劉淑芹,吳鳳芝,劉守偉
(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,哈爾濱 150030)
20世紀(jì)80年代以來,隨著分子生物學(xué)的迅速發(fā)展,園藝作物的研究已經(jīng)不僅僅局限于采用傳統(tǒng)的田間數(shù)據(jù)測(cè)量、植株病蟲害調(diào)查、雜交授粉等方法,分子生物學(xué)研究方法逐漸被研究者廣泛應(yīng)用,其中分子標(biāo)記技術(shù)在園藝作物研究中發(fā)展十分迅速。近年來,DNA分子標(biāo)記技術(shù)就已廣泛地應(yīng)用于園藝作物的遺傳多樣性研究、遺傳圖譜構(gòu)建、基因定位、品種純度鑒定及分子標(biāo)記輔助育種等方面,如限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)(RFLP)、隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性(RAPD)、微衛(wèi)星(Microsatellite)和擴(kuò)增限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)分析(AFLP)等[1-4]。每種分子標(biāo)記方法各有優(yōu)點(diǎn),但都有其局限性。RAPD技術(shù)的引物是隨機(jī)序列,操作十分簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì),但可重復(fù)性不夠理想;AFLP技術(shù)的多態(tài)性和重復(fù)性都不錯(cuò),但對(duì)實(shí)驗(yàn)器材和技術(shù)要求稍高,較為復(fù)雜和花費(fèi)更多;SSR技術(shù)擁有高度特異性和豐富多態(tài)性并且為共顯性標(biāo)記,但它需要預(yù)先知道基因組的序列來設(shè)計(jì)引物,因此限制了它的應(yīng)用范圍;ISSR技術(shù)的出現(xiàn)克服了這些局限性,并很快被運(yùn)用到許多植物研究領(lǐng)域[5-6]。
ISSR(Inter-simple sequence repeat)是近年來在微衛(wèi)星技術(shù)上發(fā)展起來的一種新型分子標(biāo)記技術(shù)[5,7]。由于ISSR技術(shù)不僅可以快速、高效和靈敏地檢測(cè)出基因組DNA的多態(tài)性,有很好的重復(fù)性,而且操作簡(jiǎn)單、成本較低,適合大樣本的檢測(cè),在種群遺傳學(xué)、種質(zhì)資源、分類學(xué)與種系發(fā)生學(xué)等方面得到迅速應(yīng)用[8-10]。本文主要對(duì)ISSR標(biāo)記的原理、方法、特點(diǎn)及其在園藝作物研究中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。
ISSR是在微衛(wèi)星標(biāo)記的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的分子標(biāo)記技術(shù)。以微衛(wèi)星標(biāo)記的原理為基礎(chǔ),隨著獲得微衛(wèi)星重復(fù)單元類型的增加,用微衛(wèi)星序列直接進(jìn)行PCR擴(kuò)增,無需預(yù)先知道基因組序列。
微衛(wèi)星是指以少數(shù)幾個(gè)核苷酸(1~5個(gè))為單位多次串聯(lián)重復(fù)的DNA序列,也稱為簡(jiǎn)單序列重復(fù)(Simple sequence repeats,SSR)或短串連重復(fù)(Short tandem repeats,STR)[11],它在真核基因組中廣泛分布。微衛(wèi)星主要以2個(gè)核苷酸為重復(fù)單元,也有一些為3個(gè)核苷酸,少數(shù)為4個(gè)或更多[1]。