江西农业学报2011,23(9):47~5O Acta Agrieulturae Jiangxi DNA分子标记在果树种质资源遗传多样性研究中的应用 周蓓蓓,朱海军,生静雅,刘广勤 (江苏省农业科学院园艺研究所,江苏南京210014) 摘要:简要介绍了DNA分子标记的主要类型、原理及特点,重点综述了RF【 、RAPD、AFLP、SSR、EST—SSR和SNP标 记技术在果树种质资源遗传多样性研究中的应用现状。 关键词:果树;DNA分子标记;遗传多样性;应用 中图分类号:¥321文献标识码:A文章编号:1001—8581(2011)09—0047—04 Application of DNA Molecular Markers in Genetic Diversity Study of Fruit Tree Germplasm Resources ZHOU Bei—bei,ZHU Hai—jun,SHENG Jing—ya,UU Guang—qin (Institute of Horticulture,Jiangsu Academy of Agrl。cultural Sciences,Nanjing 210014,China) Abstract:This article briefly introduces the main type,princlple and characteristics of DNA molecular marker techniques,and emphmically summsxizes the application status of RFLP,RAPD,AFLP,SSR,EST—SSR and SNP marker techniuqes in the genetic diversity study of fruit tree germplasm resources. Key words:Fruit tree;DNA molecular markers;Genetic diversity;Application 长期以来,运用传统的育种手段对多年生木本果树 展,并且已在果树种质资源遗传多样性分析等方面得到 进行遗传改良时,由于受到树体大、童期长、自交不亲和、 了广泛的应用。 遗传高度杂合等因素的影响,果树遗传育种进程较为缓 目前果树研究应用的DNA标记技术已有多种,主要 慢。随着分子生物学技术的发展,以物种基因型特征为 包括限制性片段长度多态性(Restriction Fragment Length 鉴定指标的DNA分子标记技术的出现,为果树遗传育种 Polymorphisms,RFLP)、随机扩增多态性DNA(Random 研究提供了新的技术手段,给果树遗传育种带来了新的 Ampliifed Polymorphic DNA,RAPD)、扩增片段长度多态 契机。 性(Ampliifed Fragment Length Polymorphisms,AFLP)、简 DNA分子标记是继形态标记、细胞标记、生化标记 单重复序列(Simple Sequence Repeat,SSR)、源于EST 后发展起来的一种以DNA多态性为基础的遗传标记 。 (Expressed Sequence Tags,表达序列标签)库的SSR(EST 与传统的遗传标记相比,DNA分子标记具有遗传稳定、 —SSR)和单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymor- 标记数量丰富、不影响目标性状表达、多态性高、选择响 phism,SNP)等,这些DNA标记技术各具特色,各有所用。 应高等优势,这使其成为理想的遗传标记而迅速得到发 在表1中简单列出了几种主要分子标记间的比较隋况。 表1 常用的几种分子标记技术的相互比较 1 DNA分子标记在果树种质资源遗传多样性研 果树作为一种重要的经济作物,在世界农业生产上 究中的应用 占有重要的地位。目前果树种质资源的搜集、保存和利 收稿日期:2011—07—25 基金项目:2010年中央财政林业科技推广示范项目“薄壳山核桃良种及早果丰产栽培技术体系示范推广”(5911001);2011年国家林业公 益性行业科研专项“薄壳山核桃良种筛选与配置技术研究与示范”(201204404);2011年江苏省林业三项工程项目“薄壳山核桃 容器育苗技术示范与推广”(1ysx[2011]14)。 作者简介:周蓓蓓(1983一),女,江苏如东人,研究实习员,硕士,研究方向:果树分子生物技术。 通讯作者:刘广勤。 48 江西农业学报 23卷 用已经受到许多国家和地区的高度重视。遗传多样性主 分析,在扩增所得到的131个条带中多态性条带有107 要是指种内不同居群之间或同一个居群内不同个体遗传 变异的总和 J,是生物多样性的基础和重要组成部分。 对果树自然群体和人工培育品系的遗传多样性进行评价 是有效保护、开发和利用果树种质资源的基石,较为全面 地了解现有果树种质资源的遗传多样性,可以减少育种 工作中亲本选配的盲目性,提高果树的育种效率和育种 的预见性。DNA分子标记可以为果树种质资源的研究 条,多态性条带百分率达81.7%,说明花梅和果梅各品 种间具有丰富的遗传多样性;同时UPGMA聚类显示46 个花梅和果梅品种的遗传相似系数为0.63~0.83,并在 遗传相似系数0.66处,供试的46个品种被分为5组 J。 RAPD标记不仅在很大程度上验证了以往果树品种 的形态学分类和系统演化结果,而且为果树遗传多样 性、亲缘关系和分类演化研究提供了新颖可行的分子学 提供几乎无限的多态性证据,成为检测其遗传多样性的 方法。 