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新型分子標(biāo)記——SRAP與TRAP及其應(yīng)用-我的文章庫

 shunlv 2010-12-04
新型分子標(biāo)記——SRAP與TRAP及其應(yīng)用
轉(zhuǎn)貼自:科技長廊 
        傳統(tǒng)作物育種過程主要依賴于植株的表型選擇(phenotypic selection),,性狀選擇效果難以提高。遺傳標(biāo)記特別是基于DNA多態(tài)性的分子標(biāo)記在作物遺傳連鎖圖譜構(gòu)建,、重要性狀基因標(biāo)記定位與克隆,、種質(zhì)資源遺傳多樣性與系統(tǒng)發(fā)育分析、品種指紋圖譜繪制及遺傳純度檢測等方面廣泛應(yīng)用,尤其是分子標(biāo)記輔助選擇(molecular marker-assisted selection, MAS)為育種工作提供了極大方便,,可顯著提高育種的選擇效率與育種預(yù)見性,。

1 現(xiàn)有的分子標(biāo)記

   目前分子標(biāo)記技術(shù)主要有RFLP、RAPD,、ISSR,、 AFLP、 SSR,、SCAR和單核苷酸多態(tài)性 (SNP),、表達(dá)序列標(biāo)簽 (EST)等。由于PCR技術(shù)的優(yōu)點,,基于PCR的標(biāo)記體系類型多樣,,應(yīng)用廣泛,但各自的復(fù)雜性,、可靠性與遺傳信息不同,。如RAPD方法簡單、成本低,,但重復(fù)性較差,、檢測位點不多;SSR多為共顯性,、重復(fù)性好,,但位點較少、引物開發(fā)成本高,;AFLP譜帶多,,但分析程序復(fù)雜、成本高,,有時要用到同位素,,而且甲基化敏感的限制酶由于基因組DNA的甲基化可導(dǎo)致“假多態(tài)性”產(chǎn)生,識別AATT位點的MseI酶常會引起一些物種基因組中標(biāo)記分布不均衡,;多數(shù)情況下,,RAPD與AFLP標(biāo)記測序需要克隆,增加了工作量,。

2 SRAP標(biāo)記體系分析原理與方法

   相關(guān)序列擴(kuò)增多態(tài)性(sequence-related amplified polymorphism, SRAP)是一種新型的基于PCR的標(biāo)記系統(tǒng),,由美國加州大學(xué)蔬菜作物系Li與Quiros博士于2001年提出,又叫基于序列擴(kuò)增多態(tài)性(sequence-based amplified polymorphism,,SBAP),。

2.1 SRAP標(biāo)記引物設(shè)計原理

   引物設(shè)計是SRAP分析的核心。SRAP標(biāo)記分析共有兩套引物,。在一組正向SRAP引物中使用“CCGG”序列,,其目的是使之特異結(jié)合可譯框(ORFs)區(qū)域中的外顯子。研究表明外顯子一般處于富含GC區(qū)域,,如擬南芥2和4號染色體的全序列中,,外顯子CG比例分別為46.5%和44.08%,而內(nèi)含子中則為 32.1%和33.08 %,;而且除著絲粒區(qū)域有較低基因密度外,,基因幾乎平均分布在這兩個染色體上。從GenBank中隨機(jī)選擇20個BAC序列,,發(fā)現(xiàn)約66%的CCGG序列位于這些克隆中的外顯子內(nèi),。據(jù)統(tǒng)計,擬南芥約1/3基因組外顯子位于2,、4號染色體上,。運用CCGG序列就可特異擴(kuò)增出包含這些組分的序列。
   當(dāng)然,,由于外顯子序列在不同個體中通常是保守的,,這種低水平多態(tài)性限制了將它們做為標(biāo)記的來源。由于內(nèi)含子,、啟動子和間隔序列在不同物種甚至不同個體間變異很大,,富含AT的區(qū)域序列通常見于啟動子和內(nèi)含子中,SRAP中使用的反向引物的3′ 端含有核心AATT,,以特異結(jié)合富含AT區(qū),,這就使得有可能擴(kuò)增出基于內(nèi)含子與外顯子的SRAP多態(tài)性標(biāo)記。

