全 文 :书山羊草属杀配子染色体2犆特异
犛犆犃犚标记的建立
徐国辉1,郭长虹1,于洪涛1,陈静1,丛雯雯1,远藤隆2
(1.哈尔滨师范大学生命科学与技术学院 黑龙江省分子细胞遗传与遗传育种重点实验室,黑龙江 哈尔滨150025;
2.日本京都大学农学部植物遗传学实验室,日本 京都6068502)
摘要:用40条10碱基随机引物,对普通小麦“中国春”、“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系、柱穗山羊草进行
RAPD分析,筛选到1个杀配子染色体2C特异引物OPF03。从“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系中克隆了
该DNA片段。测序结果表明,该片段长1496bp,与大麦1个cDNA的同源性为92%。根据OPF031496的序列设
计了1对SCAR引物2CF586、2CR586,对普通小麦“中国春”、“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系、柱穗山羊
草、二倍体长穗偃麦草、“中国春”-长穗偃麦草7E二体附加系等材料进行了SCAR分析,在“中国春”-杀配子染
色体2C二体附加系、柱穗山羊草中扩增出了586bp的片段,而在普通小麦“中国春”、二倍体长穗偃麦草、“中国春”
-长穗偃麦草7E二体附加系中没有该产物,初步证明此标记可以用于杀配子染色体2C的检测。进一步用该对
SCAR引物对“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系与“中国春”-长穗偃麦草7E二体附加系的杂种F1 代、F2
代进行了分析,结果在全部F1 代以及部分F2 代材料扩增出了目的片段,进一步证明了此SCAR标记可以用来检
测小麦背景下的杀配子染色体2C,为小麦背景中杀配子染色体2C的快速跟踪检测提供了新途径。
关键词:山羊草;杀配子染色体;RAPD;SCAR
中图分类号:S543+.903.2;Q943.1 文献标识码:A 文章编号:10045759(2011)04030506
山羊草属(犃犲犵犻犾狅狆狊)植物的一些染色体,当单体附加到不同基因型普通小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)中时,具
有完全或不完全的杀配子作用[1]。在不完全杀配子作用下,可高频诱导各种类型的染色体结构变异,变异频率
可达10%以上,远远高于自发易位、辐射诱发、犘犺基因等其他方法的诱导效率[2]。杀配子染色体不仅可诱导普
通小麦染色体结构变异,而且对附加或代换到普通小麦中的外源染色体也具有同样的功能[3],这就为小麦的诱变
育种开辟了一条新途径。
杀配子染色体2C在普通小麦“中国春”等遗传背景下可诱导半致死效应的染色体断裂,使后代产生易位、缺
失等染色体结构畸变[4]。利用杀配子染色体2C在构建大麦(犎狅狉犱犲狌犿狏狌犾犵犪狉犲)染色体缺失图谱[5],诱导小麦-
冰草(犃犵狉狅狆狔狉狅狀)[6]易位等方面取得了很好的成效。在杀配子染色体2C的利用过程中,杂种后代中2C染色体
的鉴定是非常重要的环节。有很多学者利用分带的方法对后代进行鉴定,但该方法非常繁琐,而且需要结合相关
的细胞学技术。与之相比,利用DNA分子标记进行鉴定则是十分方便快捷的途径。
随机扩增多态性DNA(RAPD,randomamplifiedpolymorphicDNA)技术具有操作简单、模板DNA用量少、
扩增产物多态性高、经济快捷等优点,已经被广泛应用于遗传多样性分析[7,8]、品种鉴定[9]、分子标记辅助育种、基
因定位及遗传图谱构建等多个研究领域。将RAPD标记转化为SCAR(sequencecharacterizedamplifiedregion)
标记后,其特异性和稳定性大幅度提高,可以更方便快捷地应用于异源染色体的检测[10]。
为了获得杀配子染色体2C的特异分子标记,本研究利用RAPD技术进行了杀配子染色体2C分子标记的开
