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Transferability analysis of EST SSR markers of Castanea mollissima to Castanopsis fargesii

中国板栗EST-SSR分子标记在栲树中的通用性分析



全 文 :广 西 植 物 Guihaia 32(3):293-297                                2012年 5 月  
DOI:10.3969/j.issn.1000-3142.2012.05.002
中国板栗EST-SSR分子标记
在栲树中的通用性分析
李 春1,2,孙 晔1,3*
(1.中国科学院 华南植物园,广州510650;2.中国科学院 研究生院,北京100049;3.中国科学院
华南植物园 植物资源保护与可持续利用重点实验室,广州510650)
摘 要:简单重复序列也称为微卫星分子标记,不仅在同属近缘种间具有良好的通用性,甚至在近缘属间也
具有一定的通用性。本研究利用壳斗科基因组信息数据库中公布的中国板栗124对多态的EST-SSR引物在
栲树中进行跨属(栗属到栲属)通用性研究,结果显示中国板栗EST-SSR引物在栲树中通用性和多态性分别
为42.7%和56.6%;使用19对多态的EST-SSR引物对4个栲树自然居群的遗传多样性进行初步分析,结果
显示栲树自然居群具有较高的遗传多样性(Na=6.105,Ho=0.563,He=0.621)。这些引物为栲树群体遗传
学的深入研究提供了有力工具。
关键词:中国板栗;栲树;EST-SSR;通用性
中图分类号:Q943  文献标识码:A  文章编号:1000-3142(2012)03-0293-05
* Transferabilityanalysis of EST-SSR markers of
Castanea molissimato Castanopsis fargesi
LI Chun1,2,SUN Ye1,3*
(1.South China Botanical Garden,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510650,China;2.Graduate School of
Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Key Laboratory of Plant Resources Conservation and
Sustainable Utilization,South China Botanical Garden,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510650,China)
Abstract:Simple sequence repeats(SSR),also known as microsatelite molecular markers,have been cross-amplified
successfuly in closely related species of the same genus and even across genera within the same family.In the present
study,124primer pairs of polymorphic EST-SSR originaly developed fromCastanea mollissima were cross-amplified
in Castanopsis fargesii.Results indicated that 42.7%of Castanea mollssima EST-SSR primers were successfuly
cross-amplified in Castanopsis fargesii and 56.6% were polymorphic.The genetic diversity of 4populations of C.
fargesii were investigated with polymorphic EST-SSRs,preliminary results showed that C.fargesii possessed high
levels of genetic diversity(Na=6.105,Ho=0.563,He=0.621).These polymorphic EST-SSR primers would pro-
vide a powerful tool for further investigation on population genetics of C.fargesii.
Key words:Castanea mollissima;Castanopsis fargesii;EST-SSR;transferability
  简单重复序列(Simple sequence repeats,SSR)
是一类广泛分布在真核生物基因组的编码区和非编
码区中,由1~6个核苷酸的重复单元组成的串联重
复序列(Morgante &Olivieri,1993),它们被认为是
* 收稿日期:2011-12-28  修回日期:2012-02-26
基金项目:国家自然科学基金(30871959,31170512);中国科学院生命科学领域基础前沿研究专项(KSCX2-EW-J-28);大科学装置工程项目(2009-
LSFGBOWS-01)[Supported by the National Natural Science Foundation of China(30871959,31170512);Knowledge Innovation Program of the Chinese
Academy of Sciences(KSCX2-EW-J-28);Large-Scale Scientific Facilities Research Project(2009-LSFGBOWS-01)]
作者简介:李春(1986-),男(苗),湖南龙山人,硕士研究生,研究方向为保育遗传学,(E-mail)lcharry@qq.com。
*通讯作者:孙晔,男,博士,从事进化植物学研究,(E-mail)sun-ye@scib.ac.cn。
动植物研究中最强大、信息含量最丰富的一种分子
标记,也称为微卫星分子标记(Peakal 等,1998)。
在众多的分子标记中,微卫星分子标记以其多态性
高、共显性遗传、广泛分布、模板DNA需求少等优
点在遗传多样性和遗传作图研究中得以广泛应用
(Estoup等,1995;Gupta & Varshney,2000;Liu
等,2000;Jarne &Lagoda,1996;Powel 等,1996)。
表达序列标签(expressed sequence tags,EST)来源
于某一组织总mRNA所构建的cDNA,是从一个随
机选择的cDNA克隆进行5′端或3′端单一次测序
获得的短的cDNA部分序列,代表一个完整基因的
一小部分(Semagn等,2010)。EST-SSR就是基于
EST序列开发的SSR,与功能基因具有直接或者间
接地联系,因此它与传统的基因组SSR相比,在适
应性进化和关联遗传学分析等方面具有更为广阔的
应用前景(Oetjen & Reusch,2007;Varshney等,
2005;Barbará等,2007)。EST-SSR的侧翼序列比
较保守,因而引物在近缘种间可能具有通用性
(Barbará 等,2007,Zane 等,2002)。杨 彦 伶 等
(2008)研究了杨树SSR标记在柳树中的通用性,包
括EST-SSR标记和基因组标记,通用性分别为54.
