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        花生RAPD反應(yīng)體系的優(yōu)化及其遺傳多樣性分析

        2021-03-31 00:56:42馮藝川李玉發(fā)何中國(guó)吳松權(quán)
        關(guān)鍵詞:標(biāo)記技術(shù)條帶多態(tài)性

        徐 彪,馮藝川,李玉發(fā),何中國(guó),吳松權(quán)*

        (1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院,吉林 延吉 133000;2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,吉林 公主嶺 136110)

        花生(ArachishypogaeaLinn.)是吉林省重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物,也是吉林省西部地區(qū)主栽的旱田作物之一。由于特殊的氣候條件,吉林省花生品質(zhì)好,口感佳,特別是黃曲霉污染較低[1]。但吉林省花生新育成品種遺傳基礎(chǔ)狹窄,品種退化,專用品種少等問題嚴(yán)重影響吉林省花生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-2]。因此,開展新型分子標(biāo)記技術(shù),科學(xué)合理地分析、利用吉林省花生種質(zhì)資源,有利于更好更快地建立花生良種繁育體系,有助于加快專用型花生品種的選育和引進(jìn)[1-2]。

        RAPD(Random Amplified Polymorphic DNA)是一種基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng),以10核苷酸的隨機(jī)序列,擴(kuò)增所研究材料的基因組DNA分子標(biāo)記技術(shù)[3-4]。由Williams和Welsh于1990年幾乎同時(shí)提出和建立[5-6]。與其它標(biāo)記相比,RAPD既不需要DNA探針,也不需要序列的信息;并且RAPD擴(kuò)增程序不涉及DNA雜交及其相關(guān)步驟,操作簡(jiǎn)單和高效;與RFLP標(biāo)記相比,RAPD能檢測(cè)到更高的多態(tài)性;另外,RAPD擴(kuò)增的產(chǎn)物可以克隆、測(cè)序、轉(zhuǎn)化為其他類型的標(biāo)記,如序列標(biāo)簽位點(diǎn)(STS)、序列特異擴(kuò)增區(qū)域(SCAR)標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)[4],廣泛應(yīng)用于遺傳多樣性分析。馬孟莉等[7]利用11個(gè)RAPD引物對(duì)48份草果分為4類;王同華等[8]應(yīng)用RAPD和ISSR分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)湖南省飯豆地方品種進(jìn)行了遺傳多樣性研究,遺傳相似性系數(shù)在0.649~0.876 5之間;朱學(xué)鑫等[9]采用RAPD標(biāo)記研究了國(guó)內(nèi)不同產(chǎn)地白及的遺傳多樣性和親緣關(guān)系,在遺傳相似性系數(shù)為0.58處分為2類。以上結(jié)果表明,RAPD分子標(biāo)記在不同的物種中均能夠很好的反應(yīng)品種(材料)間的遺傳變異,可用于花生遺傳多樣性分析。

        為了進(jìn)一步系統(tǒng)的采用RAPD分子標(biāo)記技術(shù)研究花生的遺傳多樣性和花生品種間遺傳距離。該文利用2×Taq PCR Mix酶的快速簡(jiǎn)便、靈敏度高、特異性強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),首先對(duì)花生RAPD-PCR反應(yīng)體系進(jìn)行優(yōu)化,之后使用優(yōu)化后的反應(yīng)體條件對(duì)22個(gè)花生品種進(jìn)行遺傳多樣性分析,對(duì)提高花生新品種選育和遺傳改良效率均具有現(xiàn)實(shí)意義。

        1 材料與方法

        1.1 植物材料

        來源于吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花生研究所收集的22份花生種質(zhì)資源(表1),取15 d花生幼苗嫩葉為試驗(yàn)材料。

        表1 花生種質(zhì)資源名稱Table 1 Name of germplasm resources of A.hypogaea

        1.2 基因組DNA提取及檢測(cè)

        采用BIOMIGA公司Ezgene TM CP Plant Miniprep Kit(GD2621)的方法,提取花生基因組DNA,用超微量分光光度計(jì)和瓊脂糖電泳進(jìn)行檢測(cè),將總DNA稀釋為10 ng/μL,置于-20 ℃ 保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.3 PCR擴(kuò)增及檢測(cè)

