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Comparison of SRAP and SSR markers for hybrid identification of switchgrass (Panicum virgatum)

SRAP与SSR分子标记在柳枝稷杂种鉴定中的比较分析



全 文 :书犛犚犃犘与犛犛犚分子标记在柳枝稷
杂种鉴定中的比较分析
张婧1,黄琳凯1,ZHAOBingyu2,张新全1,严海东1,蒋晓阳1
(1.四川农业大学草业科学系,四川 雅安625014;2.弗吉尼亚理工大学,美国 弗吉尼亚州VA24061)
摘要:利用SRAP标记和SSR标记对柳枝稷杂交种进行鉴定,比较2种标记在柳枝稷杂种鉴定方面的效率和准确
性,为柳枝稷乃至异花授粉多倍体植物的杂种真实性鉴定提供科学依据。分别利用SRAP与SSR标记技术对柳枝
稷165个杂交种单株和亲本 DNA进行扩增,分析杂交种与亲本扩增的多态性条带数,并鉴别真假杂交种。与
SRAP标记相比,共显性的SSR标记具有高效性,本研究中仅用1对SSR引物就鉴别了所有杂交后代的真实性,多
态性条带比率为100%。而显性SRAP标记用了6对才能鉴别所有杂交后代的真实性,多态性条带比率为40%,
相对较低。
关键词:柳枝稷;SRAP;SSR;杂种鉴定
中图分类号:Q943  文献标识码:A  文章编号:10045759(2012)05012806
  柳枝稷 (犘犪狀犻犮狌犿狏犻狉犵犪狋狌犿)是一种高大的多年生草本C4 植物,具有适应性广、生物质产量高和对环境友好
等优点,在生态改良和新能源开发方面潜力巨大[1]。开发清洁可再生的生物质能源意义深远,美国能源部将柳枝
稷作为纤维素类能源植物中的模式植物,而我国对柳枝稷的应用和研究尚处于起步阶段,选育适合我国栽培的柳
枝稷品种可加快能源植物产业的发展。
品种选育和改良可有效提高其能量转化率和经济效益,而分子育种可大大加快柳枝稷的育种进程。杂种鉴
定是遗传育种的基础工作之一,鉴定出的真杂种可为杂交育种和遗传图谱构建等提供重要依据。柳枝稷是异花
授粉多倍体植物[2],在杂交过程中由于隔离不严或者具有一定的自交率等原因,不同来源花粉可导致种子生物学
混杂,因此对杂交后代的真实性鉴定十分必要。分子标记技术由于具有快速简便,可以实现高通量等优点,被广
泛应用于各种植物的杂种鉴定和杂种纯度分析工作中,如柚(犆犻狋狉狌狊犿犪狓犻犿犪)[3],辣椒(犆犪狆狊犻犮狌犿犪狀狀狌狌犿)[4],
枣(犣犻狕犻狆犺狌狊犼狌犼狌犫犪)[5]等。其中简单重复序列(simplesequencerepeat,SSR)标记技术具有共显性、结果可靠、
重复性好的特点,在杂种鉴定,遗传多样性研究,遗传图谱构建等方面应用广泛[69]。表达序列标签(expressed
sequencetags,ESTs)的发展促进了SSR的应用,并且快速增长的ESTs数据已成为SSR标记的重要开发来源。
与基因组SSR相比,EST-SSR的开发不需要构建DNA文库及克隆测序等步骤,更为节省成本和时间[10]。
2001年美国加州大学 Li和 Quiros[11]发明了相关序列扩增多态性(sequencerelatedamplifiedpolymorphism,
SRAP)技术,是一种新型的基于PCR的随机引物标记系统。SRAP属于显性标记,具有多态性高,操作简便等优
势,已经被广泛运用于遗传多样性分析和杂种鉴定工作中,如多花黑麦草(犔狅犾犻狌犿犿狌犾狋犻犳犾狅狉狌犿)[12]、结缕草
(犣狅狔狊犻犪犼犪狆狅狀犻犮犪)[13]、紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)[14]、柱花草(犛狋狔犾狅狊犪狀狋犺犲狊犵狌犻犪狀犲狀狊犻狊)[15]等植物。但是这2种
分子标记在柳枝稷杂种鉴定中的比较分析,尚未见报道。
本研究分别利用SRAP和SSR标记技术对柳枝稷165个杂交后代进行杂种真实性鉴定,分析显性标记
SRAP与共显性标记SSR在杂种鉴定中的扩增多态性以及鉴定准确性和效率,为应用分子标记技术快速鉴定柳
枝稷乃至异花授粉多倍体植物的杂种真实性提供依据,且鉴定得到的真杂种可以用于构建柳枝稷遗传图谱、重要
性状的QTL定位等研究。
128-133
2012年10月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第21卷 第5期
