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上海信帆生物學(xué)知識(shí):新型分子SRAP和TRAP

更新時(shí)間:2014-03-01      瀏覽次數(shù):3059


   目前分子標(biāo)記技術(shù)主要有RFLP、RAPD、ISSR、 AFLP、 SSR、SCAR和單核苷酸多態(tài)性 (SNP)、表達(dá)序列標(biāo)簽 (EST)等。由于PCR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),基于PCR的標(biāo)記體系類型多樣,應(yīng)用廣泛,但各自的復(fù)雜性、可靠性與遺傳信息不同。如RAPD方法簡(jiǎn)單、成本低,但重復(fù)性較差、檢測(cè)位點(diǎn)不多;SSR多為共顯性、重復(fù)性好,但位點(diǎn)較少、引物開發(fā)成本高;AFLP譜帶多,但分析程序復(fù)雜、成本高,有時(shí)要用到同位素,而且甲基化敏感的限制酶由于基因組DNA的甲基化可導(dǎo)致“假多態(tài)性”產(chǎn)生,識(shí)別AATT位點(diǎn)的MseI酶常會(huì)引起一些物種基因組中標(biāo)記分布不均衡;多數(shù)情況下,RAPD與AFLP標(biāo)記測(cè)序需要克隆,增加了工作量。

   引物設(shè)計(jì)是SRAP分析的核心。SRAP標(biāo)記分析共有兩套引物。在一組正向SRAP引物中使用“CCGG”序列,其目的是使之特異結(jié)合可譯框(ORFs)區(qū)域中的外顯子。研究表明外顯子一般處于富含GC區(qū)域,如擬南芥2和4號(hào)染色體的全序列中,外顯子CG比例分別為46.5%和44.08%,而內(nèi)含子中則為 32.1%和33.08 %;而且除著絲粒區(qū)域有較低基因密度外,基因幾乎平均分布在這兩個(gè)染色體上。從GenBank中隨機(jī)選擇20個(gè)BAC序列,發(fā)現(xiàn)約66%的CCGG序列位于這些克隆中的外顯子內(nèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì),擬南芥約1/3基因組外顯子位于2、4號(hào)染色體上。運(yùn)用CCGG序列就可特異擴(kuò)增出包含這些組分的序列。 
   當(dāng)然,由于外顯子序列在不同個(gè)體中通常是保守的,這種低水平多態(tài)性限制了將它們做為標(biāo)記的來源。由于內(nèi)含子、啟動(dòng)子和間隔序列在不同物種甚至不同個(gè)體間變異很大,富含AT的區(qū)域序列通常見于啟動(dòng)子和內(nèi)含子中,SRAP中使用的反向引物的3′ 端含有核心AATT,以特異結(jié)合富含AT區(qū),這就使得有可能擴(kuò)增出基于內(nèi)含子與外顯子的SRAP多態(tài)性標(biāo)記。 

   引物大小和引物組合是成功進(jìn)行SRAP分析的關(guān)鍵。SRAP-PCR反應(yīng)體系中使用兩個(gè)引物:17堿基正向引物(F-primer)和18堿基反向引物(R-primer);早期反向引物在3’端選擇性核苷前多一個(gè)C(19個(gè));使用同位素檢測(cè)時(shí)引物可用33P-ATP標(biāo)記。正向引物含有一段14堿基的核心序列(core sequence):5′端*個(gè)堿基為“填充”序列(filler sequence),無任何特異組成,接著為CCGG序列;隨后為3′ 端的3個(gè)選擇性堿基,選擇性堿基的變化與相同核心序列組合成一套正向引物。反向引物的組成與正向引物類似,但“填充”序列后連接的為AATT;AATT序列后為3個(gè)選擇性可變堿基,位于引物3′ 端。當(dāng)然,構(gòu)建正向與反向引物的總體要求是它們不形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)及其他二級(jí)結(jié)構(gòu),且CG含量為40%-50%,且兩者“填充”序列在組成上必須不同,長(zhǎng)度為10或11個(gè)堿基。 