        PCR預(yù)擴(kuò)增程序?yàn)椋?5 ℃預(yù)變性4 min;94 ℃變性45 s,35~40 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min,循環(huán)次數(shù)36~40次;12 ℃保存。擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行2.0%瓊脂糖凝膠電泳,經(jīng)Gold View Ⅰ型核酸染色劑染色后在凝膠分子成像儀器(JY04S-3E型)成像保存。

        1.4 隨機(jī)引物的篩選

        以多個(gè)地理來源的科富花1、花育20、吉花9、雙遼紅粒、白院花8、鐵花16等量均勻混合的花生DNA為模板,對(duì)200個(gè)隨機(jī)引物進(jìn)行篩選。最后選擇多態(tài)性高,重復(fù)性好的24個(gè)引物,用于后續(xù)試驗(yàn)。其中,引物OPJ-14(5'-CACCCGGATG-3')在花生基因組總DNA中擴(kuò)增條帶比較均勻、清楚。因此,該研究中選用引物OPJ-14進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。

        1.5 RAPD反應(yīng)體系的單因素優(yōu)化設(shè)計(jì)

        選用混合后的花生DNA作為反應(yīng)體系優(yōu)化的模板,以引物OPJ-14對(duì)影響反應(yīng)的4個(gè)主要因素(退火溫度、循環(huán)次數(shù)、引物和模板DNA)進(jìn)行單因素優(yōu)化分析,各因素設(shè)置如下:退火溫度為35、36、37、38 、39、40 ℃;循環(huán)次數(shù)為36、37、38、39、40;引物濃度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 pmol;模板DNA濃度為10、15、20、25、30 ng。保持其他因素不變,其中單一因素濃度改變,篩選最適合的濃度,以獲得最佳的反應(yīng)體系。

        1.6 數(shù)據(jù)處理

        根據(jù)電泳圖譜,以0、1統(tǒng)計(jì)RAPD帶型,在相同遷移位置上有條帶計(jì)為“1”,無條帶計(jì)為“0”,條帶缺失計(jì)為“9”,建立二維矩陣,用Microsoft Excel 2017處理相應(yīng)數(shù)據(jù),并根據(jù)分析軟件的文本格式進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)化。使用NTSYS-pc Version 2.1軟件進(jìn)行計(jì)算遺傳相似系數(shù),最后使用UPGMA的方法進(jìn)行聚類分析。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 基因組DNA濃度及質(zhì)量檢測(cè)

        該試驗(yàn)采用BIOMIGA公司試劑盒提取花生DNA,瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)表明,DNA條帶清晰、明亮無拖尾現(xiàn)象(圖1)。OD260/OD280值介于1.8~2.0。純度較高,可進(jìn)一步用于RAPD擴(kuò)增。

        2.2 RAPD反應(yīng)體系的單因素優(yōu)化

        2.2.1 退火溫度與循環(huán)次數(shù)篩選

        退火溫度篩選試驗(yàn)結(jié)果(圖2),退火溫度為35~40 ℃時(shí),均能擴(kuò)增出條帶,在36 ℃時(shí),條帶最清晰,因此,退火溫度采用36 ℃。循環(huán)次數(shù)為36~40時(shí),均能擴(kuò)增出條帶(圖3),其中,循環(huán)次數(shù)為38時(shí),條帶最清晰,因此,循環(huán)次數(shù)采用38。

        2.2.2 引物濃度與模板DNA濃度篩選

        通過PCR擴(kuò)增反應(yīng)篩選最佳引物濃度的試驗(yàn)結(jié)果(圖4)顯示,引物濃度為0.1和0.2 pmol時(shí),擴(kuò)增條帶模糊,有條帶缺失,而引物濃度為0.4和0.5 pmol時(shí),擴(kuò)增條帶最清晰,因此,引物濃度選用0.4 pmol最為適宜。最佳模板DNA濃度篩選試驗(yàn)結(jié)果(圖5)顯示,反應(yīng)中這5種濃度梯度上均能擴(kuò)增出條帶,模板濃度為10和15 ng時(shí),擴(kuò)增條帶亮度較弱,在20、25和30 ng擴(kuò)增產(chǎn)物條帶最為清晰,結(jié)果一致,因此,模板DNA濃度選20 ng最為適宜。

