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裂叶牵牛获得表达序列标签资源的简单序列重复信息分析



全 文 :基金项目:国家自然科学基金(30801554,81110108011) ;高等学校学科创新引智计划(B08044) ;中国博士后基金(20110490556) ;中央民族大
学 985 工程(MUC98504-14、MUC98507-08) ;中央民族大学青年教师科研基金(MUC0239) ;北京市生物实验教学示范中心项目;国家大学生创
新实验计划(NMOE200911014)
作者简介:刘越,女,博士,讲师,硕士生导师 研究方向:民族药物遗传多样性和功能基因组学 * 通讯作者:黄璐琦,男,博士,研究员,博
士生导师 研究方向:中药资源学与分子生药学 Tel:(010)64014411-2955 E-mail:huangluqi@ 263. net
·论 著·
裂叶牵牛获得表达序列标签资源的简单序列重复信息分析
刘越1,2,3,范增华1,孙洪波1,冯金朝1,张水仙1,熊圣文1,刘生全1,黄璐琦2* (1. 中央民族大学生命与环境科学学院,北京
100081;2. 中国中医科学院中药研究所,北京 100700;3. 中国农业科学院作物科学研究所,北京 100081)
摘要:目的 为了在裂叶牵牛中开发功能性 EST-SSR分子标记,分析裂叶牵牛 EST-SSRs特征。方法 从 NCBI公共数据库中
下载裂叶牵牛 EST序列,运用 DNAstar软件中的 Seqman Pro程序,对下载序列进行拼接和聚类,去除冗余序列,利用 SSRIT软
件筛选重复序列长度≥20 bp的二、三、四、五、六、七、八核苷酸 7 种类型的 SSR,统计分析裂叶牵牛 EST-SSRs的特征。结果
从 NCBI公共数据库中下载 62 388 条裂叶牵牛 EST序列,剔除冗余序列,得到全长为 8. 35 × 106 bp的无冗余 EST序列 11 569
条。在这些序列中搜索出 985 条 EST序列含有 1 132 个 SSRs,占无冗余 EST序列的 9. 78%,平均每 7. 37 kb EST出现 1 个 SSR
位点。二核苷酸重复基元 SSR出现频率最高(51. 06%) ,其次是三核苷酸(33. 57%) ,AG/TC、GA/CT和 AAG/ TTC是二、三核
苷酸中的优势重复基元。裂叶牵牛 EST-SSRs以 4 ~ 10 次重复为主,基序长度主要集中于 20 ~ 30 bp。结论 裂叶牵牛 EST-
SSR的出现频率高,重复类型丰富,理论上表明这些 EST-SSRs 具有较高的可用性。本实验通过对裂叶牵牛 EST 资源的 SSR
信息的研究,为分子水平和生物信息学角度上开发裂叶牵牛的 SSR功能性标记提供了候选序列。
关键词:裂叶牵牛;获得表达序列标签;简单序列重复分析
中图分类号:R286 文献标志码:A 文章编号:1001 - 2494(2011)23 - 1790 - 05
Analysis of SSR Information in EST Resource of Pharbitis nil
LIU Yue1,2,3,FAN Zeng-hua1,SUN Hong-bo1,FENG Jin-chao1,ZHANG Shui-xian1,XIONG Sheng-wen1,LIU
Sheng-quan1,HUANG Lu-qi2* (1. College of Life and Environmental Sciences,Minzu University of China,Beijing 100081,Chi-
na;2. Institute of Chinese Materia Medica,China Academy of Traditional Chinese Medicine,Beijing 100700,China;3. Institute of Crop
Sciences,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China)
ABSTRACT:OBJECTIVE To investigate EST-SSRs features of Pharbitis nil which is a Chinese medicine wildly used in clinical prac-
tice. METHODS EST database of Pharbitis nil downloaded from NCBI website was analyzed by DNAstar to get rid of redundant EST
sequences. SSRIT software was employed in screening SSRs in these non-redundant EST sequences. The characters of Pharbitis nil EST-
SSR were analyzed by statistic analysis. RESULTS A total of 62 388 ESTs of Pharbitis nil were downloaded from the database of NCBI.