   目前文獻(xiàn)中報(bào)道的部分標(biāo)準(zhǔn)引物序列如下: 
   正向引物Forward primer 反向引物Reverse primer
   me1:5′TGAGTCCAAACCGGATA-3′ em1:5′GACTGCGTACGAATTAAT-3′
   me2:5′TGAGTCCAAACCGGAGC-3′ em2: 5′GACTGCGTACGAATTTGC-3′ 
   me3:5′TGAGTCCAAACCGGAAT-3′ em3: 5′GACTGCGTACGAATTGAC-3′
   me4:5′TGAGTCCAAACCGGACC-3′ em4: 5′GACTGCGTACGAATTTGA-3′
   me5:5′TGAGTCCAAACCGGAAG-3′ em5: 5′GACTGCGTACGAATTAAC-3′ 
   me6:5′TGAGTCCAAACCGGTAA-3′ em6: 5′GACTGCGTACGAATTGCA-3′ 
   me7:5′TGAGTCCAAACCGGTCC-3′ em7: 5′GACTGCGTACGAATTCAA-3′
   me8:5′TGAGTCCAAACCGGTGC-3′ em8: 5′GACTGCGTACGAATTCTG-3′
   em9: 5′GACTGCGTACGAATTCGA-3′ 
   em10: 5′GACTGCGTACGAATTCAG-3′
   em11: 5′GACTGCGTACGAATTCCA-3′

   實(shí)驗(yàn)表明,用單引物擴(kuò)增只能擴(kuò)增幾條大約0.5~1kb的片段;使用較短引物,10堿基RAPD引物,以及含有SRAP引物核心序列的14-15堿基大小的引物,這些引物組合可得到多種擴(kuò)增片段,但是擴(kuò)增產(chǎn)物不穩(wěn)定,特異性不強(qiáng);20-22堿基引物放射自顯影的結(jié)果背景太強(qiáng);合適的引物大小在17-18堿基。 

   反應(yīng)模板多數(shù)是基因組DNA,也可以是cDNA。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PCR反應(yīng)體系中,0.2mmol/L dNTPs,1.5mmol/L Mgcl2,0.3µmol/L引物,1U Taq酶。SRAP-PCR反應(yīng)采用復(fù)性變溫法:開始94℃變性5min;反應(yīng)前5個(gè)循環(huán)在94℃ 1min,35℃ 1 min,72℃ 1-2 min條件下運(yùn)行;之后30-35個(gè)循環(huán)復(fù)性溫度提高到50℃,zui后延伸5~7 min。 
   前5個(gè)循環(huán)復(fù)性溫度設(shè)為35℃ ,主要是考慮到低的復(fù)性溫度能確保兩個(gè)引物與靶DNA部分配對(duì);隨后循環(huán)中復(fù)性溫度升到50℃,可保證前5個(gè)循環(huán)的擴(kuò)增產(chǎn)物可在余下循環(huán)中進(jìn)行指數(shù)式擴(kuò)增;如果復(fù)性溫度在40個(gè)循環(huán)中都保持在35℃,擴(kuò)增片段重復(fù)性將很低。


   擴(kuò)增產(chǎn)物在變性聚丙烯酰胺凝膠上分離,通常膠板35 cm×43cm,厚度0.8mm,每孔加樣 8-20 微升,以保證單條帶足夠量回收??墒褂猛凰?,也可采用銀染技術(shù);用2.0%的瓊脂糖凝膠也可分析多態(tài)性,但分辨的條帶較少。
   對(duì)標(biāo)記測(cè)序有可能獲得更多的遺傳信息。由于多數(shù)SRAP產(chǎn)生高強(qiáng)帶,很少有重疊,而且引物較長(zhǎng),故比AFLP易測(cè)序。獲得的SRAP標(biāo)記差異片段,從膠上割下、回收后,用相應(yīng)引物直接測(cè)序,必要時(shí)可采用克隆測(cè)序。


   由于在設(shè)計(jì)引物時(shí)正反引物分別是針對(duì)序列相對(duì)保守的編碼區(qū)與變異大的內(nèi)含子、啟動(dòng)子和間隔序列,因此,多數(shù)SRAP標(biāo)記在基因組中分布是均勻的,通過利用RIL系構(gòu)建的遺傳連鎖圖也說明了這一點(diǎn)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在130個(gè)SRAP標(biāo)記中,約20%為共顯性,這種高頻率的共顯性則明顯優(yōu)于AFLP標(biāo)記。
   利用同一引物組合,從甘藍(lán)類不同作物中(包括花椰菜、青花菜等)可獲得多個(gè)SRAP標(biāo)記。單個(gè)組合在每個(gè)個(gè)體中可檢測(cè)到至少10條多態(tài)性譜帶,其中一些為作物特異的;在不同的實(shí)驗(yàn)中多態(tài)性條帶重復(fù)性*。 SRAP標(biāo)記測(cè)序顯示多數(shù)標(biāo)記為外顯子區(qū)域。25條多態(tài)性帶中16條(64%)序列GC含量超過35%,表明可能是外顯子部分;Blast搜索表明60%條帶與已知基因序列高度一致,這就確認(rèn)了SRAP產(chǎn)生的多數(shù)標(biāo)記包含了可譯框中的外顯子。測(cè)序還表明SRAP多態(tài)性產(chǎn)生于兩個(gè)方面:由于小的插入與缺失導(dǎo)致片段大小改變,而產(chǎn)生共顯性標(biāo)記;核苷酸改變影響引物的結(jié)合位點(diǎn),導(dǎo)致顯性標(biāo)記產(chǎn)生。