        2.3 引物篩選與RAPD標(biāo)記多態(tài)性分析

        以22份來自不同地區(qū)的花生品種為試驗(yàn)材料,從200個(gè)隨機(jī)引物中篩選出24個(gè)條帶清晰、多態(tài)性高且重復(fù)性好的引物(表2),用于花生遺傳多樣性分析。24個(gè)引物共擴(kuò)增得到134個(gè)穩(wěn)定條帶,多態(tài)性條帶112個(gè),多態(tài)性比率83.58%;每個(gè)引物擴(kuò)增條帶數(shù)為3~9條,平均每個(gè)引物產(chǎn)生多態(tài)性條帶數(shù)為4.667條,其中,OPB-10擴(kuò)增的條帶數(shù)最多,為9條;擴(kuò)增引物多態(tài)性比率為100%的為OPB-10、OPB-13、OPC-07、OPD-05、OPH-11、OPI-08、OPJ-01,圖6為引物OPG-11擴(kuò)增結(jié)果。

        表2 24條多態(tài)性引物擴(kuò)增結(jié)果Table 2 Amplification results of 24 polymorphic primers

        2.4 聚類分析結(jié)果

        用NTSYS-pc Version 2.1軟件計(jì)算花生品種遺傳相似性系數(shù)(表3)表明:22個(gè)花生品種的平均遺傳相似系數(shù)為0.697,不同品種之間遺傳相似系數(shù)的范圍為0.385~0.969,其中,鐵花16、錦花30與吉黑花1號(hào)的遺傳相似性系數(shù)最小,為0.385,關(guān)系最遠(yuǎn)。吉花53與吉花54遺傳相似性系數(shù)最大,為0.969,關(guān)系最近,可能來源于同一父母本。根據(jù)供試材料相似值,采用UPGMA方法進(jìn)行聚類分析,在遺傳相似系數(shù)為0.666時(shí),供試材料可分為3大類(圖7),其中,第1大類主要以吉林省選育的花生品種為主,第2大類以引進(jìn)其它省份的花生品種為主,第3類包括兩個(gè)品種白院花10和錦花14。

        表3 22份花生品種遺傳相似性系數(shù)Table 3 Genetic similarity coefficients of 22 varieties of A.hypogaea

        3 討論與結(jié)論

        RAPD是90年代發(fā)展起來的標(biāo)記技術(shù),由于操作簡(jiǎn)單高效等特點(diǎn),目前已經(jīng)在很多生物上有報(bào)道[10-16],說明RAPD標(biāo)記技術(shù)是一個(gè)可靠有效的方法。RAPD分子標(biāo)記技術(shù)存在低重復(fù)性,特異譜帶不穩(wěn)定性,為了讓試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,須對(duì)反應(yīng)體系和擴(kuò)增程序進(jìn)行優(yōu)化,為此獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[17]。葉冰瑩等[18]對(duì)花生RAPD反應(yīng)條件dNTPs、MgCl2和Taq酶濃度等做了初步優(yōu)化,Taq聚合酶類別及用量對(duì)隨機(jī)擴(kuò)增試驗(yàn)起著至關(guān)重要的作用。該試驗(yàn)所用2×Taq Master Mix酶不僅自帶藍(lán)色染料且含有DNTPs、MgCl2、Taq DNA聚合酶,而且2×Taq Master Mix酶還具有靈敏度高、穩(wěn)定性好,只需要加入模板DNA和引物即可[19],不僅減少人為誤差,還能節(jié)省時(shí)間,因此,該研究利用2×Taq Master Mix對(duì)花生RAPD-PCR反應(yīng)體系進(jìn)行了優(yōu)化。研究表明,退火溫度、PCR循環(huán)次數(shù)、模板用量與引物用量均會(huì)決定擴(kuò)增效果[20]。在該試驗(yàn)中,退火溫度為35~40 ℃時(shí),均能擴(kuò)增出條帶,循環(huán)次數(shù)和模板DNA濃度篩選試驗(yàn)也具有類似結(jié)果,與陳思等[21]研究結(jié)果基本一致,對(duì)該試驗(yàn)影響最大的為引物用量,引物濃度低則PCR產(chǎn)物較少,過高會(huì)產(chǎn)生非特異性擴(kuò)增[22]。綜合以上試驗(yàn)結(jié)果,得出適合花生RAPD反應(yīng)體系為20 μL總反應(yīng)體積中含2×Taq Mix 10 μL、引物4 μLpmol、模板DNA 20 ng;確立的擴(kuò)增程序?yàn)椋篜CR擴(kuò)增程序?yàn)?5 ℃預(yù)變性4 min;94 ℃變性45 s,36 ℃退火45 s,72 ℃延伸1 min;共循環(huán)38次。