After the preprocessing,11 569 non-redundant EST sequences with total length of 8. 35 ×106 bp were obtained. 1 132 SSRs were distribu-
ted in 985 EST sequences,which accounted for 9. 78% of the 11 569 non-redundant ESTs. The average density of SSR was 1 SSR/7. 37
kb EST sequence. In the SSRs, the di-nucleotide repeat motif was the most abundant (51. 06%) ,followed by tri-mucleotide
(33. 57%). AG/TC,GA/CT and AAG/ TTC were the main types of motif in di-,tri-nucleotide repeats. The repeat number of Pharbitis
nil EST-SSR was mainly from 4 to 10 and motif length of them mostly ranged from 20 bp to 30 bp. CONCLUSION EST-SSRs are abun-
dant in Pharbitis nil,indicating their usefulness in theory. This research may lay the foundation for designing the targeted EST-SSR prim-
ers and developing EST-SSR molecular markers by mining the information of EST-SSR loci in Pharbitis nil EST sequences data.
KEY WORDS:Pharbitis nil;EST;SSR analysis
牵牛子是《中国药典》(2010 年版)记载的旋花
科(Convolvulaceae)牵牛属(Pharbitis)裂叶牵牛[P.
nil (L. )Choisy]或圆叶牵牛[P. purpurea (L. )
Voigt.]的干燥成熟的种子,表面灰黑色为“黑丑”,
·0971· Chin Pharm J,2011 December,Vol. 46 No. 23 中国药学杂志 2011 年 12 月第 46 卷第 23 期
淡黄白色为“白丑”,味苦、辛,性寒,有毒。入肺、
肾、大肠经。具有泻水通便、消痰涤饮、杀虫攻积的
功效,用于治疗水肿胀满、二便不通、痰饮积聚、气逆
喘咳等[1]。牵牛子始载于《名医别录》,本草记载中
牵牛子为裂叶牵牛的种子,而圆叶牵牛做牵牛子使
用未见本草记载[2]。《本草蒙筌》中记载牵牛子有
“黑白两种。黑者属水力速,白者属金效迟”。在使
用中通常是二者各半合用。有研究表明,开白色花
的裂叶牵牛种子为“白丑”,开蓝紫色花的裂叶牵牛
种子是“黑丑”[2],由于花色变异较大,其花色和种
子颜色关联性、特别是二者与药效成分的关联性还
不完全清楚。若从分子生物学角度找到一种遗传标
记,可以在未开花未结实的情况下就能够检测出其
籽粒为黑丑或者白丑,甚至明确其有效成分的含量
高低水平,这样为牵牛子的分子鉴定和质量的提高
提供了契机。
目前,由于药用植物遗传背景不详,所以药用植
物的分子生物学研究主要集中于转录水平,许多植物
都构建了 cDNA(互补 DNA)文库,并进行测序,获得
表达序列标签 EST(expressed sequence tags) ,通常
300 ~500 bp,代表在一定的发育时期或特定的环境
条件下,特定的组织细胞基因表达的序列。SSR(sim-
ple sequence repeats)名为简单序列重复,又被称为微
卫星,以 1 ~ 10 bp 的重复单元经多次呈串联重复形
成的一段 DNA序列。由于其在真核基因组中普遍存
在、种类多、高度多态、重复性高、易于检测、共显性等
特点,微卫星标记成为目前广受关注的一种分子遗传
