摘要:以BJ-299、Tx622B、W456、忻粱52和Roma 5個高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]品種的基因組DNA為模板進行PCR擴增以篩選SSR分子標記引物。設計不同的退火溫度和擴增程序,對250對SSR引物進行篩選和反應程序的優化。結果表明,250對SSR引物中有223對引物擴增成功,大部分引物的退火溫度為55~57 ℃,共篩選出125對在耐鹽堿品種BJ-299與鹽堿敏感品種Tx622B間表現出多態性的SSR引物。
關鍵詞:高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench];SSR;PCR;引物篩選
中圖分類號:S514;Q943 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2012)17-3869-03
The Screening of SSR Markers for Sorghum bicolor and Optimization of the PCR Procedure
HAN Yun,GAO Jian-ming,SUN Shou-jun,PEI Zhong-you,LUO Feng
(Department of Agronomy, Tianjin Agricultural College,Tianjin 300384, China)
Abstract: Genomic DNA of 5 Sorghum bicolor varieties, BJ-299, Tx622B, W456, Xinliang 52 and Roma, were used as template for screening SSR primers. By adjusting the annealing temperature and amplification procedure, 223 out of 250 pairs of primers were successfully amplified, of which the annealing temperature was mostly 55~57 ℃. 125 SSR markers showed polymorphism between saline alkali resistant variety BJ-299 and saline alkali sensitive variety Tx622B.
Key words: Sorghum bicolor (L.) Moench; SSR; PCR; primer screening
近年來,分子標記技術已被廣泛應用于動植物基因組和遺傳育種等的研究,成為現代分子生物學和遺傳學發展的主流[1]。其中SSR標記技術具有易于操作、技術簡便、重復性和穩定性好等特點,目前在玉米、水稻、大豆和小麥等作物的遺傳連鎖圖譜構建[2-5]、品種鑒定[6]、種子純度檢測[7]、基因定位[8-11]、遺傳差異和多樣性研究[12-16]等方面得到了廣泛應用。高粱[Sorghum bicolor (L.) Moench]是世界上第五大禾谷類作物[17],可作為糧食作物及動物飼料。SSR分子標記在高粱的遺傳育種等研究中已有廣泛的應用[18,19]。Li等[20]已經在高粱10條染色體上物理定位了1 692個SSR標記;Menz等[21]通過物理定位和遺傳定位在高粱的10條染色體上定位了202個SSR標記,這些SSR標記為高粱的遺傳改良研究奠定了基礎。然而這些已報道的SSR的PCR反應條件不一樣,因此有必要建立高效通用的SSR反應體系,以提高分析效率。本研究對高粱SSR-PCR反應條件進行優化并進行了SSR引物的篩選,以期為高粱種質資源遺傳結構分析和重要農藝性狀的QTL定位奠定基礎。
1 材料與方法
1.1 材料
實驗選用3個甜高粱品種W456、Roma和BJ-299(耐鹽堿品種)、1個粒用高粱品種忻粱52及1個保持系Tx622B(鹽堿敏感品種),均由天津農學院作物遺傳育種重點實驗室提供。2009年將這些高粱種植于天津農學院實驗田,在植株拔節期前后取各單株葉片,液氮速凍后保存于-80 ℃超低溫冰箱中備用。
1.2 實驗方法
1.2.1 基因組DNA的提取 采用改良的CTAB法從高粱葉片中提取基因組DNA[22],使用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測所提DNA的數量與質量,將濃度調整一致后于-20 ℃貯存備用。
