōu)勢已廣泛應(yīng)用于作物育種和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[1]。西瓜具有明顯的雜種優(yōu)勢,主要表現(xiàn)為植株長勢旺,果實品質(zhì)好,產(chǎn)量高,抗病,抗逆性強等[2],目前中國西瓜生產(chǎn)用種100%為雜交種[3]。雜交種子在生產(chǎn)過程中由于人工去雄不徹底、套帽夾花不嚴或機械混雜等,易導(dǎo)致?lián)饺肽副痉N子或外來雜種子[4,5]。雜交種子的純度和真實性是種子質(zhì)量的重要指標,是決定西瓜生產(chǎn)產(chǎn)量和品質(zhì)的重要保障,關(guān)系到種子銷售企業(yè)的品牌效益,雜交種子在銷售前進行純度和真實性鑒定,對滿足制種單位種子快速準確鑒定有重要意義?!厩叭搜芯窟M展】目前隨機擴增多態(tài)性DNA標記(random amplified polymorphism DNA,RAPD)技術(shù)、相關(guān)序列擴增多態(tài)性(Sequence-related amplified polymorphism,SRAP)和簡單重復(fù)序列(simple sequence repeat,SSR) 技術(shù)等均已應(yīng)用于西瓜雜交種純度鑒定[3,6~7],其中SSR標記因其分布均勻、共顯性遺傳、操作簡單、穩(wěn)定性好等在雜交種純度鑒定方面的應(yīng)用最為廣泛?!颈狙芯壳腥朦c】早佳8424西瓜是20世紀80年代培育的早熟、品質(zhì)極佳且具有廣泛生態(tài)適應(yīng)性的露地、設(shè)施兼可種植的雜交種。2018年全國種植面積約26.67×104hm2(400萬畝)。隨著早佳8424西瓜品種種植面積不斷擴大,種子需求量和制種面積不斷增加,種子真實性和純度的高通量快速準確鑒定成為制種單位的迫切需求。早佳8424西瓜種子純度的傳統(tǒng)鑒定主要依據(jù)田間形態(tài)學(xué)鑒定,即F1雜交種果皮為綠底墨綠色條帶,而母本果皮為淺綠底核桃紋條帶。傳統(tǒng)鑒定需要品種特異農(nóng)藝性狀表現(xiàn)出來才能進行鑒別,較為費時費力,且受季節(jié)限制,易受環(huán)境因素影響?!緮M解決的關(guān)鍵問題】利用早佳8424西瓜及其雙親篩選獲得4對SSR共顯性分子標記,在對單一標記優(yōu)化的基礎(chǔ)上,創(chuàng)建雙重PCR擴增體系,將條帶大小具有明顯差異的分子標記組合應(yīng)用于雜交種純度鑒定,采用堿裂解法提取DNA法鑒定早佳8424西瓜雜交種子純度和真實性。

        1 材料與方法

        1.1 材 料

        西瓜品種早佳8424(F1)及其父母雙親T2(P2)、伊選(P1)共3份材料均由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈密瓜研究中心提供。

        1.2 方 法

        1.2.1 基因組DNA提取

        改良CTAB法:取早佳8424西瓜及其父母雙親各10粒種子置于35℃培養(yǎng)箱中催芽約36 h至露出胚根即可,將10粒種子胚根等量混為1個樣品,置于2 mL離心管中,然后加入1個約5 mm的鋼珠和500 μL CTAB。利用羅氏MagNA Lyser組織勻漿儀以2 500 r/min震蕩30 s,每管加入500 μL氯仿異戊醇,上下顛倒震蕩50次,12 000 r/min離心3 min,吸取200 μL上清液于新的1.5 mL離心管中,加入等體積異丙醇上下顛倒50次混勻,12 000 r/min離心3 min,用70%無水乙醇清洗2次,于80℃烘箱中約10 min蒸干,然后用200 μL ddH2O溶解。取2 μL DNA溶液,利用Q3000超微量分光光度計測定樣品DNA濃度和純度,取適量樣品DNA母液統(tǒng)一稀釋為20 ng/μL存放于-20℃冰箱中備用,DNA母液存放于-80℃冰箱中長期保存。提取大量樣品時,為進一步提高效率,異丙醇沉降及70%無水乙醇清洗步驟可利用96孔PCR板結(jié)合排槍完成,離心時改用平板離心機4 680 r/min離心10 min,其它步驟同上。