2.2 引物設(shè)計與應(yīng)用

   引物大小和引物組合是成功進(jìn)行SRAP分析的關(guān)鍵,。SRAP-PCR反應(yīng)體系中使用兩個引物:17堿基正向引物(F-primer)和18堿基反向引物(R-primer),;早期反向引物在3’端選擇性核苷前多一個C(19個);使用同位素檢測時引物可用33P-ATP標(biāo)記,。正向引物含有一段14堿基的核心序列(core sequence):5′端前10個堿基為“填充”序列(filler sequence),,無任何特異組成,接著為CCGG序列,;隨后為3′ 端的3個選擇性堿基,,選擇性堿基的變化與相同核心序列組合成一套正向引物。反向引物的組成與正向引物類似,,但“填充”序列后連接的為AATT,;AATT序列后為3個選擇性可變堿基,位于引物3′ 端,。當(dāng)然,,構(gòu)建正向與反向引物的總體要求是它們不形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)及其他二級結(jié)構(gòu),且CG含量為40%-50%,,且兩者“填充”序列在組成上必須不同,,長度為10或11個堿基。

   目前文獻(xiàn)中報道的部分標(biāo)準(zhǔn)引物序列如下:
   正向引物Forward primer 反向引物Reverse primer
   me1:5′TGAGTCCAAACCGGATA-3′ em1:5′GACTGCGTACGAATTAAT-3′
   me2:5′TGAGTCCAAACCGGAGC-3′ em2: 5′GACTGCGTACGAATTTGC-3′
me3:5′TGAGTCCAAACCGGAAT-3′ em3: 5′GACTGCGTACGAATTGAC-3′
   me4:5′TGAGTCCAAACCGGACC-3′ em4: 5′GACTGCGTACGAATTTGA-3′
   me5:5′TGAGTCCAAACCGGAAG-3′ em5: 5′GACTGCGTACGAATTAAC-3′
   me6:5′TGAGTCCAAACCGGTAA-3′ em6: 5′GACTGCGTACGAATTGCA-3′
   me7:5′TGAGTCCAAACCGGTCC-3′ em7: 5′GACTGCGTACGAATTCAA-3′
   me8:5′TGAGTCCAAACCGGTGC-3′ em8: 5′GACTGCGTACGAATTCTG-3′
   em9: 5′GACTGCGTACGAATTCGA-3′
   em10: 5′GACTGCGTACGAATTCAG-3′
   em11: 5′GACTGCGTACGAATTCCA-3′

   實驗表明,用單引物擴(kuò)增只能擴(kuò)增幾條大約0.5~1kb的片段,;使用較短引物,,10堿基RAPD引物,以及含有SRAP引物核心序列的14-15堿基大小的引物,,這些引物組合可得到多種擴(kuò)增片段,,但是擴(kuò)增產(chǎn)物不穩(wěn)定,特異性不強(qiáng),;20-22堿基引物放射自顯影的結(jié)果背景太強(qiáng),;合適的引物大小在17-18堿基。

2.3 SRAP-PCR擴(kuò)增

   反應(yīng)模板多數(shù)是基因組DNA,,也可以是cDNA,。在一個標(biāo)準(zhǔn)PCR反應(yīng)體系中,0.2mmol/L dNTPs,1.5mmol/L Mgcl2,0.3µmol/L引物,,1U Taq酶,。SRAP-PCR反應(yīng)采用復(fù)性變溫法:開始94℃變性5min;反應(yīng)前5個循環(huán)在94℃ 1min,,35℃ 1 min,,72℃ 1-2 min條件下運行;之后30-35個循環(huán)復(fù)性溫度提高到50℃,,最后延伸5~7 min,。
   前5個循環(huán)復(fù)性溫度設(shè)為35℃ ,主要是考慮到低的復(fù)性溫度能確保兩個引物與靶DNA部分配對,;隨后循環(huán)中復(fù)性溫度升到50℃,,可保證前5個循環(huán)的擴(kuò)增產(chǎn)物可在余下循環(huán)中進(jìn)行指數(shù)式擴(kuò)增;如果復(fù)性溫度在40個循環(huán)中都保持在35℃,,擴(kuò)增片段重復(fù)性將很低,。