Vol.21,No.5
收稿日期:20111024;改回日期:20111228
基金项目:“十二五”农村领域国家科技计划课题(2012AA10180102)和教育部博士点新教师基金(20115103120004)资助。
作者简介:张婧(1989),女,山西原平人,在读本科。Email:zhangjing1924@163.com
通讯作者。Email:huanglinkai2000@yahoo.com.cn
1 材料与方法
1.1 供试材料
亲本Alamo和Dacotah,以及以Alamo为父本,Dacotah为母本杂交得到的165株F1 植株,编号为DAT1~
DAT165。杂交后代和亲本均盆栽于温室中。其中Alamo属于低地生态型,植株较高大,茎秆粗壮;Dacotah属
于高地生态型,茎秆较细,分枝较多。
1.2 基因组DNA提取
本实验于2010年4月进行。以柳枝稷幼叶为材料,采用植物基因组DNA提取试剂盒(天根公司)提取
DNA。提取的DNA用0.8%的琼脂糖凝胶电泳进行纯度的检测。将DNA样品置于-20℃冰箱保存。待开始
实验时,将各个DNA样品取出一部分稀释至20ng/μL,放于4℃冰箱保存并备用。
1.3 SRAP分析
SRAP标记引物序列见Li和Quiros[11]的报道。SRAP标记共有上游引物12条,下游引物19条,两两组合
为228对引物。用亲本Alamo和Dacotah对SRAP引物进行父本特征带的筛选。PCR扩增反应体系为20μL:
DNA2μL(20ng/μL),2×TaqPCRMasterMix(天根公司)10μL,上下游引物各1μL(10μmol/L),灭菌水补
齐20μL。
SRAP-PCR反应程序为:94℃预变性5min;94℃变性1min,35℃复性1min,72℃延伸1min,共5个循
环;94℃变性1min,50℃复性1min,72℃延伸1min,共35个循环;最后72℃延伸10min,-20℃保存[16]。以上
PCR反应在PTC-200PCR(BioRad)仪上进行。最后PCR扩增产物采用2.0%的琼脂糖凝胶进行电泳分离,
0.1mg/mL的溴化乙锭(EB)染色,120V电压(5V/cm)在0.5×TBE缓冲液中电泳约1.5h,电泳结束后凝胶
在凝胶成像系统(BioRad)中照相并保存。
1.4 SSR分析
柳枝稷EST-SSR标记引物序列由Tobias等[17]提供,共30对引物。随机选择2个F1 植株及双亲共4份
材料的DNA对30对EST-SSR引物进行多态性筛选,选择扩增条带清晰、带型稳定,具有父本特征带的引物,
用于杂种鉴定。PCR反应扩增体系20μL:DNA2μL(20ng/μL),2×TaqPCRMasterMix(天根公司)10μL,
上下游引物各1μL(10μmol/L),灭菌水补齐20μL。
EST-SSRPCR反应程序为:94℃预变性5min;94℃变性1min,52℃退火1min,72℃延伸1.5min,共35
个循环;最后72℃延伸10min,4℃保存。最后PCR扩增产物采用1.2%的琼脂糖凝胶进行电泳分离,0.1
mg/mL的溴化乙锭 (EB)染色,120V电压(5V/cm)在0.5×TBE缓冲液中电泳约1.5h,电泳结束后凝胶在凝
胶成像系统(BioRad)中照相并保存。
1.5 杂种鉴定
对于显性标记SRAP分子标记,F1 扩增产物中具有父本特异条带,则可鉴定为真杂种,若仅具有母本特异条
带,则需结合其他引物进行进一步分析;对于共显性标记SSR分子标记,选取具有双亲互补型条带的引物进行分
析,F1 扩增产物中具有父本特异条带,则鉴定为真杂种,反之则为假杂种。
2 结果与分析
2.1 亲本间具有多态性的SRAP引物筛选
对228对引物进行多态性条带的筛选,选出在子代中多态性好,且具有父本特征带的引物组合为:me1+
em7,me2+em16,me2+em5,me3+em12,me7+em13,me10+em19,共6对。所选引物的多态性比率最大
66.66%,最小为33.33%,平均为40.00%。
2.2 具有双亲互补带型的EST-SSR引物筛选
从30对EST-SSR引物中,筛选出11对带型稳定并在杂种及亲本间具有多态性的引物(表1),这些多态性
引物中,primer23,primer79,primer793和primer995具有双亲互补带型,引物的多态性条带比率为100.00%。
所选引物多态性比率最小为50.00%,平均为71.22%。
921第21卷第5期 草业学报2012年