        堿裂解法:配置BufferA溶液(100 mM NaOH+2%Tween)和BufferB溶液(100 mM Tris-HCl+2 mM EDTA)。將待檢測樣品嫩葉或胚根置于96孔PCR板中,加入50 μL BufferA溶液,置于PCR儀中95℃溫浴10 min中,加入50 μL BufferB溶液,上下顛倒50次混勻,取2 μL用于PCR擴增。

        利用早佳8424母本伊選和父本T2從72對SSR引物中共篩選出4對呈現(xiàn)明顯差異的分子標記。

        1.2.2 SSR多態(tài)性引物的篩選

        72對SSR引物由上海生物工程有限公司合成,具體引物信息詳見T. Joobeur等[9]、范建光等[10]和李麗等[4]。以早佳8424及其雙親基因組DNA為模板進行PCR擴增,篩選出在早佳8424雙親間呈現(xiàn)多態(tài)性且早佳8424帶型為雙親復(fù)合型的SSR引物。PCR反應(yīng)體系10 μL,其中2×EasyTaqPCR SuperMix for PAGE(北京全式金生物技術(shù)有限公司) 5 μL,濃度為10 μM的正向引物和反向引物各0.25 μL,ddH2O 3.5 μL,DNA模板1 μL。PCR擴增程序為94℃預(yù)變性 3 min;94℃變性30 s,60℃退火30 s,72℃延伸30 s,28個循環(huán);72℃終延伸5 min;PCR產(chǎn)物4℃ 保存。利用6%的聚丙烯酰胺凝膠170 V電泳1 h,通過銀染法染色觀察。表1

        為保障多重PCR技術(shù)體系的建立,以早佳8424雜交種DNA為模板,對4個標記的最佳退火溫度進行篩選。

        1.2.3 西瓜雜交種早佳8424純度的田間鑒定和SSR分子標記鑒定

        西瓜雜交種早佳8424純度的田間鑒定在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈密瓜研究中心亞爾鄉(xiāng)基地進行。利用直徑約5 mm的打孔器按照田間種植順序依次取192株植株嫩葉置于96孔PCR板中,采用堿裂解法提取DNA,利用篩選出的SSR分子標記鑒定,并將鑒定結(jié)果同田間鑒定結(jié)果進行比較。

        雜交種純度=(1-雜種子數(shù)量/檢測種子總數(shù))×100%。

        采集田間種植的早佳8424植株嫩葉,采用堿裂解法快速提取其DNA。利用WS27+MCPI-05組合對早佳8424雜交種純度進行分子鑒定。

        早佳8424西瓜果實呈圓球形,綠底果面并覆有墨綠條帶,而其母本為淺綠底核桃紋條帶,將早佳8424果面特征作為田間鑒定的最主要依據(jù)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 早佳8424雜交種純度SSR鑒定標記篩選

        研究表明,4對引物在早佳8424上的帶型均呈現(xiàn)為雙親復(fù)合型,4對引物均可應(yīng)用于早佳8424西瓜的雜交種純度鑒定。引物BVWS00106和BVWS00333分別位于第5號和第9號染色體上,引物WS27和MCPI-05均位于第6號染色體上,4對引物PCR擴增片段大小均在100~300 bp。圖1

