SRAP技术在植物遗传育种中的应用

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  摘要 相关序列扩增多态性以其多态性、重复性、稳定性较高,易于操作分析、高共显性、易于分离条带及测序等优点,在植物遗传育种中得到十分广泛的应用。分析SRAP标记的原理、特点,对其在重要性状的基因定位与克隆、QTL作图、遗传图谱构建、种质资源鉴定等方面的应用进行总结,并展望其在植物遗传育种上的应用前景,以促进SRAP技术的应用推广。
  关键词 SRAP;遗传育种;研究进展;分子标记
  中图分类号 Q344 .4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2014)16-0018-02
  分子标记常用于遗传多样性分析、遗传图谱构建、基因作图和克隆以及植物遗传育种中的分子标记辅助选择。根据检测分析的方法,大部分分子标记可以归类为基于杂交或者PCR反应的方法。RFLP是第1个基于杂交的分子标记系统,并在当时被广泛应用于生命科学的研究。而诸如微阵列和多样性序列芯片技术(DArT)是目前用于检测单核苷酸多态性的主要技术,其也是基于杂交的分子标记方法。同时,很多基于PCR的分子标记方法被开发出来,这些标记包括AFLP、RAPD、SSR、SRAP、ISSR以及SCAR等,通常用于基因组分析。这些分子标记分析技术并不完美,都存在一些技术上的局限性。例如,RFLP标记的探针在相关的物种中通用性比较好,在比较基因组学应用方面相对其他的标记有很大的优势。但是,RFLP在检测程序方面过于复杂并且成本高,不易进行成千上万个体的自动化分析用于分子标记辅助选择。
  SRAP分子标记是由加州大学的Li和Quiros[1]博士于2001年共同开发出来的,目的是为了扩增开放阅读框,通常又被称作基于序列扩增多态性(SBAP)[2]。作为一种新型基于 PCR的标记系统,根据基因外显子里GC含量丰富而启动子和内含子里AT含量丰富的特点来设计引物进行扩增,因不同个体的内含子、启动子与间隔区长度不等而产生多态性。由于SRAP标记具有较多的优点,如中等产量、简便、重复性、高共显性、易于分离条带及测序等,且在基因组中均匀分布,已广泛应用于常规作物如小麦、水稻、棉花、油菜以及模式植物拟南芥的基因克隆与定位、种质资源鉴定、遗传图谱构建等生物学研究。
  1 SRAP技术的原理与特点
  1.1 SRAP标记的引物设计原理
  SRAP标记分析中共有2套引物,这些引物通常为17或者18个碱基长度并含有以下一些元件:首先是长度为13~14 bp核心序列元件,其5′端为10~11 bp的非特异性填充序列,紧随其后的为CCGG(正向引物)或者AATT(反向引物)。核心序列后面为3个选择性碱基,这3个碱基的变化能产生一系列引物,它们有着共同的核心序列。引物设计的原则为正向和反向引物的填充序列在组成上必须不同,长度为10~11 bp,引物之间不能形成发夹结构或其他的二级结构,GC的含量在40%~50%。
  正向引物中的CCGG序列可以特异性结合ORF区域中的外显子,而反向引物中的AATT序列特异结合于富含AT区的内含子和启动子。这样正反向引物结合可以同时对外显子、内含子和启动子区域进行特异性扩增,并且因为个体不同及物种的内含子、启动子和间隔序列不同而产生多态性[3]。
  1.2 SRAP扩增程序及检测方法