1.2.2 SSR引物的選擇 采用Premier 5軟件對已報道的SSR引物的退火溫度等參數進行計算,首先保留退火溫度為55~65 ℃、GC含量為40%~60%和目標片段長度不小于120 bp的引物,然后在保證遺傳距離比較均勻的前提下,選擇等位基因數目多、其他參數較優的引物,共挑選了250對引物用于本實驗,其染色體分布及平均物理距離列于表1。引物序列由生工生物工程(上海)有限公司合成。PCR反應體系為15 μL,包括5 ng/μL的DNA模板4 μL、5 U/μL Taq酶 0.1 μL、10×PCR Buffer 1.5 μL、0.75 μmol/L正反向引物各6 μL、10 mmol/μL dNTPs 0.3 μL、超純水3.1 μL。
1.2.3 PCR反應程序的優化 由于在進行SSR-PCR擴增時,退火溫度(Tm)和擴增程序對結果有較大影響,本研究的優化主要針對這兩個因素進行。退火溫度設55、57、59、61 ℃ 4個梯度,具體根據已報道的引物退火溫度進行設置??偨Y已報道的PCR反應條件,設計了2個反應程序:①94 ℃預變性4 min;94 ℃變性1 min,Tm退火30 s,72 ℃延伸1 min,35個循環;72℃延伸6 min。②94 ℃預變性4 min;94 ℃變性30 s,Tm退火1 min,72 ℃延伸1 min,35個循環;72 ℃延伸6 min。首先采用程序①,以BJ-299和Tx622B的基因組DNA為模板進行擴增,使用2.5%瓊脂糖凝膠電泳篩選出條帶清晰、穩定、單一、明亮的引物,結果不好的引物采用程序②擴增,如有需要再進行個別優化,并對該篩選出的最佳體系進行穩定性檢測。然后使用優化后的SSR-PCR反應程序,以5個高粱品種的基因組DNA作為模板進行擴增,采用瓊脂糖凝膠電泳檢測擴增產物。參照Bassam等[23],采用6%變性聚丙烯酰胺變性凝膠電泳對耐鹽堿品種BJ-299和鹽敏感品種Tx622B的擴增產物進行分離檢測,在愛普生凝膠掃描儀上進行掃描并保存圖像。
2 結果與分析
2.1 SSR-PCR反應程序的建立
以BJ-299和Tx622B的基因組DNA為模板,采用程序①對250對引物進行擴增,擴增產物經2.5%瓊脂糖凝膠電泳,共篩選出218對引物,其擴增產物條帶清晰、穩定、單一、明亮(圖1),占總擴增引物的87.2%。退火溫度在55~57 ℃時,大多數引物的擴增效果較好;當退火溫度超過60 ℃時,大多數引物的擴增條帶明顯變弱。
采用程序②擴增程序①未擴增成功的32對引物,結果有3對引物擴增出條帶清晰、穩定、單一的產物,占總引物的1.2%,且當退火溫度在55~57 ℃時,3對引物均可以得到較好的擴增效果(圖2)。對于程序①和程序②都沒有擴增成功的引物,采用提高模板濃度以及降低退火溫度等措施繼續優化,結果只有2對引物優化成功,其余引物則不再進行優化。通過優化反應條件共初步篩選出223對引物,占總引物數的89.2%。
2.2 SSR-PCR反應體系的驗證及多態引物篩選
以5個品種的基因組DNA為模板,對初篩得到的223對SSR引物及優化后的PCR擴增程序進行驗證,使用瓊脂糖凝膠電泳檢測擴增產物(圖3),同時用聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測耐鹽堿品種BJ-299和鹽敏感品種Tx622B的擴增產物(圖4)。結果表明,所有引物均產生了清晰的擴增條帶,且大多數引物無雜帶或拖帶現象,可見共有223對引物的PCR反應體系優化成功。此外,瓊脂糖凝膠電泳和聚丙烯酰胺凝膠電泳分析表明,223對引物中有125對在耐鹽堿品種BJ-299與鹽堿敏感品種Tx622B間表現多態性,多態率為56.05%,多態性引物在高粱染色體上的分布及平均物理距離見表1。
3 小結與討論
本實驗通過優化PCR反應的退火溫度和反應程序,獲得了223對能在5個高粱品種中穩定擴增的引物,還有27對引物未能擴增成功,可能是反應體系、擴增程序還需進一步優化,也有可能是引物本身質量不高或引物序列合成錯誤,有待于進一步研究。
實驗初步篩選出的223對引物的在高粱染色體上的平均物理距離為2.91 Mb,最大為3.15 Mb,最小為2.60 Mb。共發現125對引物在耐鹽堿品種BJ-299與鹽堿敏感品種Tx622B間具有多態性,其平均物理距離為5.40 Mb,最大為9.35 Mb,最小為3.36 Mb。這些引物可作為該高粱群體耐鹽QTL分析的SSR標記[24],為開展分子標記輔助選擇高產耐鹽品系提供參考。
參考文獻:
[1] POEHLMAN J M. Breeding sorghum and millet[A]. POEHLMAN J M. Breeding Field Crops[M]. Ames,Iowa:Iowa State University Press,1994.508-541.
[2] 李明瑩,鄒劍秋,徐秀明. 高粱SSR分子標記反應體系的建立和優化[J]. 雜糧作物,2007,27(5):331-335.