在對(duì)(GT)n、(GA)n、(GATA)n、(GACA)n重復(fù)序列進(jìn)行研究的結(jié)果中發(fā)現(xiàn),(GT)n重復(fù)序列的拷貝數(shù)由酵母的102拷貝到鼠類基因組的105拷貝[13];而(GATA)n的拷貝數(shù)在鼠類基因組中約為104拷貝[14]。一般認(rèn)為,微衛(wèi)星的產(chǎn)生是DNA復(fù)制或修復(fù)過程中DNA滑動(dòng)和錯(cuò)配或有絲分裂、減數(shù)分裂期姐妹染色單體不均等交換的結(jié)果[15]。微衛(wèi)星具有許多功能,如重組熱點(diǎn)[16]、對(duì)基因的調(diào)節(jié)和表達(dá)[14]以及性別決定[17]等。同時(shí)微衛(wèi)星具有高多態(tài)性、簡(jiǎn)單的孟德爾遺傳方式,能用PCR擴(kuò)增、提供高質(zhì)量的信息等優(yōu)點(diǎn)[18],近年來已成為比較理想的分子標(biāo)記方法[6],廣泛地用于種群遺傳多樣性分析[8]、親子鑒定[19]、遺傳圖譜的構(gòu)建[20]等方面的研究。
檢測(cè)微衛(wèi)星的多態(tài)性,必須獲得所需微衛(wèi)星位點(diǎn),即根據(jù)已知微衛(wèi)星位點(diǎn)的兩翼序列設(shè)計(jì)引物,這可通過查找已知的微衛(wèi)星引物來實(shí)現(xiàn):篩選與試驗(yàn)物種親緣關(guān)系較近物種的引物以及用經(jīng)典分子生物學(xué)方法克隆所需的微衛(wèi)星位點(diǎn)[21]。
最近發(fā)展了一些無需知道微衛(wèi)星側(cè)翼序列即可檢測(cè)有關(guān)微衛(wèi)星高多態(tài)性的方法。這是基于對(duì)SSR互補(bǔ)引物的使用。它是利用一系列含有簡(jiǎn)單序列重復(fù)的不同寡核苷酸[5-7],或者與隨機(jī)引物復(fù)合使用作為引物[21-23],對(duì)基因組DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物通過聚丙烯酰胺或瓊脂糖凝膠電泳分離后,經(jīng)EB染色、銀染或放射自顯影來檢測(cè)擴(kuò)增產(chǎn)物DNA片段的多態(tài)性。這種方法與RAPD技術(shù)相似,只用一個(gè)引物,但其所用的引物是在SSR的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的非錨定引物,如引物可能的序列是(GA)10或(CGG)6,擴(kuò)增的是SSR之間的DNA序列,又可稱為MP-PCR(Microsatellite primed-PCR)[23]。
ISSR方法是以微衛(wèi)星重復(fù)序列作為引物檢測(cè)物種多態(tài)性發(fā)展而來,即在MP-PCR基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[5]。該技術(shù)在SSR序列的5'或3'末端加上2~4個(gè)隨機(jī)選擇的核苷酸作為引物,如:5'端的引物為BDDA(CA)7,3'端的引物為(CA)8RY,以引起特定序列位點(diǎn)的退火,降低其他可能靶標(biāo)退火的數(shù)目。該策略的優(yōu)點(diǎn)是在基因組上只有與錨定的核苷酸匹配的那些位點(diǎn)才能被靶定,因而避免了引物在基因組上的滑動(dòng),可提高PCR擴(kuò)增反應(yīng)的專一性[24]。這種方法即可對(duì)反向排列、長(zhǎng)度適中的重復(fù)序列間的基因組節(jié)段而非重復(fù)序列本身進(jìn)行PCR擴(kuò)增。ISSR標(biāo)記通常為顯性標(biāo)記,擴(kuò)增反應(yīng)所用的兩翼引物中,可以是ISSR引物或是隨機(jī)引物[23];如果一個(gè)是ISSR引物,另一個(gè)是隨機(jī)引物,則又稱為隨機(jī)擴(kuò)增微衛(wèi)星多態(tài)性(Random amplified microsatellite polymorphisms,RAMP)[21]?;?SSR 寡核苷酸直接作為引物來擴(kuò)增基因組DNA的多位點(diǎn)方法,在實(shí)驗(yàn)過程中可由SSR重復(fù)單元序列的改變、引物長(zhǎng)度不同以及5'和3'末端錨定核苷酸的有無產(chǎn)生擴(kuò)增模式的不同[21]。