        表1 早佳8424雜交種純度鑒定引物

        Table 1 Primers used for genetic purity testing in hybrid Zaojia 8424 watermelon

        引物名稱Primer正向引物序列Forward primer反向引物序列Reverse primer染色體位置ChromosomeBVWS00106TGGCCTAGAAGATTATTGAGCTGCCATTATCACATGGCAGATAATGGAAAChr5BVWS00333TGTTGAGATTCTTTGATTTCAACTGTTGGGTCAAAGTATTTTTGCTTTTTChr9WS27TTCTCTTCATTCCCCCAAAATCACGGGTGAGGGAAAACGAGChr6MCPI-05ATTTCTGGCCCCAGTGTAAGGAACAACGCAACCACGTATGChr6

        圖1 4對SSR引物的PCR擴增圖譜

        Fig.1 SSR profile of Zaojia8424 and its parents amplified with the four primers

        2.2 雙重PCR擴增

        研究表明,篩選出的4個標記根據(jù)擴增產(chǎn)物的大小可進行不同組合。60.2℃為最佳退火溫度,退火溫度小于60.2℃時4個標記均有不同程度的非特異性擴增,當退火溫度高于60.2℃,PCR擴增產(chǎn)物產(chǎn)量隨溫度升高逐漸降低甚至無擴增產(chǎn)物。配制BVWS00106+BVWS00333、BVWS00106+WS27、BVWS00333+WS27、BVWS00333+MCPI-05、WS27+MCPI-05、BVWS00106+BVWS00333+WS27和BVWS00333+WS27+MCPI-05等7個組合在60℃退火溫度下進行PCR擴增。BVWS00106+BVWS00333、BVWS00333+WS27、BVWS00333+MCPI-05和WS27+MCPI-05等4種組合能夠用于早佳8424雜交種純度鑒定,其它3種組合形式擴增失敗。將不同引物組合進行多重PCR擴增時,會呈現(xiàn)競爭性擴增或選擇偏好性擴增甚至相互抑制的現(xiàn)象,如BVWS00106+BVWS00333組合,兩對引物PCR產(chǎn)物濃度均明顯低于單一擴增;BVWS00333+WS27組合和BVWS00333+MCPI-05組合擴增時,BVWS00333引物PCR擴增均受到了抑制;將3對引物混合擴增時,均未能獲得理想的PCR產(chǎn)物。圖2,圖3

        注:1、2、3和4分別代表引物 VWS00106、BVWS00333、WS27和MCPI-05

        Note:1, 2, 3 and 4 represent primer BVWS00106, BVWS00333, WS27 and McPi-05 ,respectively

        圖2 4對引物最佳退火溫度的篩選

        Fig. 2 Selection of optimum annealing temperature for the four SSR primers

        圖3 不同引物組合的多重PCR擴增

        Fig. 3 Multiple PCR amplification for different primer combinations

        2.3 早佳8424雜交種純度SSR分子標記鑒定

        研究表明,第49號植株帶型與早佳8424母本帶型一致,缺少其父本帶型,因此,認定為雜種子,其它植株帶型均為早佳8424雙親的復(fù)合帶型,為真實的雜交種,該批樣品雜交種純度為99.5%。圖4

        圖4 利用WS27+MCPI-05組合對早佳8424雜交種純度的鑒定

        Fig. 4 WS27+ McPi-05 combination was used to identify the hybrid purity of zaojia 8424

        2.4 早佳8424雜交種純度的田間鑒定

        在田間共種植200株,經(jīng)田間實地考察,第49株果實呈現(xiàn)為母本的果面特征,其余植株均為真實雜交種的果面特征,與分子鑒定結(jié)果完全一致,該批樣品雜交種純度為99.5%,利用SSR分子標記對早佳8424西瓜雜交種純度進行鑒定是切實可行的。