[3] 鄭用璉,李建生,嚴建兵,等. 玉米F2群體分子標記偏分離的遺傳分析[J]. 遺傳學報,2003,30(10):913-918.
[4] 張啟軍,葉少平,虞德容,等. 六張水稻遺傳連鎖圖譜的比較分析[J]. 西南農業學報,2005,18(5):584-592.
[5] HAYDEN M J, SHARP P J. Targeted development of informative microsatellite (SSR) markers[J]. Nucleic Acids Research,2001,29(8):e44.
[6] SILBERSTEIN L, KOVALSKI I, BROTMAN Y, et al. Linkage map of Cucumis melo including phenotypic traits and sequence-characterized genes[J]. Genome,2003,46(5):761-773.
[7] 許占友,邱麗娟,常汝鎮,等. 利用SSR標記鑒定大豆種質[J]. 中國農業科學,1999,32(S1):40-48.
[8] 武耀廷,張天真,郭旺珍,等. 陸地棉品種SSR標記的多態性及用于雜交種純度檢測的研究[J]. 棉花學報,2001,13(3):131-133.
[9] LI J Z, HE P, ZHENG X W,et al. Identification and interaction analysis of six agronomic trait loci of rice based on a recombinant inbred population[J]. Acta Botanica Sinica, 1999, 41(11):1199-1203.
[10] HU Y K, XIN Z Y. RAPD and SSR markers linked to powdery mildew resistance gene in Triticum durum-Aegilops squarrosa amphidiploid M53[J]. Acta Agronomics Sinica,2001, 7(4):415-419.
[11] 劉華清,吳為人,段遠霖,等. 水稻小穗特征基因FZP的圖位克?。郏剩荩?遺傳學報,2003,30(9):811-816.
[12] 嚴長杰,徐辰武,裔傳燈,等. 利用SSR標記定位水稻糊化溫度的QTLs[J]. 遺傳學報, 2001,28(11):1006-1011.
[13] 邱福林,莊杰云,華澤田,等. 北方雜交粳稻骨干親本遺傳差異的SSR標記檢測[J]. 中國水稻科學,2005,19(2):101-104.
[14] EBANA K, KOJIMA Y, FUKUOKA S, et al. Development of mini core collection of Japanese rice landrace[J]. Breeding Science, 2008,58(3):281-291.
[15] MCCOUCH S R, LU H, RUTGER J N, et al. Population structure and breeding patterns of 145 US rice cultivars based on SSR marker analysis[J]. Crop Science,2005,45(1):66-76.
[16] 高睦槍,劉冬成,郭小麗,等. 我國部分冬小麥新品種(系)SSR標記遺傳差異的研究[J]. 農業生物技術學報,2001,9(1):49-54.
[17] GIARROCCO L E, MARASSI M A, SALERNO G L. Assessment of the genetic diversity in Argentine rice cultivars with SSR markers[J]. Crop Science, 2007,47(2):853-858.
[18] KONG L,DONG J, HART G. Characteristics, linkage-map positions, and allelic differentiation of Sorghum bicolor (L.) Moench DNA simple-sequence repeats(SSRs)[J]. Theor Appl Genet, 2000,101(3):438-448.
[19] SCHLOSS S J, MITCHELL S E, WHITE G M, et al. Characterization of RFLP probe sequences for gene discovery and SSR development in Sorghum bicolor (L.) Moench[J]. Theor Appl Genet, 2002,105(6):912-920.
[20] LI M L,NANA YUYAMA, LE LUO, et al. In silico mapping of 1 758 new SSR markers developed from public genomic sequences for sorghum[J]. Molecular Breeding,2009,24(1):41-47.
[21] MENZ M,KLEIN R,MULLET J,et al. A high-density genetic map of Sorghum bicolor (L.) Moench based on 2 926 AFLP, RFLP and SSR markers[J]. Plant Molecular Biology,2002, 48(5-6):483-499.
[22] DOYLE J J,DOYLE J L. Isolation of plant DNA from fresh tissue[J]. Focus,1990,12(1):13-15.
[23] BASSAM B J, CAETANO-ANOLL?魪S G, GRESSHOFF P M. Fast and sensitive silver staining of DNA in polyacrylamide gels[J]. Analytical Biochemistry,1991,196(1):80-83.
[24] 周延清. DNA分子標記技術在植物研究中的應用[M]. 北京:化學工業出版社,2005.4.