发,并将其转化为SCAR标记。对柱穗山羊草(犃犲犵犻犾狅狆狊犮狔犾犻狀犱狉犻犮犪)、“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系
等材料进行了分子标记验证,以期为小麦背景中杀配子染色体的快速检测提供新途径。
第20卷 第4期
Vol.20,No.4
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
305-310
2011年8月
收稿日期:20100510;改回日期:20100716
基金项目:科技部国际科技合作项目(2009DFA32470),黑龙江省科技攻关项目(GA08B104),973前期研究专项(2011CB111500),黑龙江省高
校科技创新团队研究计划(2010TD10)和哈尔滨师范大学科技创新团队研究计划(KJTD20112)资助。
作者简介:徐国辉(1980),女,黑龙江哈尔滨人,在读博士。Email:xugh520@163.com
通讯作者。Email:kaku2008@hotmail.com
1 材料与方法
1.1 材料
供试材料为柱穗山羊草、“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系(2狀=44AABBDD+2CⅡ)和“中国春”-
长穗偃麦草(犜犺犻狀狅狆狔狉狌犿犲犾狅狀犵犪狋狌犿)7E二体附加系(2狀=44AABBDD+7EⅡ),来自于日本国家生物资源计划
小麦中心(http://www.shigen.nig.ac.jp/-wheat/komugi/top.jsp),2009年1月将材料种于哈尔滨师范大学
分子细胞遗传与遗传育种温室,2个月后提取DNA进行分子标记筛选试验;普通小麦“中国春”,“中国春”-长穗
偃麦草7E二体附加系与“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系杂交获得的F1、F2 代(来自于哈尔滨师范大学
分子细胞遗传与遗传育种重点实验室)。2009年4月将F1 代种于哈尔滨师范大学分子细胞遗传与遗传育种重
点试验苗圃基地,3个月后获得F2 代。
1.2 试验方法
1.2.1 小麦DNA提取 用CTAB法(hexadecyltrimethyammoniumbromide,十六烷基三甲基溴化铵)提取小
麦幼苗DNA[11]。紫外分光光度计测定DNA的浓度和纯度,0.8%琼脂糖凝胶电泳检测DNA质量,调整其浓度
至100ng/μL,用于分子标记分析。
1.2.2 RAPD分析 RAPD扩增引物为上海生工公司合成的10碱基核苷酸,共合成40条引物。PCR反应体
系为25μL,其中包括:1×PCRBuffer,2.5mmol/LMgCl2,0.1mmol/LdNTPs,40ng引物,1UTaq酶,40ng
DNA模板。反应在Biometra1704214型PCR扩增仪上进行,扩增条件为:94℃预变性3min,94℃变性15s,
36℃复性30s,72℃延伸45s,46个循环结束后72℃延伸10min。PCR扩增产物经1.2%的琼脂糖凝胶电泳进
行检测,BIORAD紫外仪扫描,拍照。
1.2.3 RAPD产物的回收、克隆 在琼脂糖凝胶中将2C基因组特异的条带部分切下,并用DNA回收试剂盒
(DV805A)进行回收,用pGEMTeasy试剂盒(美国Promega公司)进行 DNA片段的克隆,经菌落PCR和
犈犮狅RI酶切鉴定,选取插入片段大小符合要求的克隆送交上海生工进行测序,将得到的核苷酸序列在NCBIGen
Bank(http://www.ncbi.nlm.nih.gov)中进行比对。
1.2.4 SCAR分析 将RAPD扩增条件调整为50ng引物、50ngDNA模板、MgCl21.5mmol/L、53℃复性、35
个循环外,其他同RAPD分析。
2 结果与分析
2.1 杀配子染色体2C特异RAPD标记的筛选与分析
利用40条RAPD引物,对普通小麦“中国春”、普通小麦“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系、柱穗山羊
草等材料进行扩增筛选,发现引物OPF03(CCTGATCACC)在普通小麦“中国春”-杀配子染色体2C二体附加