表1 11对犛犛犚引物多态性统计结果
犜犪犫犾犲1 犜犺犲狆狅犾狔犿狅狉狆犺犻狊犿狅犳11狆犪犻狉狊狅犳犛犛犚狆狉犻犿犲狉狊
引物名称
Primername
引物序列(5′3′)
Primersequence(5′3′)
扩增总条带数
Totalnumberofbands
多态性条带数
Numberofpolymorphicbands
多态性比率Percentage
ofpolymorphicbands(%)
Primer23F AGTTTGAGCTTTGTGTTTTTG 4 4 100.00
Primer23R CAACAATTTGGTTTCAACAAG
Primer79F GCAGATCCACACACAACC 4 4 100.00
Primer79R AATTCGAAGACAGGATCTCAG
Primer91F GTCCGAAGAAAAACAAATGAT 2 1 50.00
Primer91R ATAGATCGGGGAGTGGAG
Primer137F TACATGGTGCAAACAGTAGGT 2 1 50.00
Primer137R TAGGGTCCTCTACTCGTTTTT
Primer139F AGTCCCTGAAGAAGATGACC 2 1 50.00
Primer139R GTTGCTGTTGGTCCAGAG
Primer145F CGCTCTACAACCTCATCG 2 1 50.00
Primer145R GTGGTGGTGGTGTTTATTATT
primer157F AAGAAAGAAACGAAAAAGCTC 3 2 66.67
Primer157R CATACAAAACCTGAGGTGAAG
Primer171F ATAGACATGTACGAGGCCAAC 3 2 66.67
Primer171R ATCGTCACGGACGTAGAAC
Primer173F TTCTGCTCGACTGTCCAT 2 1 50.00
Primer173R TACATAGATGCAAAAGGGAAA
Primer793F TGCTCATTATATTGATTGATCC 4 4 100.00
Primer793R CAGCTGCTATACACACACTCA
Primer995F CTCGAGGAGGAGTTCAAGAT 4 4 100.00
Primer995R CAACAACGTTCATCATTCTTC
2.3 杂种真实性鉴定
在用SRAP引物鉴定过程中,引物me1+em7有69个F1 植株的扩增图谱中没有出现父本特征带(表2),继
而使用其余引物逐一鉴定,只要出现父本特征带则判定为真杂种,若仅有母本特征带则利用其他引物进一步分
析。实验中共使用6对引物鉴定了165个F1 植株的真实性,DAT163在所用引物中均未出现父本特征带,不能
确认是否为真杂种。引物me1+em7的扩增图谱见图1。
在用EST-SSR引物鉴定过程中,仅使用1对引物,即primer23,就可以鉴别所有F1 植株的真实性,体现了
共显性标记SSR在杂种鉴定中的高效性。但是应该选择具有双亲互补性条带进行杂种鉴定,如primer23,prim
er79,primer793和primer995,在父本Alamo中扩增带型为ab,在母本Dacotah中扩增带型为cd(primer23扩增
效果见图2)。鉴定结果为DAT163未出现父本特征带,确认其为假杂种,与SRAP鉴定结果基本相同。
2.4 柳枝稷杂种群体的SRAP与SSR标记扩增产物多态性
利用6对SRAP引物对165个F1 植株扩增,共得到20个条带,平均每对引物得到3.3个条带,其中多态性
条带共8条,平均每对引物1.3条多态性条带,多态性条带百分比为40%。因此SRAP在杂交种中检测的多态
性百分比相对较低(表2)。
用SSR引物primer23扩增时,得到4个条带均为多态性条带,属于双亲互补型,多态性条带比率为100%
(表2)。表明SSR标记能够检测出较多的遗传位点,获得多态性高的PCR结果,鉴定效率更高。
031 ACTAPRATACULTURAESINICA(2012) Vol.21,No.5
图1 引物犿犲1+犲犿7对柳枝稷犉1 的犛犚犃犘检测图谱
犉犻犵.1 犛犚犃犘犿犪狉犽犲狉犪犿狆犾犻犳犻犲犱狑犻狋犺狆狉犻犿犲狉犿犲1+犲犿7犻狀狋犺犲犉1狆狅狆狌犾犪狋犻狅狀
A:Alamo;D:Dacotah;其他Others:F1个体F1individuals.下同Thesamebelow.