2.4擴(kuò)增產(chǎn)物檢測與片段測序

   擴(kuò)增產(chǎn)物在變性聚丙烯酰胺凝膠上分離,通常膠板35 cm×43cm,,厚度0.8mm,,每孔加樣 8-20 微升,以保證單條帶足夠量回收,??墒褂猛凰兀部刹捎勉y染技術(shù),;用2.0%的瓊脂糖凝膠也可分析多態(tài)性,,但分辨的條帶較少。
   對標(biāo)記測序有可能獲得更多的遺傳信息,。由于多數(shù)SRAP產(chǎn)生高強(qiáng)帶,,很少有重疊,,而且引物較長,故比AFLP易測序,。獲得的SRAP標(biāo)記差異片段,,從膠上割下、回收后,,用相應(yīng)引物直接測序,,必要時可采用克隆測序,。

2.5 SRAP標(biāo)記特征

   由于在設(shè)計引物時正反引物分別是針對序列相對保守的編碼區(qū)與變異大的內(nèi)含子,、啟動子和間隔序列,因此,,多數(shù)SRAP標(biāo)記在基因組中分布是均勻的,,通過利用RIL系構(gòu)建的遺傳連鎖圖也說明了這一點。同時發(fā)現(xiàn)在130個SRAP標(biāo)記中,,約20%為共顯性,,這種高頻率的共顯性則明顯優(yōu)于AFLP標(biāo)記。
   利用同一引物組合,,從甘藍(lán)類不同作物中(包括花椰菜,、青花菜等)可獲得多個SRAP標(biāo)記。單個組合在每個個體中可檢測到至少10條多態(tài)性譜帶,,其中一些為作物特異的,;在不同的實驗中多態(tài)性條帶重復(fù)性極好。 SRAP標(biāo)記測序顯示多數(shù)標(biāo)記為外顯子區(qū)域,。25條多態(tài)性帶中16條(64%)序列GC含量超過35%,,表明可能是外顯子部分;Blast搜索表明60%條帶與已知基因序列高度一致,,這就確認(rèn)了SRAP產(chǎn)生的多數(shù)標(biāo)記包含了可譯框中的外顯子,。測序還表明SRAP多態(tài)性產(chǎn)生于兩個方面:由于小的插入與缺失導(dǎo)致片段大小改變,而產(chǎn)生共顯性標(biāo)記,;核苷酸改變影響引物的結(jié)合位點,,導(dǎo)致顯性標(biāo)記產(chǎn)生。
3. TRAP標(biāo)記原理與方法

   靶位區(qū)域擴(kuò)增多態(tài)性 (target region amplified polymorphism,,TRAP)也是一種新型的基于PCR標(biāo)記,,由美國農(nóng)部北方作物科學(xué)實驗室Hu與Vick于2003年提出。與SRAP,、RAPD和AFLP等標(biāo)記技術(shù)無須任何序列信息即可直接PCR擴(kuò)增不同,,TRAP技術(shù)是基于已知的cDNA 或EST序列信息。目前已獲得許多物種基因組序列的豐富信息,,包括人類,、擬南芥,,以及重要作物水稻和多種微生物的基因組序列草圖繪制成功,有大量的EST序列可供使用,,從而使得可以利用生物信息學(xué)工具和EST數(shù)據(jù)庫信息產(chǎn)生出許多靶基因序列的TRAP多態(tài)性標(biāo)記,,而且極易將性狀與標(biāo)記相關(guān)聯(lián)。
   TRAP技術(shù)是從SRAP技術(shù)改進(jìn)而來的,。SRAP使用兩個任意引物,;而TRAP是使用長度為16~20核苷的固定引物(fixed primer)與任意引物(arbitrary prime),固定引物以公用數(shù)據(jù)庫中的靶EST序列設(shè)計而來,;任意引物與SRAP所用的一樣,,為一段以富含AT或GC為核心、可與內(nèi)含子或外顯子區(qū)配對的隨機(jī)序列,。固定引物的設(shè)計步驟為:從EST數(shù)據(jù)庫中鑒別所需序列,,再采用有關(guān)引物設(shè)計軟件(如Primer3等) 設(shè)定核苷酸序列合理長度(18堿基)與最適、最大和最小Tm值(53,、55,、50℃),最后選定最適的引物; 任意引物設(shè)計完全同SRAP技術(shù),。TRAP-PCR反應(yīng)條件與SRAP-PCR完全一致,。每次TRAP-PCR反應(yīng)在6.5%聚丙烯酰胺測序膠可產(chǎn)生50-900bp的片段30-50 個。