   靶位區(qū)域擴(kuò)增多態(tài)性 (target region amplified polymorphism,TRAP)也是一種新型的基于PCR標(biāo)記,由美國農(nóng)部北方作物科學(xué)實(shí)驗(yàn)室Hu與Vick于2003年提出。與SRAP、RAPD和AFLP等標(biāo)記技術(shù)無須任何序列信息即可直接PCR擴(kuò)增不同,TRAP技術(shù)是基于已知的cDNA 或EST序列信息。目前已獲得許多物種基因組序列的豐富信息,包括人類、擬南芥,以及重要作物水稻和多種微生物的基因組序列草圖繪制成功,有大量的EST序列可供使用,從而使得可以利用生物信息學(xué)工具和EST數(shù)據(jù)庫信息產(chǎn)生出許多靶基因序列的TRAP多態(tài)性標(biāo)記,而且極易將性狀與標(biāo)記相關(guān)聯(lián)。
   TRAP技術(shù)是從SRAP技術(shù)改進(jìn)而來的。SRAP使用兩個(gè)任意引物;而TRAP是使用長(zhǎng)度為16~20核苷的固定引物(fixed primer)與任意引物(arbitrary prime),固定引物以公用數(shù)據(jù)庫中的靶EST序列設(shè)計(jì)而來;任意引物與SRAP所用的一樣,為一段以富含AT或GC為核心、可與內(nèi)含子或外顯子區(qū)配對(duì)的隨機(jī)序列。固定引物的設(shè)計(jì)步驟為:從EST數(shù)據(jù)庫中鑒別所需序列,再采用有關(guān)引物設(shè)計(jì)軟件(如Primer3等) 設(shè)定核苷酸序列合理長(zhǎng)度(18堿基)與zui適、zui大和zui小Tm值(53、55、50℃),zui后選定zui適的引物; 任意引物設(shè)計(jì)*同SRAP技術(shù)。TRAP-PCR反應(yīng)條件與SRAP-PCR*一致。每次TRAP-PCR反應(yīng)在6.5%聚丙烯酰胺測(cè)序膠可產(chǎn)生50-900bp的片段30-50 個(gè)。 


   SRAP分子標(biāo)記系統(tǒng)zui早是在蕓薹屬作物開發(fā)出來。目前已在其他作物如馬鈴薯、水稻、生菜、油菜、大蒜、蘋果、櫻桃、柑橘與芹菜中也成功擴(kuò)增。TRAP技術(shù)是在向日葵中開發(fā)的,目前已成功應(yīng)用于其他作物如水稻、菜豆、大麥、小麥、甜菜。主要用于種質(zhì)資源的鑒定評(píng)價(jià)、遺傳圖譜的構(gòu)建、重要性狀基因標(biāo)記、gDNA與cDNA指紋分析乃至圖位克隆等方面。