图2 引物狆狉犻犿犲狉23对柳枝稷杂交种的犛犛犚检测图谱
犉犻犵.2 犛犛犚犳犻狀犵犲狉狆狉犻狀狋犪犿狆犾犻犳犻犲犱狑犻狋犺狆狉犻犿犲狉狆犪犻狉犖狅.狆狉犻犿犲狉23犻狀狊狑犻狋犮犺犵狉犪狊狊犺狔犫狉犻犱狊
3 讨论
就准确性而言,SSR与SRAP标记的鉴定结果相
同,都可用于柳枝稷的杂种鉴定工作,从而提高结果的
准确性。但就鉴定效率而言,SSR分子标记表现出了
很大的优势。SRAP标记是一种显性标记,在对杂种
的真实性进行鉴定时,出现父本特异条带就可以认为
是真杂种,而出现母本特异条带时则不能说明是否为
真杂种。显性标记只能肯定杂种的真实性,不能否定。
同时,用多个引物才可以确定杂交种的真实与否。
SSR是一种共显性标记,本研究中只用1对EST-
SSR引物便鉴定出了165个杂种的真实性,表现出了
EST-SSR在杂种鉴定工作中的高效率。在研究中用
了6对SRAP引物才鉴别出165个F1 植株的杂种真
实性,因此共显性的EST-SSR标记在杂种鉴定工作
中有独特的优势,但要选择在亲本中高度多态的引物,
最好是在亲本间能扩增出4个不同的条带,如引物
primer23。
表2 犛犛犚标记与犛犚犃犘标记鉴定结果
犜犪犫犾犲2 犐犱犲狀狋犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳165犺狔犫狉犻犱狊犫狔
犛犛犚犪狀犱犛犚犃犘犿犪狉犽犲狉狊
引物
Primer
未鉴定出的
杂种数目
Thenumberof
unidentified
hybrids
扩增总条
带数
Total
number
ofbands
多态性
条带数
Numberof
polymorphic
bands
多态性比率
Percentageof
polymorphic
bands
(%)
SSR
primer23 1 4 4 100.00
SRAP
me1+em7 69 3 1 33.33
me2+em5 37 3 2 66.67
me2+em16 24 4 1 25.00
me3+em12 15 4 2 50.00
me7+em13 10 3 1 33.33
me10+em19 1 3 1 33.33
131第21卷第5期 草业学报2012年
  本研究中,SRAP标记扩增条带的多态性比率低于SSR标记。SSR多态性产生主要是由于DNA复制和修
复过程中碱基的滑动、错配或减数分裂过程中姊妹染色单体的不均等交换,故多态性产生的几率较高[18]。SSR
为共显性遗传,每个位点具有多个等位基因,因此SSR标记的期望异质性比显性标记SRAP高。王华忠等[19]利
用SRAP与SSR标记分析不同类型甜菜(犅犲狋犪狏狌犾犵犪狉犻狊)的遗传多样性证实了这一点,在他的研究中,11对
SRAP引物共扩增出199个条带,其中86条具有多态性,多态性带比率为43.7%,而SSR的9对引物共产生35
条扩增带,多态性比率为100%,远远高于SRAP。
EST-SSR不仅具备传统基因组SSR标记的优点,而且开发简单快捷,费用更低;ESTs来自转录区,保守性
高,故其通用性较好;此外EST-SSR可直接和表达基因相关联,发现连锁的分子标记之后,更容易克隆到目标
基因[20]。作为一种新的SSR标记,EST-SSR标记已经在许多植物种类中得到应用,例如葡萄(犞犻狋犻狊狏犻狀犻犳犲狉犪)、
甘蔗(犛犪犮犮犺犪狉狌犿狅犳犳犻犮犻狀犪狉狌犿)、小麦(犜狉犻狋犻犮狌犿犪犲狊狋犻狏狌犿)以及高羊茅(犉犲狊狋狌犮犪犪狉狌狀犱犻狀犪犮犲犪)等物种[10],但在杂
种鉴定中的应用报道较少。
目前报道的杂种鉴定研究多是基于单一分子标记鉴定的结果,本研究同时应用SSR和SRAP标记技术进行
杂种鉴定,鉴定结果比单一标记鉴定的结果更准确、可靠,为应用分子标记技术快速鉴定柳枝稷乃至异花授粉多
倍体植物的杂种真实性提供科学依据,且鉴定出的真杂种可用于柳枝稷遗传图谱的构建及重要性状的QTL定
位,从而为柳枝稷分子标记辅助育种的研究打下重要基础。
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犆狅犿狆犪狉犻狊狅狀狅犳犛犚犃犘犪狀犱犛犛犚犿犪狉犽犲狉狊犳狅狉犺狔犫狉犻犱犻犱犲狀狋犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳狊狑犻狋犮犺犵狉犪狊狊(犘犪狀犻犮狌犿狏犻狉犵犪狋狌犿)
ZHANGJing1,HUANGLinkai1,ZHAOBingyu2,ZHANGXinquan1,