4 應(yīng) 用

   SRAP分子標(biāo)記系統(tǒng)最早是在蕓薹屬作物開發(fā)出來,。目前已在其他作物如馬鈴薯,、水稻、生菜,、油菜,、大蒜、蘋果,、櫻桃,、柑橘與芹菜中也成功擴(kuò)增。TRAP技術(shù)是在向日葵中開發(fā)的,,目前已成功應(yīng)用于其他作物如水稻,、菜豆、大麥,、小麥,、甜菜。主要用于種質(zhì)資源的鑒定評價,、遺傳圖譜的構(gòu)建,、重要性狀基因標(biāo)記、gDNA與cDNA指紋分析乃至圖位克隆等方面,。

4.1種質(zhì)資源的鑒定評價

   由于在不同物種,、不同個體間具有一定的多態(tài)性,,SRAP技術(shù)也成功應(yīng)用于種質(zhì)鑒定與評價工作中。Ferriol等(2003)對甜瓜(Cucurbita pepo)的2個變種69份類型代表性材料遺傳多樣性進(jìn)行了SRAP,、AFLP標(biāo)記與形態(tài)學(xué)分析,,結(jié)果表明,與形態(tài)學(xué)變異及類型的進(jìn)化歷史一致性方面,,SRAP標(biāo)記提供的信息比AFLP標(biāo)記更優(yōu)良,;11個SRAP引物組合獲得88條可重復(fù)的條帶,平均8條,,其中64條(72.7%)為多態(tài),,大小在154-653bp 之間;測序發(fā)現(xiàn)多個標(biāo)記序列與已知cDNA或EST高度同源,。另外還利用SRAP標(biāo)記對筍瓜(C.maxima)19 份種質(zhì)及8份南瓜屬材料遺傳多樣性進(jìn)行分析,,24個引物組合產(chǎn)生的114個標(biāo)記中多態(tài)性占33%,,雖然低于RAPD比例,,但聚類分析與主坐標(biāo)分析表明,SRAP標(biāo)記分析可將材料按照使用類型(食用,、飼用,、觀賞用)來分組。因此,,在對育種目標(biāo)性狀的評價方面,,明顯優(yōu)于RAPD標(biāo)記。
   野牛草(Buffalograss)生長緩慢,、耐旱,、耐瘠、抗蟲,,倍性多樣,,遺傳基礎(chǔ)廣泛。Budak等利用SRAP標(biāo)記分析了buffalograss的43個基因型遺傳多樣性,,結(jié)果也表明SRAP是一個評價遺傳多樣性,、品種鑒定和系統(tǒng)發(fā)生的有效工具。
   向日葵屬野生種在栽培品種遺傳改良方面很有價值,,對于重要病害,,尤其是霜霉病是很好的抗源,但大部分野生種是多年生,,從野生種中鑒定基因非常困難,。Hu等設(shè)計了與向日葵EST數(shù)據(jù)庫中編碼富含亮氨酸重復(fù)(LRR)類似蛋白序列配對的固定引物,利用TRAP標(biāo)記分析,,對向日葵屬16個野生種及其2個雜交種的遺傳變異性進(jìn)行評估,。結(jié)果表明TRAP標(biāo)記可用于評估向日葵的遺傳多樣性,,材料的聚類結(jié)果與經(jīng)典分類相一致;其中一個TRAP引物結(jié)合到與抗病性有關(guān)的基因序列,。表明TRAP技術(shù)將在種質(zhì)基因型鑒別和重要目的農(nóng)藝性狀的基因標(biāo)記方面存在廣泛的應(yīng)用前景,。