        近年來,關(guān)于RAPD標(biāo)記技術(shù)在遺傳多樣性分析上被廣泛應(yīng)用[23-31],但在花生上的報(bào)道相對(duì)較少。Subramanian等[32]采用RAPD技術(shù)分析了70份花生種質(zhì)資源遺傳多樣性,在48個(gè)隨機(jī)引物中有7個(gè)隨機(jī)引物具有多態(tài)性,多態(tài)性百分率為7%。姜慧芳等[33]采用RAPD技術(shù)對(duì)7個(gè)不同植物學(xué)類型花生種質(zhì)資源進(jìn)行了分析,其中,13個(gè)引物多態(tài)性百分率為21.48%。以上2人的研究結(jié)果與該試驗(yàn)結(jié)論相類似,但多態(tài)性百分率要比該試驗(yàn)低,該研究24個(gè)引物多態(tài)性百分率為83.58%,遺傳相似性系數(shù)為0.385~0.969,說明該試驗(yàn)22個(gè)花生種質(zhì)資源具有較豐富的遺傳多樣性。其中,從分子的角度分析,遺傳距離變異幅度越大,表明品種間遺傳分化越明顯,遺傳多樣性越高[34]??梢钥闯觯髌贩N之間遺傳差異較廣泛,品種資源豐富。閆苗苗等[35]利用RAPD標(biāo)記對(duì)24份花生栽培品種進(jìn)行遺傳多樣性分析,其中13個(gè)引物共擴(kuò)增出123個(gè)條帶,依據(jù)Nei-Li系數(shù)將供試的24個(gè)品種的花生聚為4類。一般來講,相同地理環(huán)境的品種應(yīng)該聚為一類,并且地理環(huán)境與分子標(biāo)記間存在著一定的聯(lián)系,遺傳變異程度和地理環(huán)境的關(guān)系一直備受關(guān)注[36]。該研究在遺傳相似性系數(shù)0.666處將供試材料分為3大類(圖7),說明RAPD標(biāo)記技術(shù)完全可以區(qū)分22份花生品種。但是,在該試驗(yàn)研究中相同粒型和相同地區(qū)并沒有聚為一類,也沒有表現(xiàn)出遺傳距離和地理位置存在聯(lián)系,與林茂[37]等研究結(jié)果基本一致,進(jìn)一步說明分子標(biāo)記技術(shù)有較高的應(yīng)用價(jià)值。牟書靚等[38]利用農(nóng)藝性狀對(duì)花生種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析,其中,東北王與雙遼紅粒在同一個(gè)群組中,這與該試驗(yàn)的結(jié)果相同。吉花53與吉花54的遺傳相似性系數(shù)最大,為0.969,親緣關(guān)系最近,沒有被明顯的區(qū)別開,這是由于來自相同的雙親且選育目標(biāo)完全一致而導(dǎo)致親緣關(guān)系極其相近。鐵花16、錦花30與吉黑花1號(hào)的遺傳相似性系數(shù)最小,為0.385,說明親緣關(guān)系最遠(yuǎn)。

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