馬鈴薯全基因組LTR反轉錄轉座子分析

摘要：采用LTR-FINDER軟件對馬鈴薯（Solanum tuberosum）全基因組中的LTR反轉錄轉座子進行分析，共發現4 725個全長LTR反轉錄轉座子，平均長度約7 393 bp，其中反轉錄轉座子的LTR平均長度為786 bp，全長LTR反轉錄轉座子總堿基數約占馬鈴薯全基因組堿基數的4.95%。系統發育分析結果顯示馬鈴薯LTR反轉錄轉座子具有較高的遺傳多樣性和異質性。

關鍵詞：LTR反轉錄轉座子；馬鈴薯（Solanum tuberosum）；基因組；系統發育樹

中圖分類號：S532 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）17-4235-03

Analysis on LTR Retrotransposons in Potato Genome

LI Zhi-fei1，LI Wei-tao2，YA Hui-yuan1

（1. Life Science Department， Luoyang Normal University， Luoyang 471022，Henan，China；

2.Henan Key Lab of Ion Beam Bioengineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450052，China）

Abstract： LTR retrotransposons in potato（Solanum tuberosum） genome were analyzed by LTR-FINDER software. Results showed that there were 4 725 full-length LTR retrotransposons with average length of 7 393 bp， accounting for about 4.95% of potato genome bases. The length of LTR in LTR retrotransposons was 786 bp. Phylogenetic tree showed that LTR retrotransposons of potato had high genetic diversity and high heterogeneity.

Key words： LTR retrotransposons； potato（Solanum tuberosum）； genome； phylogenetic tree

收稿日期：2012-11-09

基金項目：國家自然科學基金項目（30800204）

作者簡介：李智菲（1989-），女，河南商丘人，（電話）15527824736（電子信箱）zhifeili@whu.edu.cn；通訊作者，押輝遠（1977-），男，河南禹州人，

副教授，博士，主要從事分子遺傳學與生物物理學研究，（電子信箱）yahuiyuan@yahoo.com.cn。

馬鈴薯（Solanum tuberosum）為茄科茄屬一年生草本植物，是世界第四大糧食作物，它營養全面、適應性廣、用途多、產業鏈長，是全球重要的糧食作物，也是農業生產中加工產品最豐富的原料作物[1]。遺傳多樣性是生物多樣性研究的核心問題之一，在一定程度上決定了物種的分布以及數量多樣性[2]。對馬鈴薯的遺傳多樣性進行研究有助于認識馬鈴薯的進化過程或適應機理，以及馬鈴薯種群的地理分布格局、數量增長、優良品種選育、資源鑒別和利用以及病害檢測和防治等方面的問題。目前分子標記技術作為研究植物遺傳多樣性、作物品種純度鑒定、種質資源分類、遺傳圖譜構建等方面的重要方法已經得到廣泛應用[3-5]。

植物基因組中反轉錄轉座子的大小隨植物種類的不同和反轉錄轉座子類群的差異而變化很大，具有高拷貝數、高異質性和廣泛存在于植物基因組中等特點[6]。大量證據表明反轉錄轉座子是植物基因組進化和物種多樣性形成的主要來源，因此成為研究基因克隆、基因表達及其功能、生物多樣性以及生物進化機制研究的重要工具[7]。IRAP（Inter- retrotransposon amplified polymorphism，逆轉錄轉座子插入位點間擴增多態性）和REMAP（Retrotransposon-microsatellite amplified polymorphism，逆轉錄轉座子微衛星擴增多態性）[8]均是基于反轉錄轉座子的分子標記方法，已在茄科作物的遺傳多樣性研究領域得到應用，其中REMAP是根據反轉錄轉座子兩端的LTR保守序列和微衛星序列設計引物，檢測反轉錄轉座子與簡單重復序列之間的多態性，IRAP是一種檢測反轉錄轉座子插入位點間多態性的分子標記[8，9]。反轉錄轉座子兩側翼具有長末端重復序列（Long terminal repeat，LTR），其長度從100 bp到5 kb不等，以RNA為中間體通過復制—粘貼的模式進行復制[6]，在植物中拷貝數多，且散布于各染色體，非常利于分子標記的開發[10]。本研究利用LTR反轉錄轉座子快速檢索軟件LTR-FINDER分析馬鈴薯基因組中LTR反轉錄轉座子成分，為利用IRAP和REMAP分子標記研究馬鈴薯遺傳多樣性奠定基礎，為進一步開展馬鈴薯品種鑒定和遺傳多樣性分析提供借鑒。