标记,可用于遗传多样性分析、遗传图谱构建、微卫星
DNA指纹库建立、品种选育、种系评估等[3-4]。
EST-SSR是基于表达序列标签开发微卫星的一
种新型分子标记,随着生物学技术的发展和实验成
本的降低,公共数据库 EST 数量的急速增加,为通
过生物信息学方法[5]开发植物 EST-SSR 提供了丰
富的可利用资源。由于 EST 是功能基因的一部分,
不同基因组间,基因编码区序列的保守性远远高于
非编码区,与基因组 SSR相比 EST-SSR 表现出较好
的物种之间的可转移性[6-7]。同时避免了基因组
SSR开发过程中需要构建基因组 DNA 文库等繁琐
步骤,可以为功能基因提供绝对的标记,充分反映出
基因组功能区域的相似程度。目前,EST-SSR 已广
泛应用于基因组研究和分子育种[8-18]。
本实验对现有裂叶牵牛的 EST 资源中的 SSR
进行分析,明确了裂叶牵牛 EST-SSR 的发生频率和
分布特点,为进一步开发裂叶牵牛 SSR 功能性标记
和探索其在牵牛子的分子鉴定和遗传育种中的应用
奠定基础。
1 材料和方法
1. 1 裂叶牵牛 EST的来源
截止 2010 年 4 月 1 日,美国国立生物信息中心
(NCBI)官方网站上下载裂叶牵牛 P. nil (L. )
Choisy的全部 EST序列,共计 62 388 条。
1. 2 裂叶牵牛 EST的拼装
将所下载所有序列存成 FASTA格式文件,利用
软件包 DNAStar 中的 Seqman 软件拼接成为 contig
(重叠群)。Seqman拼接参数为最小序列长度为 12
bp,最小匹配百分数为 96%。这样可以将若干条相
似序列聚类组装成为一组 contig,生成一条一致序
列(contig consensus) ,减少冗余重复序列。同时通
过重叠序列还可将若干条短序列拼接成为一条较长
的序列,增加序列的完整性。
1. 3 SSR筛选
在 http:/ /www. gramene. org /gremene /searches /
ssrtool上利用 SSRIT(simple sequence repeat identifi-
cation tool)软件在线查找非冗余序列的 SSR 位点,
SSR检索标准设置为重复单元为二、三、四、五、六、
七、八碱基,重复长度≥20 bp。即重复次数分别大
于或等于 10、7、5、4、4、3、3。用 Excel 对 SSR 的数
量、种类等进行相关统计和比较分析。
2 结果与分析
2. 1 裂叶牵牛 EST序列中出现 SSR的频率
裂叶牵牛 EST序列经过处理,得到 11,569 条无
冗余 EST序列,序列总长度约为 8. 35 × 106 bp。对
无冗余序列进行搜索,共检出含有 SSR 的序列 985
条,发生频率(含有 SSR 的 EST 数目与总 EST 数目
的比值)为 8. 51%。其中,877 条含单个 SSR,108
条含有 2 个或 2 个以上的 SSR。共检出 1,132 个
SSR,占无冗余 EST序列的 9. 78%,即出现频率(检
出的 SSR个数与总 EST数目的比值)。从分布情况
看,裂叶牵牛 EST序列中平均每 7. 37 kb EST出现 1
个 SSR(EST长度与 EST-SSR 数目之比值) ,但不同
重复类型间差异很大(表 1)。
裂叶牵牛 EST-SSR种类较为丰富,二至八核苷
酸重复类型都能看到,但各类型出现的频率相差很
大(表 2)。裂叶牵牛 EST-SSR种类主要集中在二和
三核苷酸重复上,占总 EST-SSR的 84. 63%,且二核
苷酸重复大于三核苷酸重复,分别是 51. 06% 和
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中国药学杂志 2011 年 12 月第 46 卷第 23 期 Chin Pharm J,2011 December,Vol. 46 No. 23
33. 57%,其次是四核苷酸重复,占 9. 81%,五、六、
七、八核苷酸重复所占比例较小,总计不足 6%。
2. 2 裂叶牵牛 EST-SSR基元类型和比例
在搜索出的裂叶牵牛 EST-SSRs 中,共观察到
105 种重复基元,二核苷酸重复单元有 6 种,三、四、