系、柱穗山羊草中扩增出1条1400bp左右的片段,此产物在普通小麦“中国春”中没有出现(图1),表明这个片
段是杀配子染色体2C所特有的。
2.2 杀配子染色体2C特异RAPD片断的序列分析
从普通小麦“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系中回收了该特异片段,将其克隆并测序。结果表明(图
2),该片段全长为1496bp,命名为OPF031496,在GeneBank中进行Blast同源性搜索,结果发现它与大麦的1个
cDNA克隆序列同源性达92%。
2.3 杀配子染色体2CSCAR标记的建立与验证
为了寻找2C染色体组的特异片段,在该特异片段与大麦的cDNA克隆片段的非同源区段进行引物设计,将
OPF031496序列输入 PrimerPremier5.0软件,设计了1对 PCR 引物,其序列为2CF586:5′TCTGTCGG
GAAACTAATT3′;2CR586:5′AAGATAGCAACAGGGGAG3′,这对引物的扩增片段长度为586bp,在普通
小麦“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系、柱穗山羊草材料中都能扩增出此片段,而在“中国春”、二倍体长
穗偃麦草、“中国春”-长穗偃麦草7E二体附加系中没有此片段(图3)。表明该片段为杀配子染色体2C所特有。
603 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.4
图1 犚犃犘犇引物在普通小麦 “中国春”、杀配子染色体2犆二体附加系、柱穗山羊草3种材料中的扩增结果
犉犻犵.1 犜犺犲犪犿狆犾犻犳犻犮犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊狅犳犚犃犘犇狆狉犻犿犲狉狊犻狀犆犛,犆犛2犆犱犻狊狅犿犻犮犪犱犱犻狋犻狅狀犾犻狀犲犪狀犱犃.犮狔犾犻狀犱狉犻犮犪
a:普通小麦“中国春”CommonwheatCS(Chinesespring);b:“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系CS2Cdisomicadditionline;c:柱穗山羊草
犃.犮狔犾犻狀犱狉犻犮犪;M:DL2000marker;OPF03,LW7,LW8,LW9均为RAPD引物 OPF03,LW7,LW8,LW9arealRAPDprimers
图2 犗犘犉031496的核苷酸序列
犉犻犵.2 犖狌犮犾犲狅狋犻犱犲狊犲狇狌犲狀犮犲狅犳犗犘犉031496
下划线为SCAR引物位置 UnderlineindicatedlocationofSCARmarker
2.4 利用SCAR标记鉴定杀配子染色体2C的杂种后代
用SCAR引物2CF586、2CR586对“中国春”-长穗偃麦草7E二体附加系与“中国春”-杀配子染色体2C二
体附加系的杂种F1 代、F2 代材料进行了鉴定(图4)。结果表明,在F1 代材料中均扩增出了586bp的产物,符合
理论预期。在115株F2 代材料中扩增结果出现分离现象,其中有65株F2 材料(56.52%)中有扩增产物,说明在
这些材料中存在2C染色体,其余50株材料(43.48%)中没有扩增产物,说明这些材料中没有2C染色体。
3 讨论
小麦育种中,通过易位的方法转移野生近缘种属的优良基因已被实践证明是一条卓有成效的途径。获得易
位系的方法有很多种,如利用辐射诱发异源易位[12]、通过调节犘犺基因的作用诱发部分同源染色体交换[13,14]、利
703第20卷第4期 草业学报2011年
用着丝点断裂与融合诱发易位、通过组织培养诱发易
图3 犛犆犃犚标记在柱穗山羊草、“中国春”-杀配子染色体
2犆二体附加系、二倍体长穗偃麦草、“中国春”-长穗
偃麦草7犈二体附加系中的扩增结果
犉犻犵.3 犜犺犲犪犿狆犾犻犳犻犮犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊狅犳犛犆犃犚狆狉犻犿犲狉狊犻狀