  目前,SRAP标记采用复性变温法扩增,主要有以下2种方法,第1种:由Li等在2001年建立,即94 ℃预变性5 min;94 ℃变性1 min,35 ℃复性1 min,72 ℃延伸1 min,循环5次;94 ℃变性1 min,50 ℃复性1 min,72 ℃延伸1 min,35个循环;最后72 ℃延伸5~10 min;4 ℃保存。前5个循环采用较低的退火温度,有利于引物与靶序列更好的结合,随后的35个循环采用50℃退火温度,以保证扩增产物以指数方式进行有效的扩增。第2种:由Budak等[4]提出,反应条件基本不变,但反应退火温度保持47 ℃。2种方法均可得到稳定性和重复较好的扩增产物。可根据试验目的、材料进行优化调整,以获得较佳的试验效果。扩增产物一般用4%~6%聚丙烯酰胺凝胶电泳分离,可用银染技术检测或同位素标记,也可用1.8%~2.0% 琼脂糖凝胶电泳分析多态性,但分辨率比较低。
  2 SRAP技术在植物遗传育种中的研究进展
  2.1 遗传图谱构建
  遗传图谱已广泛应用于基因作图、QTL作图以及全基因组序列的拼接组装。在大多数应用中,高密度分子标记遗传图谱的构建是必要的且具有很大优势。通过对SRAP引物荧光标记,SRAP-PCR反应能够实现多位点检测的自动化分析,因此使用SRAP技术构建高密度遗传图谱是可行的。
  在甘蓝型油菜中,Sun等人利用‘6-FAM’、‘VIC’、‘Pet’、‘NED’以及‘LIZ’五色荧光染料,使用ABI的遗传分析仪进行SRAP分析[5]。以‘LIZ’作为内参,而其他4种荧光染料被用来标记SRAP引物,然后和未标记的引物组合在一起。在使用4个荧光标记和4个未标记的引物扩增得到SRAP产物后,来自4个SRAP引物组合的扩增产物被混合到一起,从而使检测通量增加了4倍。从12个荧光标记和442个未荧光标记的SRAP引物中选取了1 634个SRAP引物组合扩增得到13 472个SRAP标记。连同79个SSR标记的结果,构建了目前最为饱和的甘蓝型油菜遗传图谱。Li等人采用cDNA-SRAP技术,首先构建了基于甘蓝型油菜叶片组织cDNAs的转录图谱[6]。在cDNA-SRAP技术中,通过逆转录酶合成第一链cDNA后,一步法PCR能够扩增单链cDNAs。由于大多数的cDNA-SRAP标记来源于基因序列间的差异,所以这些标记通常被认为是功能标记。SRAP的擴增产物很容易通过聚丙烯酰胺凝胶分离出来进行测序,因此Li等人对190个分离的片段进行测序,这些片段对应了cDNA-SRAP的190个多态性位点。通过序列相似性分析,发现其中的169个序列片段同拟南芥中报道的基因具有同源性,这就允许根据基因对基因的比对来鉴定2个物种基因组间广泛的共线性。   SRAP分子标记技术也常常与其他的分子标记相结合来构建遗传图谱。在葫芦科植物中,Yeboah等人采用SRAP和ISSR双标记构建了黄瓜的遗传图谱[7]。他们通过对2个二倍体亲本的杂交培育出了假测交F1分离群体,然后用164个SSR标记和108个SRAP标记一起分别构建了父本和母本的遗传图谱。Zhang等人在黄瓜亚种间作图群体里构建了一个高密度共有遗传图谱。该图谱包含了超过1 000个的分子标记,其中有1 152个SSR标记,192个SRAP标记,21个SCAR标记以及1个STS标记[8]。对于多态性较低的物种,采用多个标记对于构建覆盖全基因组的高密度遺传图谱是很有必要的。
  2.2 QTL作图
  遗传图谱通常用于复杂性状的的QTL作图。由于QTL一般是由基因组中多基因所支撑,一般很难用标记孟德尔位点的方法来标记QTL。通常,如果一个复杂性状能够被转换为一个简单的孟德尔性状,那么就有很多种策略可以用于孟德尔化基因的作图和克隆。事实上,大多数QTL的克隆是通过培育近等基因系的孟德尔化方法完成的。但是,大多数的QTL不太容易孟德尔化,因此首先构建遗传图谱,然后进行QTL作图是很有必要的。