擴(kuò)增產(chǎn)物可以是SSR之間的序列或是SSR之間的序列加上SSR序列,這依賴于不同引物的使用。典型的每個(gè)反應(yīng)每個(gè)泳道產(chǎn)生20多條條帶[5],依賴于不同的物種和引物。ISSR技術(shù)在同一塊凝膠中可揭示多基因位點(diǎn)的信息,產(chǎn)生用于多樣性分析和基因圖譜的多態(tài)位點(diǎn)標(biāo)記,該技術(shù)提供了一種新的DNA指紋研究方法,可用于分類學(xué)與種系發(fā)生學(xué)的比較以及品種鑒定和種群遺傳學(xué)研究,也可作為遺傳連鎖圖譜構(gòu)建的工具廣泛應(yīng)用于生物學(xué)領(lǐng)域。
ISSR技術(shù)由于引物較長(zhǎng),退火溫度較高,這就增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性[6,30],同時(shí)操作簡(jiǎn)單、快速、高效,不需要繁瑣的構(gòu)建文庫、設(shè)計(jì)引物、雜交、同位素顯示等步驟,而且ISSR標(biāo)記可以揭示整個(gè)基因組的一些特征,并成孟德爾式遺傳[5,7],因此該技術(shù)一問世就在植物遺傳分析中得到廣泛應(yīng)用。ISSR標(biāo)記一般是顯性遺傳[5,7],在譜帶統(tǒng)計(jì)和遺傳分析中需引起注意。
由于ISSR技術(shù)能提供較大數(shù)目的DNA片段,可以掃描基因組內(nèi)的多態(tài)位點(diǎn),它在生物學(xué)中最主要的應(yīng)用就是分析和評(píng)估物種、種群、不同品系、甚至是不同種群的遺傳多樣性[24]。余賢美等采用ISSR標(biāo)記技術(shù)對(duì)海南、云南、廣西3省的12個(gè)杧果野生居群共265個(gè)個(gè)體的遺傳多樣性水平及居群遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[25],其中廣西的3個(gè)居群(那坡、邕寧、平南)優(yōu)先與云南的文山居群聚為一支;而云南的永德和版納居群各自聚為一支。Sagar等利用ISSR技術(shù)對(duì)70個(gè)品種的芒果進(jìn)行遺傳多態(tài)性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)ISSR技術(shù)作為檢測(cè)遺傳多樣性是行之有效的方法[26]。何顯靜等對(duì)分布于云南境內(nèi)的紫斑百合(Lilium nepalense)3個(gè)居群進(jìn)行了ISSR分子標(biāo)記分析,平均有17.85%的遺傳變異來自于居群內(nèi),82.15%的遺傳變異來自于個(gè)體間,表明居群內(nèi)存在巨大的遺傳變異,個(gè)體雜合程度較高,適應(yīng)力強(qiáng)[27]。楊若林等用篩選到的12個(gè)ISSR引物對(duì)我國11個(gè)辣椒農(nóng)家品種進(jìn)行擴(kuò)增,結(jié)果共擴(kuò)增出66條譜帶,其中差異條帶26條,多態(tài)條帶比率為39.39%;品種特異條帶7條,占總條帶數(shù)的10.61%[8]?;贘accard遺傳相似性系數(shù)的Neighbor Joining聚類分析可以將11個(gè)辣椒品種分為兩組,每組所含辣椒品種與聚類分析的結(jié)果相同。Talhinhas等應(yīng)用AFLP,ISSR和RAPD分子標(biāo)記技術(shù)分析羽扇豆(Lupinus polyphyllus)種間和種內(nèi)的遺傳多樣性,結(jié)果檢測(cè)到57.00%~78.00%的不相似性,適于研究植物種間遺傳多樣性,表明分子標(biāo)記技術(shù)有助于美國羽扇豆的分類和親緣關(guān)系的鑒定[28]。