犃.犮狔犾犻狀犱狉犻犮犪,犆犛2犆犱犻狊狅犿犻犮犪犱犱犻狋犻狅狀犾犻狀犲,
犜犺犻狀狅狆狔狉狌犿犲犾狅狀犵犪狋狌犿 (2犡),犆犛7犈
犱犻狊狅犿犻犮犪犱犱犻狋犻狅狀犾犻狀犲
1:柱穗山羊草犃.犮狔犾犻狀犱狉犻犮犪;2:“中国春”-杀配子染色体2C二体
附加 系 CS2Cdisomicadditionline;3:“中 国 春”CS;4:Marker
DL2000;5:二倍体长穗偃麦草犜.犲犾狅狀犵犪狋狌犿(2X);6:“中国春”-长穗
偃麦草7E二体附加系CS7Edisomicadditionline
位[15]、利用杀配子染色体诱导易位等,其中利用杀配
子染色体诱导易位的频率要高于其他方法。但由于缺
乏有效的检测技术,而限制了这些材料的进一步研究
利用。因此,进一步探索和发展快速、有效的检测技
术,对进一步推动远缘杂交和染色体工程育种,对小麦
种质资源的创造与鉴定,具有十分重要的理论与实践
意义。
RAPD技术由于经济、简单、快速、易于操作等特
点,成为基因标记与定位的重要方法之一。郭长虹
等[16]利用RAPD标记对杀配子染色体进行了初步的
筛选和鉴定,获得了 OPF141300与 OPQ09800、OPF
141160与OPQ09770、OPF141280等RAPD标记,可以用
于快速跟踪鉴定3C、Gcl、2C杀配子染色体。但由于
RAPD标记对试验条件敏感,可重复性较差等原因,
限制了该标记在杀配子染色体 2C 检测中的应
用[17,18]。如果将 RAPD 标记转化为 SCAR 标记,
则可以使鉴定的结果更加稳定、可靠。已有许多研究
图4 犛犆犃犚标记在犉1、犉2 中的扩增结果
犉犻犵.4 犜犺犲犪犿狆犾犻犳犻犮犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊狅犳犛犆犃犚狆狉犻犿犲狉狊犻狀犉1犪狀犱犉2狆狉狅犵犲狀犻犲狊
1:普通小麦-“中国春”CommonwheatCS;2~12:“中国春”-长穗偃麦草7E二体附加系与“中国春”-杀配子染色体2C二体附加系杂交获得
的F1代F1progeniesofCS7EdisomicadditionlinecrossedbyCS2Cdisomicadditionline;13:MarkerDL2000;14~25:F1代自交获得的F2代F2
progeniesselfcrossedbyF1progenies
者进行了这方面的研究工作。许红星等[19]进行了小麦抗白粉病基因犘犿6的RAPD标记和SCAR标记的研究,
成功地将1个RAPD标记S138转化为稳定的SCAR标记SCAR443,并对含不同抗白粉病基因的品种进行了
SCAR分析。Liu等[20]利用RAPD分析克隆到了1个非洲黑麦(犛犲犮犪犾犲犮犲狉犲犪犾犲)基因组特异序列pSaD15940,并
将其转化成了SCAR标记SCAR887。经原位杂交鉴定证明该标记分布在所有黑麦染色体上(端粒部位除外),该
标记可以用于跟踪小麦-黑麦染色体渐渗系。本研究建立了杀配子染色体2C的SCAR标记。用该分子标记鉴
定了“中国春”-杀配子染色体7E二体附加系与“中国春”-长穗偃麦草2C二体附加系的杂种F1、F2 代材料。
该杂交组合F1 代植株的染色体组构型为21Ⅱ+7EⅠ+2CⅠ,所有的材料用SCAR标记检测均表现为阳性。附
803 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.4
加1条2C杀配子染色体的F1 代材料在产生配子时,在不带有杀配子染色体的配子中会发生一定频率的染色体
断裂,雌雄配子在减数分裂的过程中发生了很复杂的行为变化,配子之间的结合类型有很多种,F2 代材料染色体
数从38~46条不等,有的含有杀配子染色体,有的不含有杀配子染色体。用SCAR标记进行检测,可以快速判
定杂种后代材料中是否含有杀配子染色体,如染色体数为42的植株,如果用E组的分子标记进行鉴定为阳性,
而用2C的分子标记鉴定为阴性,就可以初步判断该株系不含有杀配子染色体,且可能为小麦-偃麦草染色体易
位系。其他染色体数的植株,也可以通过E组、C组2种分子标记初步进行染色体组构型的鉴定。