五、六、七、八核苷酸重复基元分别有 29、39、14、11、
5 和 1 种。从出现的频率来看,在 1 132 个 SSRs中,
各种不同重复基元中出现最多的是二核苷酸基元
AG /TC 和 GA /CT,分别占 SSR 总数的 25. 53% 和
18. 64%,其次,AT /TA 的频率较高为 5. 65%,AC /
TG、CA /GT和 GC /CG 的频率较低。三核苷酸基元
以 AAG /TTC 出现频率最高为 5. 74%,其次 AGA /
TCT、CTT /GAA、AAT /TTA 分别为 5. 65%、5. 48%、
2. 39%,其他类型出现频率比较低。四核苷酸中
GAAA /CTTT(1. 50%)、五核苷酸中 AGTGA /TCACT
(0. 71%)、六 核 苷 酸 中 GAAGAC /CTTCTG
(0. 44%)、七 核 苷 酸 中 AGTGCTG /TCACGAC
(0. 18%)出现频率较高,八核苷酸仅有一个
(0. 09%)。其余出现频率较低(表 2)。
表 1 SSR在裂叶牵牛无冗余 EST中的出现频率
Tab. 1 Occurrence of SSRs in non-redundant Pharbitis nil ES-
Ts
Type Number
Proportion in
all SSRs
Frequency
Average distance
/kb
Di-nucleotide 578. 00 51. 06 5. 00 14. 44
Tri-nucleotide 380. 00 33. 57 3. 28 21. 97
Tetra-nucleotide 111. 00 9. 81 0. 96 75. 20
Penta-nucleotide 30. 00 2. 65 0. 26 278. 25
Hexanucleotide 25. 00 2. 21 0. 22 333. 90
Heptanucleotide 7. 00 0. 62 0. 06 1 192. 51
Octanucleotide 1. 00 0. 09 0. 01 8 347. 58
Total 1 132. 00 100. 0 9. 78 7. 37
表 2 裂叶牵牛非冗余 EST序列中不同 SSR的出现情况
Tab. 2 Occurrence of different SSRs in non-redundant ESTs of
Pharbitis nil
Repeat
Motif
Number
Percentage
/%
Repeat
Motif
Number
Percentage
/%
AG/TC 289 25. 53 CGT /GCA 10 0. 88
GA /CT 211 18. 64 CCG /GGC 9 0. 80
AT /TA 64 5. 65 GAAA/CTTT 17 1. 50
AC /TG 12 1. 06 ATAC /TATG 8 0. 71
CA /GT 3 0. 27 AGAA/TCTT 7 0. 62
AAG/TTC 65 5. 74 AAAG/TTTC 7 0. 62
AGA/TCT 64 5. 65 AGTGA/TCACT 8 0. 71
CTT /GAA 62 5. 48 AAAAT /TTTTA 6 0. 53
AAT /TTA 27 2. 39 GAAGAC/CTTCTG 5 0. 44
CAT /GTA 17 1. 50 GGTGGC /CCACCG 4 0. 35
ACT /TGA 12 1. 06 AGTGCTG /TCACGAC 2 0. 18
AAC /TTG 10 0. 88 ATCGAAC/TAGCTTG 2 0. 18
ATT /TAA 10 0. 88 ACCCAAAT /TGGGTTTA 1 0. 09
2. 3 裂叶牵牛 EST-SSR重复次数和基序长度
基元重复次数的变异引起位点长度的变化
是产生 EST-SSRs 位点多态性的主要原因。对 1
132 个裂叶牵牛 EST-SSR 进行分类统计的结果表
明,随着重复次数的增加,SSR 数量有减少的趋
势(图 1)。4 ~ 10为较低重复次数,分布有 686
个 SSRs,占总数的 60. 60%,是裂叶牵牛 EST-
SSRs的主要部分;11 ~ 30为较高重复次数,分布