   由于在不同物種、不同個(gè)體間具有一定的多態(tài)性,SRAP技術(shù)也成功應(yīng)用于種質(zhì)鑒定與評(píng)價(jià)工作中。Ferriol等(2003)對(duì)甜瓜(Cucurbita pepo)的2個(gè)變種69份類型代表性材料遺傳多樣性進(jìn)行了SRAP、AFLP標(biāo)記與形態(tài)學(xué)分析,結(jié)果表明,與形態(tài)學(xué)變異及類型的進(jìn)化歷史一致性方面,SRAP標(biāo)記提供的信息比AFLP標(biāo)記更優(yōu)良;11個(gè)SRAP引物組合獲得88條可重復(fù)的條帶,平均8條,其中64條(72.7%)為多態(tài),大小在154-653bp 之間;測(cè)序發(fā)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)記序列與已知cDNA或EST高度同源。另外還利用SRAP標(biāo)記對(duì)筍瓜(C.maxima)19 份種質(zhì)及8份南瓜屬材料遺傳多樣性進(jìn)行分析,24個(gè)引物組合產(chǎn)生的114個(gè)標(biāo)記中多態(tài)性占33%,雖然低于RAPD比例,但聚類分析與主坐標(biāo)分析表明,SRAP標(biāo)記分析可將材料按照使用類型(食用、飼用、觀賞用)來分組。因此,在對(duì)育種目標(biāo)性狀的評(píng)價(jià)方面,明顯優(yōu)于RAPD標(biāo)記。
   野牛草(Buffalograss)生長(zhǎng)緩慢、耐旱、耐瘠、抗蟲,倍性多樣,遺傳基礎(chǔ)廣泛。Budak等利用SRAP標(biāo)記分析了buffalograss的43個(gè)基因型遺傳多樣性,結(jié)果也表明SRAP是一個(gè)評(píng)價(jià)遺傳多樣性、品種鑒定和系統(tǒng)發(fā)生的有效工具。 
   向日葵屬野生種在栽培品種遺傳改良方面很有價(jià)值,對(duì)于重要病害,尤其是霜霉病是很好的抗源,但大部分野生種是多年生,從野生種中鑒定基因非常困難。Hu等設(shè)計(jì)了與向日葵EST數(shù)據(jù)庫中編碼富含亮氨酸重復(fù)(LRR)類似蛋白序列配對(duì)的固定引物,利用TRAP標(biāo)記分析,對(duì)向日葵屬16個(gè)野生種及其2個(gè)雜交種的遺傳變異性進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明TRAP標(biāo)記可用于評(píng)估向日葵的遺傳多樣性,材料的聚類結(jié)果與經(jīng)典分類相一致;其中一個(gè)TRAP引物結(jié)合到與抗病性有關(guān)的基因序列。表明TRAP技術(shù)將在種質(zhì)基因型鑒別和重要目的農(nóng)藝性狀的基因標(biāo)記方面存在廣泛的應(yīng)用前景。 

   利用collard × cauliflower形成的RIL86個(gè)群體,構(gòu)建了由130個(gè)SRAP、120個(gè)AFLP標(biāo)記組成的遺傳圖譜。類似AFLP標(biāo)記,SRAP均勻分布平衡在9個(gè)重要連鎖群上。高頻率共顯性與在基因組中均勻分布的特性將使其優(yōu)于AFLP標(biāo)記而成為一個(gè)構(gòu)建遺傳圖譜的良好標(biāo)記體系。 


   轉(zhuǎn)錄圖譜(transcriptome map)是進(jìn)行比較基因組學(xué)研究極為有效手段。利用基于PCR的cDNA-SRAP分析來檢測(cè)編碼區(qū)的多態(tài)性將簡(jiǎn)便、、快捷。利用花椰菜DH植株與青花菜雜交產(chǎn)生的F2群體88個(gè)單株,使用48引物組合,從88個(gè)cDNA中檢測(cè)到281個(gè)多態(tài)性cDNA -SRAP標(biāo)記,平均每個(gè)引物對(duì)產(chǎn)生6個(gè),21.1%為共顯性;構(gòu)建了由247個(gè)標(biāo)記組成的轉(zhuǎn)錄圖譜。利用這個(gè)圖譜,成功進(jìn)行了甘藍(lán)類蔬菜作物與擬南芥基因組的基因排列與組成分析,發(fā)現(xiàn)這兩類基因組的廣泛同一性,在190個(gè)多態(tài)性cDNA-SRAP標(biāo)記中,共有169個(gè)相似序列;這種同一性集中在某些染色體片段而非整個(gè)染色體上;甘藍(lán)中大多數(shù)重復(fù)區(qū)段集中對(duì)應(yīng)于擬南芥1號(hào)與5號(hào)染色體,而不是2號(hào)與4號(hào)染色體。 


   重要農(nóng)藝性狀基因緊密連鎖標(biāo)記的獲得,將可進(jìn)行性狀分子標(biāo)記輔助選擇,提高育種的選擇效率與預(yù)見性,加快新品種的選育進(jìn)程。常用的標(biāo)記作圖群體有F2、BC1、DH、RIL等,標(biāo)記策略有BSA、NIL以及GRA等。BoGLS-ALK基因是十字花科中調(diào)節(jié)脂肪族芥子油糖苷脫飽和基因。利用RIL群體,采用SRAP技術(shù),將該基因定位到連鎖群L1,距顯性標(biāo)記SRAP133 1.4cM。
   Li等于2003年在大白菜中也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與雄性不育基因有關(guān)的SRAP標(biāo)記,在油菜中篩選到一個(gè)與Rf連鎖的SRAP標(biāo)記,在芹菜中獲得一個(gè)與病毒抗性基因緊密連鎖的SRAP標(biāo)記。