中国玉米新品种标准DNA 指纹库构建研究的几点思考.pdf
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1、植物学通报 2005,22(1):121 128Chinese Bulletin of Botany农业部及北京市重点项目(H030730010690)资助。通讯作者。Author for correspondence.E-mail:收稿日期:2003-12-19 接受日期:2004-02-16 责任编辑:白羽红中国玉米新品种标准 DNA 指纹库构建研究的几点思考1,2王凤格 1赵久然 1郭景伦 3孙世贤1(北京市农林科学院玉米研究中心 北京 100089)2(中国农业大学农学与生物技术学院 北京 100094)3(全国农业技术推广服务中心 北京 100026)摘要 概述了中国玉米新品种DNA
2、指纹库构建研究中的五个主要问题,即选用哪些品种材料、选用什么标记方法、SSR标记存在哪些问题、选用哪些SSR引物及如何提高建库效率等,并提出了相应的解决方案,对其应用前景及主要应用领域进行了探讨。关键词 玉米,DNA指纹库,SSRReview of Research into Establishing a DNA FingerprintingDatabase of New Chinese Maize Cultivars1,2WANG Feng-Ge 1ZHAO Jiu-Ran 1GUO Jing-Lun 3SUN Shi-Xian1(Maize Research Center,Beijing
3、Academy of Agricultural and Forestry Science,Beijing 100089)2(College of Agriculture and Biotechnology,China Agriculture University,Beijing 100094)3(The National Service Center of Agricultural Technique Population,Beijing 100026)Abstract We summarize five main problems in establishing a DNA fingerpr
4、inting database of newChinese maize cultivars:choice of maize varieties,choice of molecular techniques,problems of simplesequence repeat(SSR)techniques,choice of SSR markers and efficiency in techniques.We presentpossible solutions and discuss the prospect and main applications for the database.Key
5、words Maize,DNA fingerprinting database,SSR学 术 论 坛随着育种进程的加快,玉米品种急剧增加。目前全国玉米生产上种植的杂交种有数百个之多,每年参加各省市和国家区试的玉米新品种达数千个,新审定的品种数以百计。而育种者们为了在短时间内培育出高产稳产品种,往往集中利用少数骨干自交系,使品种的遗传基础趋于狭窄,从而加大了利用传统形态学区分不同玉米品种的难度。这一方面给种子管理部门、品种保护部门以及广大的种子生产者、经营者和种植者带来诸多不便,另一方面也给一些单位和个人以可乘之机,经常出现以甲品种充当乙品种、以未审定品种充当审定品种或以劣品种充当畅销优质品种的
6、现象,还有随意更换杂交种亲本12222(1)改变品种特性以及窃取他人亲本或冒用杂交组合等现象被发现。而这些用常规的形态鉴别较难识破,在管理上造成较大漏洞。尽快构建我国玉米新品种标准DNA指纹库,对我国玉米种业市场的规范及玉米新品种权保护等具有重要意义。本文将就在中国玉米新品种DNA指纹库构建的研究过程中的一些问题及体会作一简单总 结。1 玉米DNA指纹库构建中的问题及解决方法玉米DNA指纹库的构建是一个复杂的系统工程,涉及多方面的问题。在构建之前和构建过程中,需要解决以下几个问题。1.1 选用品种材料一个好的玉米DNA指纹库应具备以下4个特性:(1)代表性,即代表了当前国内主要玉米品种资源;(