有 446 个 SSRs,占总数的 39. 40%;最高重复次
数是 28 次。
而且,二核苷酸基元的重复次数类型多、跨度
大。其中 AG /TC 和 GA /CT 的重复次数类型最多,
跨度最大,分别为 19 和 13 种,重复 10、28 和 22 次;
其次是 AT /TA和 AC /TG重复次数类型分别为 6 种
和 4 种。三核苷酸基元的重复次数类型和跨度小于
二核苷酸。其中,AGA /TCT(10 种)、CTT /GAA(9
种)、AAG /TTC(7 种)出现重复次数类型最多;其次
为 AAC /TTG、CGT /GCA、AAT /TTA、CAT /GTA;其他
重复基元多以重复 7、8、9 次 3 种重复次数类型出
现。四核苷酸、五核苷酸、六核苷酸、七核苷酸和八
核苷酸重复基元多以重复 4、5、6、7 次中1 ~ 2种重复
次数类型出现(表 3)。
图 1 裂叶牵牛 EST-SSR重复次数分布
Fig. 1 EST-SSR motif repeat number distribution of Pharbitis
nil
表 3 基元类型的重复次数分布
Tab. 3 Distribution of repeat motif according to repeat number
Repeat Motif Range Total Repeat Motif Range Total
AG /TC 10 - 28 19 CGT /GCA 7 -9 4
GA /CT 10 - 22 13 CCG /GGC 7 -7 1
AT /TA 10 - 15 6 GAAA /CTTT 5 -5 1
AC /TG 10 - 17 4 ATAC /TATG 5 -5 1
CA /GT 10 1 AGAA /TCTT 5 -5 1
AAG /TTC 7 -17 7 AAAG /TTTC 5 -11 2
AGA /TCT 7 -24 10 AGTGA /TCACT 6 -6 1
CTT /GAA 7 -20 9 AAAAT /TTTTA 5 -5 1
AAT /TTA 7 -9 3 GAAGAC /CTTCTG 5 -5 1
CAT /GTA 7 -12 3 GGTGGC /CCACCG 5 -5 1
ACT /TGA 7 1 AGTGCTG /TCACGAC 5 -5 1
AAC /TTG 7 -11 4 ATCGAAC /TAGCTTG 7 -7 1
ATT /TAA 7 -12 3 ACCCAAAT /TGGGTTTA 6 -6 1
·2971· Chin Pharm J,2011 December,Vol. 46 No. 23 中国药学杂志 2011 年 12 月第 46 卷第 23 期
裂叶牵牛 EST-SSR 基序长度分布情况见图 2。
由于搜索标准的严格度,低于 20 bp 的 SSRs 被过滤
掉,总的来说,大部分裂叶牵牛 EST-SSRs 基序长度
集中在 20 ~ 30 bp 范围内 (962 个 SSRs,占
84. 98%) ,30 bp 以上的 SSR 数量较少(170 个
SSRs,占 15. 02%)。
2. 4 裂叶牵牛 EST-SSR的理论多态性和可用性
研究发现,裂叶牵牛 EST-SSR 中 20 bp 的基序
长度最多,有 264 个,包括 10 次重复的二核苷酸基
元 178 个、5 次重复的四核苷酸基元 86 个。其次是
21、24、22 bp 的基元长度,数量分别为 220 个、147
个和 110 个。基序最长为 72 bp,系三核苷酸基元的
24 次重复。Temnykh 等[19]研究发现,当 SSR 基序
长度大于或等于 20 bp 时多态性较高,长度在 12 ~
20 bp之间的 SSR多态性中等,而长度在 12 bp以下
时多态性极低。依照此标准,本次筛选得到的裂叶
牵牛 EST-SSR 都具有较高多态性。Dreisigacker
等[20]发现,高级基元 SSR多态性普遍比低级基元的
低。本实验所得的主要是低级基元,如二、三核苷酸
基元所占比例为 84. 63%,表明大部分裂叶牵牛
EST-SSR具有高多态性潜能。从以上两方面考虑,
本实验发掘的裂叶牵牛 EST-SSR 具有较高的可用
性。此外,用作标记的 EST-SSR 两侧应有一定长度