2%和10.4%。胥猛等(2008)研究了鹅掌楸EST-
SSR引物的通用性,在同属的中国马褂木和同科不
同属的白玉兰中的通用性分别为85%和54%。使
用近缘种的SSR引物,省略了SSR序列测序和引
物设计过程,具有快捷和经济的特点,在非模式物种
的研究中运用广泛。
壳斗科基因组信息数据库(http://www.fa-
gaceae.org)是美国为恢复受到栗疫病侵害而致濒
的美洲栗种群而建立数据库,公布了大量的壳斗科
植物特别是板栗和橡树的基因组数据信息,目前已
公布中国板栗847 952个EST序列,其中24 655个
含有SSR序列,3 226个已设计PCR引物,其中124
对引物已证实具有多态性。如此大量的EST-SSR
序列为我国壳斗科植物遗传学研究提供大量的分子
标记。中国板栗(Castanea mollissima)属于壳斗科
栗属,栲属和栗属属于姊妹群,具有极密切的亲缘关
系(李建强,1996)。本研究使用该数据库中已证实
具有多态性的124对中国板栗EST-SSR标记,检测
这些标记在栲树(Castanopsis fargesii)中的通用
性,以期为栲树居群遗传学、适应性进化和物种形成
等研究提供有力的工具。
1 材料与方法
1.1材料
本研究所用4个栲树居群均来自江西省(表
1)。每个居群随机选取22-24个个体,每两个个体
间的距离大于25m。采集新鲜嫩叶用变色硅胶保
存,使用改良的CTAB法提取植物基因组总DNA
(Sun等,2010)。
表1 栲树居群信息
Table 1 Samples of Castanopsis fargesii population
居群编号
Code
采样点
Location
纬度(N)
Latitude
经度(E)
Longitude
海拔 (m)
Altitude
个体数
Numbers
LS 庐山 29.522  115.901  239  24
DGS 大岗山 27.585  114.561  345  24
JGS 井冈山 26.533  114.192  528  22
JLS 九连山 24.532  114.462  646  24
1.2EST-SSR引物通用性和多态性分析
从壳斗科基因组数据库(http://www.fagace-
ae.org)下载中国板栗EST-SSR文件包(CCal_v2_
ssrReport),包含了3 226条已经设计引物的EST
序列,124对已证实具有多态性。本实验选取这124
对EST-SSR引物,由上海生物工程有限公司合成,
在栲树居群中扩增并进行多态性分析。PCR扩增
反应体系为10μL,包括:1×Buffer(10mmol/L
Tris-HCl,pH8.3,500 mmol/L KCl,2 mmol/L
MgCl2),200μmol/L dNTP,1.5mmol/L MgCl2,
正反向引物各0.2mmol/L,0.4UTaq DNA聚合
酶(上海申能博彩),约20ng DNA模板。扩增程
序:94℃预变性3min;然后94℃变性45s、50~60
℃(引物退火温度见表2)退火45s、72℃延伸45s,
共35个循环;最后72℃延伸10min。扩增产物使
用6%的变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分离,后进行银
染显色(Sanguinetti等,1994)。先从4个居群中各
取两个个体进行EST-SSR的预筛选实验。经检测
有清晰条带出现,即确认该引物可以在栲树中有效
扩增;如果8个个体扩增出来的条带为单态,将个体
数适当增加,结果仍为单态即确认该引物在栲树中
为单态引物。
1.3栲树遗传多样性分析
引物筛选完成后,选择了19对多态引物进行荧
光标记(表2),对4个栲树居群进行基因分型。在
开展多重荧光标记实验时,为了尽量保证分型的准
确性,我们根据目的片段大小进行有效组合(最好保
492 广 西 植 物                  32卷
表2 19对引物信息
Table 2 Characteristics of 19EST-SSR loci
引物编号
Primer code
引物序列(5′-3′)
Primer sequence(5′-3′)
荧光标记
Labeling dye
Tm Na Ne Ho He FIS
CC7378 CACTCTCTCCGGTCCATGAT  TAMRA  57  4.000  2.043  0.479  0.510  0.068
AATGTGGCGAGTTCGGTAAC
CC704 CATCATGGCACGAACTCATC  HEX  56  3.000  1.066  0.043  0.062  0.321