7、2)完备性,即收集的玉米品种尽量齐全;(3)开放性,即随着每年玉米新品种的涌现,必须及时将新品种补充到库中;(4)实用性,即建立玉米DNA指纹库的主要目的是为了今后应用到检测实践中,因此应将选择的重点放在主推品种、新品种保护的品种、国家区试及审定品种上。1.2 选用标记方法目前国内外对玉米种质鉴定采用的遗传标记仍以形态标记为主,参考同工酶和种子贮藏蛋白标记。但形态标记的表现受环境影响较大,鉴定工作量大,周期长,受季节限制。同工酶和种子贮藏蛋白标记多态性不够丰富,同工酶还存在组织和器官特异性,取材有严格的一致性要求,所以鉴定结果不够稳定。近年来发展较快的分子标记是以DNA分子多态性为基础的一种遗
8、传标记,能稳定遗传,可反映生物的个体和群体特征。由于它直接反映DNA水平上的差异,具有高度的专一性和特异性,不同物种、同一物种不同品种所得 DNA 指纹各异,就像人类的指纹一样,成为当今最先进的指纹鉴定技术。一种理想的分子标记应具有以下特点:多态性高;重复性和稳定性好;带型清晰,容易统计;在染色体上均匀分布;中性;共显性;简单快速,易自动化;开发和使用成本低廉。DNA 指纹技术的发展日新月异,除以Southern杂交为基础的RFLP外,近几年已发展出了多种以PCR为基础的新的DNA指纹技术,如 RAPD、AFLP、SSR、SCAR 和 ISSR等及以单核苷酸多态性为基础的SNP技术。但是不同分
9、子标记的应用价值不同(袁力行等,2000;Saliba-Colombani et al.,2000)。RFLP技术多态性较低,遗传信息有限,需要的DNA模板量大,而且操作复杂。RAPD 技术尽管具有简单易行、需 DNA 量少、自动化程度高和实验周期短的优点,但对反应条件较敏感,重复性差。AFLP 具有多态性高和稳定性好的优点,但所需 DNA 模板量大,操作步骤复杂,同时它还是专利技术。与其他标记相比,以微卫星序列为基础的SSR标记在DNA指纹库构建上显示了独特的优越性。SSR 标记数量丰富,覆盖整个基因组,揭示的多态性高;具有复等位基因的特性,提供的信息量大;以孟德尔方式遗传,呈共显性;每个位
10、点由设计的引物序列决定,便于不同实验室相互交流合作开发引物,获得的资料能够在不同的实验室重复并共享(李新海等,2000)。虽然 SSR 引物的开发费用相当高,但由于其巨大的应用潜力,在一些主要农作物中,SSR引物的开发正在进行中。目前在玉米上已公开的SSR 引物序列已达1 800多对,并且每隔一段时间就有新的引物增加,为该技术在玉米DNA指纹图谱中的应用提供了良好的条件。1.3 SSR技术体系的优化现有的SSR标记技术仍存在操作繁琐、耗费时间及实验成本较高等问题,不能完全适1232005王凤格等:中国玉米新品种标准 DNA 指纹库构建研究的几点思考应实践中大规模检测的需要。因此有必要针对限制S
11、SR标记技术商业化的因素进行技术体系的优化。从 DNA 提取、PCR 扩增及电泳检测等环节对SSR技术进行了全面优化(王凤格等,2003a),最终建立一套比较完善的适用于玉米品种鉴定的 SSR 标准体系。按以下介绍的步骤完成整个程序仅需 4 小时。DNA提取采用的玉米单粒种子DNA快速提取法(郭景伦等,1997)并加以改进。一个熟练的实验员提取一份样品(100粒种子)只需1小时。SSR扩增反应体系为:20 L反应液中包括:10 mmol.L-1 Tris-HCl,50 mmol.L-1 KCl,0.001%Gelatin,2.5 mmol.L-1 MgCl2,0.16mmol.L-1 4dNT
12、P,0.25 mol.L-1 SSR 引物,1单位Taq DNA聚合酶,2 L DNA模板。反应程序为:94 预变性 5 分钟,一个循环;94 变性 40 秒,60 退火 35 秒,72 延伸 45 秒,共 35 个循环。整个 PCR 扩增时间由常规反应的 4 小时减少为 2 小时。PCR 产物变性后在 4.5%测序胶上分离。预电泳 85 W,20 分钟;电泳 80 W,40 分钟。与琼脂糖电泳和非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳相比,测序胶电泳分辨率更高且更省时,并可重复点样 23 次,进一步降低了成本。采用改进的快速银染法染色:10%冰醋酸固定 3 分钟;双蒸水快速漂洗 1 次,不超过 10 秒;0
13、.2%AgNO3溶液染色5分钟;显影液(3%NaOH,0.5%甲醛)显影;10%冰醋酸定影。由常规银染法的1.5 小时减少为约 20 分钟。1.4 选用哪些SSR引物目前在Maize Database上已公布了1 800多个玉米 SSR 引物对,但这些引物在构建玉米自交系和杂交种指纹图谱中的利用价值不同。只有那些多态性高、带型清晰稳定且重复性好的引物才最适于玉米DNA指纹库构建。因此确定一套适用于玉米指纹库构建的核心引物,将对 SSR 标记技术在玉米种质鉴定上的普及起到极大的推动作用。所谓核心引物,是指多态性、稳定性和重复性等综合特性好并可作为初步研究优先选用的一套引物。核心引物的确定是 SS