的序列,以便在引物设计时选择适宜的长度和位置。
若以 EST-SSR侧翼序列长度为 100 bp为参照,共筛
选到 563 个 SSR,占所有 EST-SSR 的 58. 46%,即有
一半多的标记是可用的。因此,从以上几方面考虑,
本研究发掘的 EST-SSR具有较高的利用价值。
3 讨 论
裂叶牵牛 EST-SSR的出现频率高,重复基元类
型也较为丰富。在 NCBI数据中大约有 9. 78%的裂
叶牵牛 EST序列能够检测出≥20 bp的 SSR,平均分
布距离是 7. 37 kb,与其他植物中≥20 bp 的 SSR 出
现频率相比,高于小麦(17. 42 kb)、水稻(11. 81
kb)、玉米(28. 32 kb)、大豆(23. 80 kb)[21]等植物。
图 2 裂叶牵牛 EST-SSR基元长度分布
Fig. 2 EST-SSR motif length distribution of Pharbitis nil
Rota等[22]对水稻、大麦和黑麦研究发现,当水稻最
小 SSR长度标准由 12 bp增加到 30 bp 时,EST-SSR
的频率从 50%减少到 1%,同时二核苷酸重复的数
量从为三核苷酸重复的 1 /10 到二者基本接近,重复
基元的主导类型也由 CCG 变为 AG 重复;而当 SSR
最小长度为 40 bp 时,二核苷酸重复的数量超过了
三核苷酸重复。因此,在进行物种间 SSR 频率比较
时,应注意参数的设定。当我们把裂叶牵牛的 EST-
SSR最小长度设为 30 bp 时,SSR 出现频率降为
1. 47%,平均分布距离为 49. 10 kb。
从目前的报道来看,大多数植物的 EST-SSR 主
要属二、三核苷酸重复类型[23],但主导重复基元的
类型则有所差异。例如,在大麦[10]、番茄、棉花、杨
树、拟南芥[24]、甘蔗、葡萄[25]、小麦、燕麦、黑麦、高
粱、水稻、玉米、大豆[24]和柑橘[26]中以三核苷酸重
复为主;而在茶树[27]、猕猴桃[28]、杏树和桃树[29]中
则是二核苷酸重复占了主导。裂叶牵牛的 EST-SSR
也主要集中在二核苷酸重复,占 51. 06%,其次是三
核苷酸重复,占 33. 57%。在裂叶牵牛 EST-SSR 中,
二核苷酸基元又以 AG /TC 和 GA /CT 占多数,与拟
南芥、水稻、玉米、杏树、桃树、大豆、花生、大麦
等[17-18,21,30]报道的多数植物情况相同。三核苷酸
重复基元种类繁多,优势重复基元以 AAG /TTC 为
主,与拟南芥[24]、柑橘[26]、大豆[21]类似,这也是双子
叶植物中最为丰富的重复类型[21]。裂叶牵牛三核
苷酸重复基元中,除 AAG /TTC 重复外还有 AGA /
TCT重复,二者所占比例仅为三核苷酸重复基元类
型的 5. 74%和 5. 65%,碱基偏倚性不太明显。
二核苷酸重复基元出现的重复次数类型多、跨
度大,如 AG /TC和 GA /CT分别有 19 和 13 种,跨度
从重复 10 次到 28 次和 22 次。而三核苷酸重复基
元出现重复次数类型最多为 10 种,跨度从重复 7 次
到 24 次。Cho等[8]在水稻中发现 SSR 的重复次数
与 SSR 的变异呈正相关,本研究结果为二核苷酸
SSR具有更高多态性[21]提供支持。
从本实验结果可以看出,裂叶牵牛 EST-SSRs出
现频率高,而且类型丰富。从多态性潜能的角度考
虑,搜索到的这些 EST-SSRs 也具有较高的可用性。
本研究的结果为裂叶牵牛 EST-SSR 的遗传分布规
律提供一个基本的认识,为进一步开发裂叶牵牛功
能性 EST-SSR标记,进一步区分黑丑和白丑奠定了
基础。同时,EST-SSR 标记的建立对于加速裂叶牵
牛 EST资源的开发利用和进行比较基因组学以及
功能基因组学研究都具有重要的意义。
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(收稿日期:2011-04-26
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·4971· Chin Pharm J,2011 December,Vol. 46 No. 23 中国药学杂志 2011 年 12 月第 46 卷第 23 期