YANHaidong1,JIANGXiaoyang1
(1.DepartmentofGrasslandScience,SichuanAgriculturalUniversity,Ya’an625014,China;
2.VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity,BlacksburgVA24061,America)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Toprovideascientificbasisforhybrididentificationofswitchgrass(犘犪狀犻犮狌犿狏犻狉犵犪狋狌犿)andcross
polinatingplants,wecomparedtheidentificationefficiencyandaccuracyofSRAPandSSRmarkers.Switch
grasshybridindividuals(165)andtheirparentallinesofswitchgrassweretestedbybothmethods.Compared
toSRAPmarkers,thecodominantSSRtechniquewasmoreefficient.OnepairofSSRprimers(primer23)de
tectedalhybridseffectivelyandthepercentageofpolymorphicbandswas100%.SRAPrequiredsixprimersto
identifyhybrids.ThepercentageofpolymorphicbandsofSRAPwas40%lowerthanthatofSSR.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犘犪狀犻犮狌犿狏犻狉犵犪狋狌犿;SRAP;SSR;hy
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《草业科学》2013年征订启事
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《草业科学》1984年创刊,是由中国草学会和兰州大学草地农业科技学院共同主办,面向国内外公开发行的
综合性科技期刊。该刊为“中文核心期刊”、“中国科技核心期刊”和“中国农业核心期刊”,是《中国核心期刊(遴
选)数据库》、中国科学期刊文献数据库、英国CABI、《中国期刊网》、《中国学术期刊(光盘版)》、中国科技期刊数
据库、中文电子期刊服务(CEPS)数据库的固定源期刊,并在中国期刊网、中国科技期刊数据库全文上网。近几
年,《草业科学》相继获得“全国畜牧兽医优秀期刊一等奖”、“全国优秀农业期刊贰等奖”和“甘肃省优秀科技期刊
奖”等荣誉。2011年版科技部中国科技信息所《中国科技期刊引证报告》统计总被引频次和影响因子分别上升为
2497和1.393,分别在全国畜牧、兽医科学类期刊中排名第1位和第2位。
《草业科学》主要报道草业科学领域最新基础研究与技术研发成果和国内外草业科技政策动态,刊登院士、高
层专家、草业政策制定者和执行者对热点问题的分析,为从事草业科研、教学、生产和管理的专家、学者、院校师
生、基层科技推广和政府决策人员提供草业科技、国内外草畜产品信息,为农牧民提供技术与市场咨询参考。本
刊结合草业科学学科发展和科技期刊的定位,目前主要设有专论、前植物生产层、草人诗记、植物生产层、动物生
产层、后生物生产层、基层园地、业界信息等栏目,不仅为高校、科研单位的师生提供交流平台,同时为基层科技人
员的成果交流创造机会。另外,本刊广告服务项目范围为畜牧机械、草种、化学药剂、仪器设备以及科研机构、重
点实验室、高科技农业企业的形象广告等。
《草业科学》为月刊,大16开本,亚芬纸印刷,彩色封面覆膜,国内外公开发行,邮发代号54-51,每期定价12
元,全年144元。全国各地邮局均可订阅,也可直接与编辑部联系订阅
  标准刊号:ISSN10010629 CN621069/S         邮发代号:54-51
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331第21卷第5期 草业学报2012年