本研究建立的杀配子染色体2C的SCAR标记,在其他的小麦族植物中也有可能有广泛的应用价值。目前,
许多研究者已经利用来自柱穗山羊草的杀配子染色体2C创制小麦与黑麦、大麦、大赖草(犔犲狔犿狌狊狉犪犮犲犿狅狊狌狊)、冰
草属等染色体的易位系。在这些易位系后代鉴定的过程中,如果该SCAR标记在黑麦、大麦、大赖草、冰草等基
因组中不具有同源性或同源性极低,那么利用它就可以快速跟踪鉴定后代中杀配子染色体2C的有无,再结合细
胞学技术,就能快速鉴定后代植株的染色体组型,从而缩短整个鉴定周期,也拓宽了该SCAR标记的应用范围。
另外,还计划利用分带、FISH等技术将该标记在2C染色体上进行定位,为构建杀配子染色体2C的物理图谱奠
定基础。
4 结论
获得了1个山羊草杀配子染色体2C的RAPD标记OPF031496,并将其转化为稳定的SCAR标记SCAR586。
利用该SCAR586标记,可以快速跟踪鉴定小麦与杀配子染色体2C杂交后代中的2C染色体,加快遗传育种
进程。
参考文献:
[1] EndoTR,TsunewakiK.Sterilityofcommonwheatwith犃犲犵犻犾狅狆狊狋狉犻狌狀犮犻犪犾犻狊cytoplasm[J].JournalofHeredity,1975,66:
1318.
[2] EndoTR,YamamotoM,MukaiY.Structuralchangesofryechromosome1RinducedbyaGcchromosome[J].TheJapanese
JournalofGenetics,1994,69:1319.
[3] EndoTR.Gametocidalchromosomesandtheirinductionofchromosomemutationsinwheat[J].TheJapaneseJournalofGe
netics,1990,65:135152.
[4] EndoTR.AlocationofaGcchromosomeof犃犲犵犻犾狅狆狊犮狔犾犻狀犱狉犻犮犪towheathomoeologousgroup2[J].Genes&GeneticSys
tems,1996,71:243246.
[5] MasoudiNejadA,NasudaS,BihoreauMT,犲狋犪犾.Analternativetoradiationhybridmappingforlargescalegenomeanalysis
inbarley[J].MolecularGenetics&Genomics,2005,274:589594.
[6] 刘伟华,郭勇,武军,等.小麦-冰草附加系与小麦-杀配子染色体附加系杂交F1 的细胞学特性[J].作物学报,2007,
33(6):898902.
[7] 刘斌斌,刑家强,龚晓洁,等.不同生态型芦苇生境适应性的遗传差异[J].草业学报,2009,18(5):250255.
[8] 梁慧敏.不同居群狗牙根RAPD分析[J].草业学报,2010,19(1):258262.
[9] 唐祈林,王培,卢艳丽,等.玉蜀黍属物种间遗传关系的RAPD分析[J].草业学报,2009,18(4):154160.
[10] 陈其军,韩玉珍,傅永福,等.大麻性别的RAPD和SCAR分子标记[J].植物生理学报,2001,27(2):173178.
[11] DoyleJJ,DoyleJL.IsolationofplantDNAfromfreshtissue[J].Focus,1990,12:1315.
[12] 乔景波,李集临.小麦-黑麦易位系的诱发与鉴定[J].哈尔滨师范大学自然科学学报,1990,4(11):1215.
[13] 薛秀庄,许喜堂,王祥正.用染色体工程法培育小麦新品种[J].遗传学报,1992,(5):5256.
[14] SearsER.TheTransfertoWheatofInterstitialSegmentsofAlienChromosomesProc.6thInter.WheatGenetSymp[M].
Australia:SydneyUniversityPress,1983:512.