        3 討 論

        3.1 西瓜雜交種的生產(chǎn)及其純度鑒定

        西瓜一般為雌雄異花同株,偶爾也出現(xiàn)完全花和雄花同株。在西瓜雜交種生產(chǎn)過程中,要嚴格遵照雜交種生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程,對易引起混雜的關(guān)鍵點進行嚴格把控,及時拔除制種田中的雜株、避免套冒夾花不嚴造成自交或串入其它花粉,避免在種子收獲、精選過程中的機械混雜等,以保障雜交種子的純度。目前用于西瓜雜交種純度鑒定的方法主要分為兩大類,利用形態(tài)學(xué)觀察的傳統(tǒng)田間鑒定和利用分子標記圖譜信息的室內(nèi)鑒定。早佳8424西瓜傳統(tǒng)田間鑒定主要利用幼果期果皮附著條帶來判斷,果皮表面呈現(xiàn)為淺綠底核桃紋條帶的即為雜種子。采用傳統(tǒng)鑒定方法需要幼果膨大到一定階段待果面特征顯現(xiàn)出來才能準確鑒定,較為費時費力,當年收獲的種子僅能在吐魯番或南方通過設(shè)施大棚種植鑒定,甚至次年才能獲得鑒定結(jié)果,鑒定周期長,成本高昂[11],但由于形態(tài)學(xué)性狀直觀可見,該方法目前依然在廣泛使用。利用分子標記對雜交種純度鑒定,不受外界環(huán)境限制,簡單快速,便于規(guī)模化、自動化流水作業(yè)[3,12~13]。尤其是SSR標記,因其對DNA質(zhì)量要求低,共顯性遺傳,譜帶信息清晰,穩(wěn)定性好等優(yōu)點,是目前開發(fā)應(yīng)用最多,被認為比較理想的用于西瓜雜交種純度鑒定的分子標記[12]。相比于形態(tài)學(xué)性狀觀察,SSR位點的差異不受人為選擇傾向的影響,對品種的檢測是一個綜合客觀的評價[4],鑒定結(jié)果更為準確有效。

        3.2 SSR分子標記鑒定體系及優(yōu)化

        SSR分子標記鑒定主要包括DNA提取、PCR擴增和電泳檢測3個步驟。DNA快速高通量提取是關(guān)鍵限速環(huán)節(jié)。DNA提取主要包括試劑盒膜吸附洗脫提取、CTAB提取和堿裂解法提取3種方法。在大規(guī)模雜交種純度鑒定時,試劑盒膜吸附洗脫提取法因成本高昂且不能有效結(jié)合排槍批量操作不宜采納。堿裂解法避免了離心及更換離心管等操作,簡便易行,大大提高了DNA提取效率,一般濃度相對較低,質(zhì)量較差,但可以滿足SSR-PCR擴增,可用于雜交種純度SSR分子標記鑒定[10]。

        單一分子標記PCR可有效區(qū)分混入雜交種中的母本種子,但雙重或多重分子標記PCR可獲得更為準確可靠的鑒定結(jié)果。劉子記等[3]建立了小型西瓜美月雜交種純度雙重PCR鑒定體系,與單一PCR相比,進一步降低了檢測時間和費用。研究共篩選出4對可用于早佳8424西瓜雜交種純度鑒定的引物,并獲得4種組合進行雙重PCR,當某一引物出現(xiàn)問題時,可有效替補。在PCR過程中需要針對不同的引物篩選其最佳退火溫度,避免非特異性擴增對鑒定結(jié)果造成干擾,不同DNA聚合酶及PCR擴增體系都會影響PCR擴增的特異性[13],當更換不同品牌的PCR mix時,要對PCR擴增體系及PCR擴增程序重新進行探索修正,并在鑒定過程盡可能避免更換試劑。

        4 結(jié) 論

        以早佳8424及其雙親為試驗材料,從72對SSR引物中篩選獲得4對在早佳8424上表現(xiàn)為雙親互補帶型的引物,分布于3條染色體上,片段大小約100~300 bp。將擴增片段大小不同的引物進行雙重或多重PCR擴增,獲得4個雙重PCR組合。將SSR分子標記鑒定同田間傳統(tǒng)鑒定進行比較,結(jié)果完全一致,SSR標記及其組合切實可用于西瓜雜交種早佳8424純度鑒定,效率高,操作簡便,適于室內(nèi)高通量流水作業(yè)。

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