ISSR分子標(biāo)記技術(shù)的快速發(fā)展,為品種和種質(zhì)資源的快速鑒定提供了可能,成功的解決了有效管理、利用物種資源以及對(duì)種質(zhì)的準(zhǔn)確鑒定和評(píng)估問題。Prevost等僅用4個(gè)ISSR引物就可產(chǎn)生大量的多態(tài)性條帶,其中兩個(gè)最富信息量的引物均能將34個(gè)番茄栽培品種區(qū)分開,任意兩個(gè)引物復(fù)合使用均能鑒別所有的栽培品種[29]。Charters等也發(fā)現(xiàn)所測(cè)試的4個(gè)5′端錨定的ISSR引物均能夠區(qū)分20個(gè)蕓苔和芫菁栽培品種中的16個(gè)品種,任意兩個(gè)引物的復(fù)合使用就能區(qū)分所有的20個(gè)栽培品種[30]。也有報(bào)道表明通過ISSR標(biāo)記還可區(qū)分僅能通過水果品質(zhì)加以鑒別柑桔的栽培品種[32],另外,Wolfe等用居群取樣方法在玄參科吊鐘柳屬Pen stemon雜種復(fù)合體中得到了10~24個(gè)種專一的ISSR標(biāo)記,清楚地支持了物種P.clevelandi的二倍體雜種起源[31]。
ISSR技術(shù)也用于種群內(nèi)、種群間和物種間的研究。Tsumura等采用ISSR方法研究了日本雪松(Cryptomeria japonica)和花旗松(Pseudotsuga menziesii)之間的親緣關(guān)系[32]。結(jié)果表明,24個(gè)ISSR引物有87%~100%左右在這些物種中為多態(tài)性引物,但物種間的多樣性無差異;同時(shí)還發(fā)現(xiàn),海岸邊的花旗松變種比內(nèi)陸變種的雜合性高。Fang等用10個(gè)SSR引物分析了柑橘35個(gè)種之間的親緣關(guān)系,可將這35個(gè)種分為5個(gè)類群,由ISSR標(biāo)記所得到的分類結(jié)果和前人一致[33]。Gulsen等研究表明枸椽對(duì)檸檬基因組形成有相當(dāng)大的貢獻(xiàn)[34]。Isshiki等對(duì)20個(gè)茄子品種進(jìn)行遺傳多樣性分析,從100對(duì)引物中篩選出34個(gè)引物用于茄子的ISSR-PCR,擴(kuò)增出552個(gè)多態(tài)性位點(diǎn),利用這34個(gè)引物可以充分的確定茄子的親緣關(guān)系[10]。Eiadthong等對(duì)13個(gè)泰國芒果品種的ISSR分析表明,其中2個(gè)品種與其他品種關(guān)系較遠(yuǎn),而另外11個(gè)品種可分為3個(gè)類群[35]。Lanham等對(duì)醋栗的ISSR分析表明,醋栗次級(jí)基因庫遺傳變異豐富,可運(yùn)用于早期育種計(jì)劃[36]。樹狀圖更忠實(shí)地反映了大麥栽培品種間的系統(tǒng)關(guān)系。Dávila等用RAMP技術(shù)來研究歐洲大麥亞種間的遺傳關(guān)系,根據(jù)56個(gè)ISSR多態(tài)性片段,計(jì)算亞種間的遺傳距離[37]。結(jié)果發(fā)現(xiàn),冬季栽培品種和大麥樣品(Hordeum vulgare ssp.Spontaneum)間的遺傳距離最?。涣硗?,Huang等用ISSR和4個(gè)葉綠體DNA非編碼區(qū)的限制性位點(diǎn)變異來研究40個(gè)甘薯屬(Ipomoea)樣品的遺傳多樣性和種內(nèi)關(guān)系[38]。對(duì)比ISSR技術(shù)與核基因DNA限制性分析對(duì)甘薯屬樣品的檢測(cè)結(jié)果表明,ISSR技術(shù)可檢測(cè)到甘薯屬樣本中較多的遺傳變異。