[15] 欧阳俊闻,胡含,庄家骏,等.小麦花粉植株的诱导及其后代的观察[J].中国科学,1973,1(5):7282.
[16] 郭长虹,石锐,王同昌,等.杀配子染色体特异RAPD标记及山羊草属与普通小麦间分子多态性的研究[J].植物研究,
2001,21(3):432436.
[17] MacPhersonJM,EcksteinPE,ScolesGJ,犲狋犪犾.VariabilityoftherandomamplifiedpolymorphicDNAassayamongther
903第20卷第4期 草业学报2011年
malcyclers,andeffectsofprimerandDNAconcentration[J].MolecularandCelularProbes,1993,7(2):289293.
[18] JonesCJ,EdwardsKJ,CastaglioneS,犲狋犪犾.ReproducibilitytestingofRAPD,AFLPandSSRmarkersinplantsbyanet
workofEuropeanlaboratories[J].MolecularBreeding,1997,3(5):381390.
[19] 许红星,刘红彦,李锁平,等.小麦抗白粉病基因犘犿6的RAPD标记和SCAR标记[J].河南农业科学,2004,4:2528.
[20] LiuC,YangZJ,LiGR,犲狋犪犾.IsolationofanewrepetitiveDNAsequencefrom犛犲犮犪犾犲africanumenablestargetingof犛犲犮犪犾犲
chromatininwheatbackground[J].Euphytica,2008,159:249258.
犈狊狋犪犫犾犻狊犺犿犲狀狋狅犳犪犵犪犿犲狋狅犮犻犱犪犾犮犺狉狅犿狅狊狅犿犲2犆狊狆犲犮犻犳犻犮犛犆犃犚犿犪狉犽犲狉
XUGuohui1,GUOChanghong1,YUHongtao1,CHENJing1,CONGWenwen1,ENDOTR2
(1.KeyLaboratoryofMolecularandCytogenetics,HeilongjiangProvince,DepartmentofBiology,Harbin
NormalUniversity,Harbin150025,China;2.LaboratoryofPlantGenetics,Graduate
SchoolofAgriculture,KyotoUniversity,Kyoto6068502,Japan)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Atotalof40decameroligonucleotideswereusedasprimerstoperformrandomamplifiedpolymorphic
DNA(RAPD)analysisoncommonwheatCS(Chinesespring),CS2Cdisomicadditionline,犃犲犵犻犾狅狆狊犮狔犾犻狀
犱狉犻犮犪.Oftheseprimers,onecouldamplifyaspecificDNAfragmentinCS2Cdisomicadditionlineand犃.犮狔
犾犻狀犱狉犻犮犪.ThefragmentOPF031496wasclonedandsequenced;SequencedatasearchinginGenBankshowedthat
thisfragmentwas92% homologoustoaclonedcDNAsequencefrom Barley.Basedonthesequenceof
OPF031496,apairofSCAR (sequencecharacterizedamplifiedregion)primer2CF586,2CR586 wasdesigned.
SCARanalyseswereperformedonCS,CS2Cdisomicadditionline,犃.犮狔犾犻狀犱狉犻犮犪,and犜犺犻狀狅狆狔狉狌犿犲犾狅狀犵犪
狋狌犿 (2X)CS7Edisomicadditionline.TheamplificationresultsofSCARprimershowedthattheSCAR586
markerappearedintheCS2Cdisomicadditionlineand犃.犮狔犾犻狀犱狉犻犮犪butnotinCS,犜.犲犾狅狀犵犪狋狌犿 (2X)CS
7Edisomicadditionline.Furthermore,SCARanalyseswerealsoperformedonF1andF2progeniesbetween
CS2CandCS7Edisomicadditionlines.PCRamplificationresultsshowedthattheSCAR586markerwasinal
oftheF1progeniesbetweenCS2CandCS7EandinsomeoftheF2progenies.TheSCAR586markercanbeused
fordetectingthegametocidalchromosome2Cincommonwheatbackgrounds.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犃犲犵犻犾狅狆狊;gametocidalchromosome;RAPD;SCAR
013 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.4