4.2 遺傳圖譜構(gòu)建

   利用collard × cauliflower形成的RIL86個群體,構(gòu)建了由130個SRAP,、120個AFLP標(biāo)記組成的遺傳圖譜,。類似AFLP標(biāo)記,SRAP均勻分布平衡在9個重要連鎖群上,。高頻率共顯性與在基因組中均勻分布的特性將使其優(yōu)于AFLP標(biāo)記而成為一個構(gòu)建遺傳圖譜的良好標(biāo)記體系,。
4.3 繪制基因組轉(zhuǎn)錄圖譜(transcriptome map)

   轉(zhuǎn)錄圖譜(transcriptome map)是進(jìn)行比較基因組學(xué)研究極為有效手段。利用基于PCR的cDNA-SRAP分析來檢測編碼區(qū)的多態(tài)性將簡便,、高效,、快捷。利用花椰菜DH植株與青花菜雜交產(chǎn)生的F2群體88個單株,,使用48引物組合,,從88個cDNA中檢測到281個多態(tài)性cDNA -SRAP標(biāo)記,平均每個引物對產(chǎn)生6個,,21.1%為共顯性,;構(gòu)建了由247個標(biāo)記組成的轉(zhuǎn)錄圖譜。利用這個圖譜,,成功進(jìn)行了甘藍(lán)類蔬菜作物與擬南芥基因組的基因排列與組成分析,,發(fā)現(xiàn)這兩類基因組的廣泛同一性,在190個多態(tài)性cDNA-SRAP標(biāo)記中,,共有169個相似序列,;這種同一性集中在某些染色體片段而非整個染色體上;甘藍(lán)中大多數(shù)重復(fù)區(qū)段集中對應(yīng)于擬南芥1號與5號染色體,,而不是2號與4號染色體,。

4.4 重要性狀基因標(biāo)記

   重要農(nóng)藝性狀基因緊密連鎖標(biāo)記的獲得,將可進(jìn)行性狀分子標(biāo)記輔助選擇,,提高育種的選擇效率與預(yù)見性,,加快新品種的選育進(jìn)程。常用的標(biāo)記作圖群體有F2,、BC1,、DH、RIL等,,標(biāo)記策略有BSA,、NIL以及GRA等。BoGLS-ALK基因是十字花科中調(diào)節(jié)脂肪族芥子油糖苷脫飽和基因,。利用RIL群體,,采用SRAP技術(shù),,將該基因定位到連鎖群L1,距顯性標(biāo)記SRAP133 1.4cM,。
   Li等于2003年在大白菜中也發(fā)現(xiàn)了一個與雄性不育基因有關(guān)的SRAP標(biāo)記,,在油菜中篩選到一個與Rf連鎖的SRAP標(biāo)記,在芹菜中獲得一個與病毒抗性基因緊密連鎖的SRAP標(biāo)記,。

4.5 SRAP標(biāo)記測序與基因克隆

   多數(shù)SRAP標(biāo)記包含了可譯框中的外顯子,,這為特定性狀基因的分離克隆提供了極大方便。進(jìn)一步測序與Blast分析發(fā)現(xiàn),,通過RIL群體獲得BoGLS-ALK基因的顯性標(biāo)記SRAP133 與擬南芥中BAC克隆F4C21中一未知基因的可譯框高度同源,,該基因位于5號染色體上,此基因座已經(jīng)定位了一個去飽和基因,。據(jù)此推測標(biāo)記SRAP133也在這個基因內(nèi)部,。
   綜合運用擬南芥相關(guān)基因序列信息,應(yīng)用SRAP技術(shù)對青花菜BAC克隆測序,,最終克隆了芥子油糖苷合成途徑中一關(guān)鍵基因BoGLS-ELONG,。
   Li等利用SRAP技術(shù)獲得一個與BoGLS-ALK基因共分離的標(biāo)記,再用此標(biāo)記序列來篩選青花菜BAC文庫的一個BAC克隆,,成功分離到BoGLS-ALK基因,;并通過遺傳轉(zhuǎn)化導(dǎo)入擬南芥,,進(jìn)行了該基因的功能分析,。同時正在從結(jié)球白菜的花粉母細(xì)胞、減數(shù)分裂期的花蕾分離出mRNA,,進(jìn)行cDNA的SRAP指紋圖譜分析,,以期克隆一些特異表達(dá)的基因,并初步獲得PMC特異表達(dá)的基因,。

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