  在油菜中,Chen等人采用SRAP和SSR标记在一个DH群体中构建了遗传图谱,该群体是由一个黄籽油菜品系和一个传统的油菜品系通过小孢子培养培育而成[9]。该研究采集了包括开花天数、含油量以及种子产量的3个复杂性状在3个地点3年的数据并用于QTL作图。对于含油量,在14个连锁群鉴定了27个QTL;对于籽粒产量,在11个连锁群鉴定了18个QTL;而对于开花天数,该研究表明,开花天数在作图群体中是由单基因位点控制。Xu等人利用592个分子标记,其中包括287个SRAP标记、135个RAPD标记、78个SSR标记、49个ISSR标记、29个RAMP标记、14个RGA标记,在萝卜中构建了一个遗传图谱[10]。利用这个遗传图谱进行控制根部镉积累的QTL分析,在1、4、6和9 4个连锁群定位了4个QTL位点。在连锁群9上的QTL是主要的一个,占表型变异的48.64%,暗示该QTL可以用于分子标记辅助选择,从而通过减低重金属镉的含量来改善萝卜根部品质。
  2.3 种质资源鉴定
  刘 强等以17个水稻杂交种种子为试验材料,共组配25对SRAP引物组合进行分析,筛选出12对条带稳定、多态性较好的引物组合[11]。利用这些引物组合进行水稻杂交种鉴定,结果发现引物组合ME-6/EM-5产生15条多态性带,可把17个杂交种区分为11类,引物组合ME-1/EM-2能把17个杂交种区分为11类。引物组合ME-1/EM-3在17个杂交种间的多态性最好,共产生清晰可见的谱带28条,其中清晰可见的多态性片段21条,可把17个杂交种区分为17类。因此,SRAP技术可以较好的区分水稻杂交种,其结果比较准确可靠。刘泽发等人以印度南瓜品种杂交种子为试验材料,应用限制性位点扩增多态性(RSAP)标记、相关序列扩增多态性(SRAP)标记鉴定其纯度[12]。发现筛选出的引物R1R7、E1M5能够很好地区分出锦栗二号、红栗、红栗二号、锦栗南瓜品种,利用RSAP分子标记R1R7可检测出锦栗杂交种子纯度,分子标记检测结果与田间检测结果吻合率达90%。
  2.4 重要性状的基因定位与克隆
  SRAP技术在基因定位方面有一定的优势。由于SRAP可以使用无限的引物组合进行检测并且单个SRAP-PCR反应就可以检测多个位点,因此在基因定位方面SRAP技术相对于其他分子标记方法具有很大的优势地位。在基因组中当多个基因位点被快速筛选出来后,与目标性状紧密连锁的SRAP标记能够很容易地被鉴定出来。
  在一些研究中,SRAP标记常被用于一些农作物抗病性基因的定位。Chen等人利用SSR、SRAP以及TRAP标记进行了小麦抗条锈病基因的定位研究[13]。该研究使用400个SSR引物、315对SRAP引物以及40对TRAP引物来筛选F1、F2以及BC1作图群体,从而构建了一个精细的图谱,该图谱将抗性基因位点定位于染色体臂2AS侧翼并且表明该抗性基因属于新发现的抗性基因。在水稻中,Zhao等人搜索与一个水稻抗条纹叶枯病毒显性基因(RSV1)相连锁的SSR标记,随后又使用SRAP技术去寻找紧密连锁的分子标记,最终将RSV1定位到了两翼为SSR和SRAP标记的区域[14]。
  3 问题与展望
  理论上,分子标记应该具有多态性、稳定性较好,在整个基因组中均匀分布的优点,操作步骤简单。但是,目前还没有一种分子标记技术同时具备以上优点。SRAP标记也同样没有兼具以上的各种优点,主要原因就在于该技术是对ORFs扩增,而着丝粒附近以及端粒基因组相对较少,导致扩增较少,若结合使用可扩增这些区域的SSR标记技术,以获得覆盖整个基因组的连锁图谱。
  总之,SRAP作为一种简单有效的方法在植物遗传育种中应用广泛。在与其他分子标记技术综合应用,能更加有效的构建高密度遗传图谱,从而在种质资源鉴定、遗传多样性分析、基因的克隆与定位等方面进行研究,以期在植物遗传育种研究中发挥更大的作用。
  4 参考文献
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