14、R 标准实验体系的重要组成部分,也是 SSR 指纹鉴定商业化的关键环节,它不仅大大减少了合成引物的成本,也大大减少了筛选引物的繁重工作,并使得不同研究者的指纹图谱可以相互比较和整合。在初期研究中,将多态性高低作为核心引物选择的最重要指标,并结合考虑扩增带型统计的难易及引物的重复性高低,初步确定了10 个SSR引物对作为玉米DNA指纹库构建的一套核心引物(赵久然等,2003)。经过进一步大量的研究及实践,发现随着大量DNA指纹数据的产生,扩增带型统计的难易成为不同电泳板之间数据准确整合的最大限制因素。因此对核心引物选择的原则作了调整,提出扩增带型统计难易作为核心引物选择的最重要指标,要求核心引物
15、的不同扩增带大小差异比较明显,扩增带数目在 48 之间,并结合考虑引物多态性和重复性高低(王凤格等,2003b)。根据这一原则,对已确定的核心引物加以调整。在该原则指导下,随着试验的进一步深入,可能会有更好的引物不断补充到核心引物中,某些引物也会从核心引物中去掉。因此,核心引物的确立又是一个不断调整及不断优化的过程。为验证核心引物在指纹库构建上的有效性,还提出了计算引物理论上可区分最大自交系和单交种数目的公式。公式的推导过程是先从分子遗传学的理论可知,对于 SSR 引物,其基因座位上的等位基因通常表现为共显性。因此,对一个玉米自交系来说,一个引物对一般仅扩增出1个特征带(由于存在剩余变异,某些
16、自交系中扩增出 2 个特征带,但概率很低)。由于目前玉米杂交种绝大多数是单交种,对一个玉米单交种来说,一个引物对一般仅扩增出1或2个特征带。如果某个引12422(1)物对的等位基因数是n,则该引物理论上最多可区分的自交系数为 N=n,单交种数为N=Cn1+Cn2,出现相同指纹图谱的概率P=1/N。上述公式成立的理论假设是同一引物的不同扩增带型的基因频率相同,即同一引物的不同等位基因是等概率出现的。然而,大量的实践表明,同一引物的不同扩增带型的基因频率往往相差较大,以引物nc004为例,该引物等位基因数为5,5条扩增带在60个自交系中的分布为 3、2、1、50 及 4,分布极不均匀。因此,原来的
17、完全根据等位基因数计算引物理论上可区分的最大自交系和杂交种数目的公式存在一定误差,只能用于初步估计。为保证估计值更接近实际,需要知道引物不同扩增带型的基因频率值。由于样品大小和是否具有代表性影响基因频率值估计的准确性,因此只有在建立了代表国内主要玉米种质的大型DNA指纹库的前提下,才能得到引物不同扩增带型比较准确的基因频率值,才可以对引物理论上可区分的最大自交系和杂交种数目进行比较精确的计算。1.5 提高建库的效率探索多重PCR反应及开发DNA指纹检测试剂盒多重 PCR 是指在同一反应体系中同时进行多个位点的特异性扩增的一类特殊PCR反应类型,具有快速高效和成本低廉等优点,适应高通量DNA指纹
18、分析的需要。引物的选择与分组原则一般要求每种引物在选定的退火温度作单一 PCR 时能得到有效扩增;同一组合的引物扩增片段大小的范围不能重叠;尽量避免同一组合的引物序列形成引物寡聚体及引起竞争性扩增(Henegariu et al.,1997)。自Chambercian等(1988)首次提出这一概念以来,该方法已成功地应用到 DNA 检测的各个领域,如缺失、突变、多态性分析和 RT-PCR分析等。目前,四色荧光技术与多重 PCR 技术相结合,可以在一个反应中同时扩增多达1215 对不同引物。由 PE 和 Promega 等公司开发的 STR 复合扩增试剂盒,已被应用于人类DNA指纹库构建及亲子鉴
19、定和个体识别的研究中。毛细管电泳技术与多重 PCR 技术相结合,使基因分型效率提高一倍,使结果更精确可靠(庄启南等,2002)。然而,目前多重PCR技术主要在动物(尤其是人类)上得到了深入的研究和广泛的应用,而在包括玉米在内的植物上研究较少。因此,借鉴动物及人类上的研究成果,并结合玉米核心SSR 引物的确定,迅速开发适用于玉米的一套完善的多重 PCR 程序及相关试剂盒产品,将为进行大规模和高通量的玉米DNA指纹库构建创造有利条件。笔者已针对多重 PCR 的优化程序比较繁琐且不同的研究获得的优化程序不具有通用性的现状,以21对玉米SSR引物组成不同的引物组合进行了多重PCR反应的研究(王凤格等,
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