1 研究方法和數據來源

1.1 馬鈴薯LTR反轉錄轉座子分析

本研究所用馬鈴薯基因組序列均引自NCBI數據庫中上傳的采用鳥槍法測定的馬鈴薯全基因組序列（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/347326461？ report=fasta），共包括705 779 115個堿基。根據LTR反轉錄轉座子的一些基本特征運用LTR-FINDER軟件（http：//tlife.fudan.edu.cn/ltr_finder/）進行馬鈴薯基因組的LTR反轉錄轉座子含量分析，計算LTR反轉錄轉座子平均長度、頻數和轉座子序列在基因組中的比例，LTR-FINDER軟件的參數均為默認值。

1.2 聚類分析

從發現的馬鈴薯反轉錄轉座子中隨機挑取446個，并以煙草（Nicotiana tabacum）的4個反轉錄轉座子作為外參，利用軟件DNAMAN 6.0對其進行聚類分析，構建系統發育樹。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯基因組LTR反轉錄轉座子分析

采用LTR-FINDER軟件，對獲得的數據進行整理計算，發現馬鈴薯全基因組中共含有4 725個LTR反轉錄轉座子，長1 239～54 777 bp，平均長度為7 393 bp，頻數為149 371，其中LTR長100～3 498 bp，平均長度為786 bp，LTR反轉錄轉座子的總堿基數占馬鈴薯全基因組堿基數的4.95%。為了能更好地了解馬鈴薯基因組上反轉錄轉座子的含量，將數據與其他物種[11]進行比較，結果見表1。從表1可以看出，馬鈴薯基因組中LTR反轉錄轉座子含量雖然達到了4.95%，但相對于禾本科植物來說，含量還是相對較低的。

2.2 反轉錄轉座子系統進化樹

從馬鈴薯基因組LTR反轉錄轉座子序列中隨機挑取446個，并從NCBI數據庫中下載4個煙草反轉錄轉座子序列，轉座子名稱分別是Tnt1（EU048874.1）、Tnt2（EF437960）、Tto1（D83003.1），Tnd1（AF059674.1），先采用DNAMAN 6.0軟件對煙草反轉錄轉座子序列進行聚類分析，結果見圖1，從圖1可以看出，煙草的這4個反轉錄轉座子聚為3類，其中Tto1和Tnt2的遺傳距離較近，聚為1類，另外兩個反轉錄轉座子各自單獨聚為1類。

圖2為以煙草反轉錄轉座子為外參構建的馬鈴薯LTR反轉錄轉座子系統發育樹。從圖2可以看出，446個馬鈴薯反轉錄轉座子具有較高的異質性，聚為多個類群，且4個煙草反轉錄轉座子也分別屬于不同的類群，這表明馬鈴薯的LTR反轉錄轉座子具有較高的遺傳多樣性，可能是在進化過程中發生突變引起的。

3 小結與討論

遺傳多樣性和系統發育研究可為有效利用和保護現有栽培植物種質資源及其野生種提供理論依據。反轉錄轉座子廣泛分布于生物基因組中，具有豐富的多態性，在植物基因組進化中起著重要作用[12，13]。基于反轉錄轉座子發展起來的REMAP和IRAP等分子標記技術可用于系統進化及生物多樣性的分析、種質資源的分類演化、植物基因組分析、遺傳圖譜的構建、基因的分離測序、作物品種及純度的鑒定、雜交育種等方面[7，8]。

據文獻報道，水稻、玉米和小麥中LTR反轉錄轉座子的含量分別為18%，50%～80%和90%[11]，LTR反轉錄轉座子在植物基因組中拷貝數多。本研究發現馬鈴薯基因組中LTR反轉錄轉座子的總堿基數占全基因組堿基數的4.95%，說明馬鈴薯基因組中的LTR反轉錄轉座子含量比較豐富。另外，本研究只針對基因組上的全長LTR反轉錄轉座子進行了分析，而實際上反轉錄轉座子在進化過程中會大片段地缺失從而形成非全長的LTR反轉錄轉座子，如片段LTRs、solo LTRs等[14]，因此，馬鈴薯基因組中LTR反轉錄轉座子的含量很可能高于4.95%。

本研究從篩選的4 725個馬鈴薯LTR反轉錄轉座子中隨機挑取了446個，以4個研究較多的煙草反轉錄轉座子作為外參構建系統發育樹，結果顯示馬鈴薯LTR反轉錄轉座子具有較高的多態性和異質性，這為研究馬鈴薯種質資源和品種間的親緣關系、構建遺傳圖譜提供了很好的參考。此外系統發育樹顯示馬鈴薯基因組中存在與4個煙草反轉錄轉座子相似的序列，對煙草的這幾個反轉錄轉座子的研究豐富，資料詳盡，可以為馬鈴薯的反轉錄轉座子相關研究提供參考。

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（責任編輯 向 闈）