GAAGCAAGGCATGAGTGACA
CC5223 AGAAAAAGCACTGCCTCCAA  ROX  60  2.000  1.973  0.500  0.493 -0.009
AAGCATCAACCACAACACCA
CC4323 TCGGTACAACTTCTGGGTCC  FAM  60  6.000  3.891  0.691  0.743  0.075
AGCCTCTTCTCCACAACGAA
CC42860 TTGTCCATAGCCAAAGCAAA  HEX  59  5.000  2.023  0.468  0.506  0.080
GGCCATGAACTTAACCCAAA
CC41004 TGCATACATACCAACCCCAG  ROX  60  12.000  7.690  0.681  0.870  0.222*
GGTCTTCTCCTCGCTCCTTT
CC403 GAAGAACTTGTTGAAGGCCG  TAMRA  57  9.000  3.560  0.677  0.719  0.063
CACCATTCCAATTGGTGACA
CC3754 CAAAACCCCAGAAGTCCAGA  ROX  57  10.000  5.507  0.585  0.818  0.290*
GTAGAGGCCACAGAGGCAAG
CC33079 CTCTCCCGAGTCACGAAGAC  ROX  56  4.000  2.211  0.479  0.548  0.131
CGAAACCCTAGGAAGGAAGG
CC29846 GCCAGCAGCAATATCTGTGA  FAM  57  5.000  1.860  0.468  0.462 -0.007
ACTTCTCCAAAAGGCTGCAA
CC 2448 ATTTCCCATGTGCTCAAACC  TAMRA  56  3.000  2.217  0.628  0.549 -0.138
GGCATTGGAGTTCACCTTGT
CC 2091 TTTGCAAAAGATGTGGTGGA  HEX  60  11.000  5.622  0.793  0.822  0.040
TACAAAGCCACCCTATTGGC
CC20303 AGTGGTGGTGTTTCCCAAAG  TAMRA  58  5.000  1.534  0.298  0.348  0.149
AGAAGAGCTTCCTTCCCCTG
CC20223 GGCAATGCAGTGACAAAAGA  ROX  57  7.000  5.151  0.606  0.806  0.253*
AGCACTAGGGGTTTTCCGAT
CC1944 TTCAGAAATCAGAGCAGCGA  HEX  57  9.000  4.454  0.785  0.775 -0.007
TCCACACCAAGAAATCCCTC
CC19322 CAAAAGCCCGAATGGTATAGA  ROX  55  5.000  2.796  0.710  0.642 -0.100
GTTGGAGAGAAGGAGCGTTG
CC17354 CGAAAGGAGAGCAGGAAATG  ROX  57  4.000  3.132  0.521  0.681  0.239*
TCTCAACGCCTTCCTTTGTT
CC14826 GAAACAACAGGCTCTGCCTC  HEX  57  5.000  2.668  0.641  0.625 -0.020
CTGGGAAAATCCGAACTCAA
CC125 CCGTTCTCCTCACTCCTCAG  TAMRA  54  7.000  5.451  0.649  0.817  0.210*
CCCATTTGGATAAACAACACA
  平均值 Mean value  6.105  3.413  0.563  0.621  0.098
 注:Tm为退火温度;Na为观测等位基因;Ne为有效等位基因;Ho为观测杂合度;He为期望杂合度;FIS为固定指数;*显著偏离哈温
平衡(P<0.05)。下同。
 Note:Tm,anneal temperature;Na,number of aleles;Ne,number of effective aleles;Ho,observed heterozygosity;He,expected heterozy-
gosity;FIS,fixation index;*significantly departed from Hardy-Weinberg(P<0.05).The same below.