遺傳圖譜(Genetic map)是指以染色體重組交換率為相對(duì)長(zhǎng)度單位,以遺傳標(biāo)記為主體構(gòu)成的染色體線狀連鎖圖譜。通過構(gòu)建遺傳圖譜可為基因定位與克隆及基因組結(jié)構(gòu)和功能的研究打下基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的遺傳標(biāo)記技術(shù)標(biāo)記數(shù)目少,難以形成較完整的連鎖圖。目前已構(gòu)建了番茄、馬鈴薯、辣椒、萵苣、甘藍(lán)、胡蘿卜、芥菜、豌豆、黃瓜、白菜、芹菜等約20種蔬菜作物遺傳圖譜,其中番茄、馬鈴薯、甘藍(lán)等的圖譜已趨于飽和。張仁兵等用西瓜的重組自交系構(gòu)建了遺傳圖譜,此圖譜包括87個(gè)RAPD標(biāo)記,13個(gè)ISSR標(biāo)記和4個(gè)SCAR標(biāo)記,15個(gè)連鎖群[39]。姜帆等以立冬本龍眼DNA為模板研究了龍眼ISSR-PCR反應(yīng)體系的主要成分對(duì)ISSR擴(kuò)增結(jié)果的影響,并探討了構(gòu)建龍眼指紋圖譜的可行性,利用豐富的多態(tài)性DNA譜帶構(gòu)建了12個(gè)基因型龍眼的指紋圖譜[40]。劉威生等在優(yōu)化的反應(yīng)條件下建立了5個(gè)種12份杏材料的ISSR指紋圖譜[41]。
在蔬菜作物中,許多重要的農(nóng)藝性狀均表現(xiàn)為質(zhì)量性狀遺傳,如抗病性、育性等,可利用分子標(biāo)記進(jìn)行質(zhì)量性狀目標(biāo)基因定位。吳旭紅利用ISSR標(biāo)記技術(shù)獲得了一個(gè)與甜菜抗病基因緊密連鎖的ISSR標(biāo)記ISSR0061,在F2群體分離中符合1∶3的分離比例,有關(guān)ISSR標(biāo)記BA0061-1200抗性基因連鎖的緊密程度還有待今后對(duì)F2分離群體進(jìn)行個(gè)體寄主植株的抗病性鑒定和ISSR對(duì)應(yīng)分析研究[42]。吳旭紅用BSA法和ISSR技術(shù)對(duì)155個(gè)隨機(jī)引物進(jìn)行篩選,獲得了一個(gè)與甜菜根腐病基因緊密連鎖的ISSR標(biāo)記OPP0760,可以用作抗根腐病基因的選擇依據(jù)[43]。
在育種實(shí)踐中借助分子標(biāo)記對(duì)目標(biāo)性狀的基因型進(jìn)行選擇稱為標(biāo)記輔助選擇(Marker-assisted selection,MAS)。目前在黃瓜分子圖譜中發(fā)現(xiàn)有較多緊密連鎖的位點(diǎn),特別是一些形態(tài)學(xué)基因(F、dm、B、CcU、11)與一些分子標(biāo)記間存在較緊密的連鎖,可實(shí)施標(biāo)記輔助選擇。Serquen等的研究表明,標(biāo)記輔助選擇用于主莖長(zhǎng)和多側(cè)枝形狀的選擇是有效的[44]。Yu等找到了與抗大豆花葉病毒基因(Rsv)緊密連鎖的SSR標(biāo)記,遺傳距離僅為0.15 cM[45]??梢?,通過分子標(biāo)記輔助選育可以大大提高育種的選擇效率,為開展作物品種資源鑒定和遺傳改良提供了一種快捷手段。
ISSR分子標(biāo)記技術(shù)誕生只有短短幾十年,卻得到了廣泛應(yīng)用,為園藝作物研究開辟了新途徑,更為園藝作物種質(zhì)資源和品種的鑒定、分類、遺傳圖譜構(gòu)建及目標(biāo)性狀基因標(biāo)記等提供了理想方法。因其引物容易設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)重復(fù)性強(qiáng)、操作過程簡(jiǎn)單、不須使用同位素的特點(diǎn),可以揭示更高程度的DNA多態(tài)性。因此,ISSR標(biāo)記在園藝作物研究中具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大潛力。但任何一種分子標(biāo)記都不能解決所有問題,在今后的研究工作中,應(yīng)根據(jù)不同的研究需要,選擇合適的分子標(biāo)記,或?qū)⒉煌臉?biāo)記結(jié)合起來進(jìn)行綜合研究,以提高分子標(biāo)記的選擇效率。
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東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2012年4期