证不同荧光的目的片段有50bp的间隔),减少引物
间的相互影响。同时为了避免影子带(Stutter)可能
产生的干扰,所以只选择了这19对带型非常清晰的
引物进行了群体的基因分型。PCR条件同上所述,
PCR产物使用ABI377测序仪电泳分离,内标使用
LIZ500。用 GeneMarker(http://www.softgenet-
ics.com/GeneMarker.html)确定各位点上的等位
基因;用GenAlEx 6(Peakal &Smouse,2006)计算
观测等位基因数(Na)、有效等位基因数(Ne)、观测
杂合度(Ho)、期望杂合度(He);用FSTAT 2.9.3
(Goudet,2001)计算固定指数(FIS),并检测哈迪-
温伯格平衡和连锁不平衡。
5923期         李春等:中国板栗EST-SSR分子标记在栲树中的通用性分析
表3 栲树居群遗传多样性
Table 3 Population genetic diversity
of Castanopsis fargesii
居群编号Code  Na  Ne  Ho  He  FIS
九连山JLS  4.842  3.026  0.498  0.562  0.114
大岗山DGS  4.939  3.094  0.516  0.569 -0.026
井冈山JGS  5.094  3.202  0.541  0.597  0.026
庐山LS  5.257  3.266  0.547  0.603 -0.006
平均 mean  5.033  3.147  0.526  0.583  0.027
2 研究结果
2.1EST-SSR引物的通用性和多态性
引物筛选实验结果表明在124对中国板栗
EST-SSR引物中,有53对能在栲树上扩增出清晰
的条带,其中30对具有多态性,23对为单态引物,
通用性(通用性=有效扩增引物数量÷引物总数×
100%)和多态性(多态性=有效扩增的多态引物数
量÷有效扩增引物数量×100%)分别为42.7%和
56.6%。
2.2栲树物种及居群遗传多样性
19个位点共检测到116个等位基因,每个位点
上等位基因数目为2~12个,平均6.105;有效等位
基因数(Ne)为1.066~7.690,平均3.413;观测杂
合度(Ho)为0.043~0.793,平均0.563;期望杂合
度(He)为0.062~0.870,平均0.621;使用Bonfer-
roni校正后,有5个位点显著偏离哈迪-温伯格平衡
(P<0.05),但未检测到连锁不平衡现象(Rice,
1989)(表2)。
4个居群的等位基因数(Na)为4.842~5.257,
平均5.033;有效等位基因数(Ne)为 3.026~
3.266,平均3.147;平均观测杂合度(Ho)为0.526,
平均期望杂合度(He)为0.583。观测杂合度(Ho)
庐山居群最高,九连山居群最小;固定指数(FIS)大
岗山居群最小,九连山居群最高;4个居群均符合哈
迪-温伯格平衡(表3)。
3 结论与讨论
SSR标记的引物常在属内种间、以及亲缘关系
较近的属间具有保守性,这一特点使得SSR标记可
以在种间,甚至是属间可转移使用(Peakal 等,
1998)。与传统引物开发方法相比,SSR引物在近
缘种属间的可转移性应用大大地降低了SSR引物
的开发成本。Barbará等(2007)统计了1997~2006
年发表在 Molecular Ecology和 Molecular Ecology
Notes等期刊上有关SSR引物的64篇文章,结果显
示引物在种间通用性的高低与2个物种亲缘关系远
近具有相关性,亲缘关系越近,引物的通用性越高。
Ueno等(2009)研究了栲属植物Castanopsis siebol-
dii的16对EST-SSR引物在水青冈属(Fagus)、柯
属(Lithocarpus)、栗属(Castanea)和栎属(Quercus)
4属8个种中的通用性,结果在37.5%~87.5%之
间。本研究和上述研究结果接近。124对中国板栗
引物中筛选得到53对(42.7%)引物能在栲树上有
效扩增,其中30对(55.6%)具有多态性。
徐立安等(2001)利用核基因组SSR研究了福
建省4个栲树居群的遗传多样性,Na=9,Ho=
0.69,He=0.65。本研究利用19个EST-SSR标记
揭示栲树具有较高的遗传多样性。在江西省的4个
栲树居群中,Na=6.105,Ho=0.563,He=0.621。
与徐立安等(2001)的研究结果相比,本研究中EST-
SSR揭示的遗传多样性相对偏低。EST是基因转
录序列,因受到功能的约束而具有较强的保守性。
已有研究证实在一些木本树种如杨树和欧洲板栗中
EST-SSR多态性较Genomic-SSR偏低(宋跃朋等,
2010;Martin等,2010)。更有证据表明 EST-SSR
具有功能上的重要性(Li等,2004;Roorkiwal &
Sharmal,2011)。
19个EST-SSR位点中有5个位点偏离哈温平
衡。经FreeNA(Chapuis &Estoup 2007)检测,这
5个位点的零等位基因频率偏高(数据未显示),因
此可能是零等位基因频率偏高或者样本量偏少导致
这些位点偏离了哈温平衡。
近年来,随着测序技术的发展及费用的降低,各
个数据库公布的EST序列呈爆炸式增长。壳斗科
植物基因组信息数据库公布的大量EST序列,为壳
斗科植物的分子生物学研究提供了宝贵的资源。栲
树是我国亚热带常绿阔叶林的建群种,广泛分布于
我国长江以南各地,具有重要的经济与生态价值。
我国栲树遗传多样性的研究有利于对栲树生物资源
保护和合理的开发利用提供科学依据。本研究获得
的30对多态的EST-SSR引物不仅为栲树居群遗传
学研究提供了有力的工具,另外,由于EST-SSR是
与功能基因直接或者间接相关的,本研究筛选得到
的EST-SSR引物为栲树的适应性进化和物种形成
692 广 西 植 物                  32卷
研究提供了合适的工具。
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