最有效工具。下面就几种DNA分子标记方法在果树种 1.3扩增片段长度多态(AFLP)标记AFLP结合了 质资源遗传多样性评价中的应用做以下综述。 RFLP和PCR技术的特点,具有RFLP技术的可靠性和 1.1限制性片段长度多态性(RFLP)标记RFLP是基 PCR技术的高效性。其基本原理是利用一个DNA中酶 于Southern杂交技术的最具代表性、最早发展起来的 切位点少的内切酶和一个内切位点多的内切酶组合,对 DNA分子标记。该方法的基本原理是利用特定的限制 基因组DNA进行完全酶切,再用双链人工接头与酶切片 性内切酶切割生物体基因组DNA,不同个体间由于酶切 段的粘性末端连接作为模板,先进行预扩增,之后再进行 位点间的插入、缺失、重组或突变引起不同的基因型间 选择性PCR扩增,最后通过变性聚丙烯酰胺凝胶电泳展 DNA片段在长度上的差异,这种同源序列的酶切片段在 现出多态性。AFLP标记稳定性强,重复性好,但这种标 长度上的差异通过已克隆和标记的DNA片段作为同源 记操作步骤较繁琐,费用也较高,且受专利保护。Goto— 序列的探针进行Southern杂交,通过放射自显影或非同 Yamamoto 用AFLP标记对16份葡萄资源进行了鉴定 位素来检测DNA的多态性。RFLP标记具有重复性好、 分类,分析结果与之前以表现型和地理分布为依据的分 可靠性好、呈共显性遗传、等位基因丰富等优点,但存在 类结果相符。易干军等” 采用AFLP标记将供试的32 实验费用高、技术复杂、有放射性危害等缺点。Bower 个香蕉品种聚类分为6个独立群体。易干军等¨ 以香 等 采用RFLP标记技术对33个酿酒葡萄品种的遗传 牙蕉35个地方品种(系)为试材,用AFLP标记对其亲缘 多样性进行了评价。果树在长期的无性繁殖过程中,形 关系进行了分析,鉴别认为引自不同国家的3个品种“几 成了形形色色的突变类型,通过分子标记也可以鉴别众 内亚”、“苹果”以及“阳江矮”为同一个香牙蕉品种。上 多突变类型。Nybom 以RFLP技术成功鉴别了“红星” 官凌飞等用荧光AFLP标记对来源于El本及我国江苏、 苹果及其突变体,发现其在杂交谱带的强弱上有差别。 浙江、广东等7个省份的50个果梅品种进行了快速鉴 RFLP作为一种比较成熟的DNA分子标记技术,在 定,并利用AFLP指纹信息对其遗传多样性指数进行了 果树物种的遗传结构和遗传多样性研究方面取得了一些 分析,发现El本,中国江苏、浙江果梅的遗传多样性水平 成绩,同时对果树遗传育种工作也起到了一定的指导 明显高于其他地区,究其原因,可能由于这两个地区果梅 作用。 品种的来源渠道多或者存在其他物种的基因渗入 。 1.2随机扩增多态DNA(RAPD)标记RAPD标记是 l-4简单重复序列(SSR)标记SSR又称为微卫星 1990年由Williams 和Welsh。。 领导各自团队发现的一 (Microsatellite)” ,它是指由少数几个核苷酸为单位多 种检测DNA多态性的方法。其基本原理是运用单个或 次串联重复的DNA序列。这些序列广泛存在于真核细 多个随机引物(通常为单个的10碱基寡聚核苷酸),经 胞的基因组,其串联重复的数目是可变的而且呈现高度 PCR扩增特异DNA片段,得到多态性标记。该标记技术 的多态性,在单个微卫星位点上可以做共显性的等位基 具有费用低、标记数量多、所需DNA量少、引物不受物种 因分析。SSR为共显性标记,与RFLP和RAPD相比,它 限制等优点,但呈显性遗传,不能区分杂合体且易产生非 具有多态性高、重复性高、数量丰富等特点,其在果树种 特异性带,稳定性差。近年来,RAID标记技术大量应用 质资源遗传多样性研究等方面的应用受到广泛重视。 于果树遗传多样性研究及亲缘关系鉴定等方面。张晓莹 Yamamoto等 用10对SSR引物对桃种质资源进行了 等 利用RAPD标记对l6个枇杷品种的遗传基础进行 标记分析,发现桃品种“冈山白”和“上海水蜜”具有很近 了分析,发现枇杷品种基因型间存在着极为丰富的遗传 的亲缘关系,进一步验证了日本桃起源于中国桃。葛志 多样性。李晓颖等 利用11个碱基引物,对16个果梅 刚等利用24对SSR引物对38个蟠桃品种和9个其他类 品种进行了RAPD分析,根据PAGE电泳系统获得的标 型桃品种资源的DNA进行了SSR—PCR分析,共获得了 记信息对16个果梅品种进行了聚类分析,结果反映了果 179个扩增位点,其中多态性位点171个,多态率达95. 梅品种间的亲缘关系。王玉娟等采用改良的RAPD标记 53%;并发现南方蟠桃品种群的遗传多样性相对较低,北 对25个花梅和21个果梅品种的基因组总DNA进行了 方蟠桃品种群的遗传多样性相对较高;群体间基因分化 9期 周蓓蓓等:DNA分子标记在果树种质资源遗传多样性研究中的应用 49 系数较小,遗传变异主要来自群体内,表明南方品种群种 质在我国蟠桃新品种选育中起到了重要作用¨ 。俞明 1.6单核苷酸多态性(SNP)标记SNP是指在生物基 因组水平上由单个核苷酸变异引起的DNA序列多态性。 亮等 筛选出28对SSR引物,对116份黄肉桃种质和 19份其它桃或桃近缘种种质进行了SSR标记分析,扩增 研究DNA水平上的多态性最彻底最精确的方法即为直 接测定某特定区域的核苷酸序列,并将其与相关基因组 中对应区域的核苷酸序列进行比较,从而检测出单个核 苷酸的差异。Salmaso等 利用SNP对葡萄4个功能性 基因进行了研究,发现SNP同样适于对葡萄进行多样性 评价。SNP是目前所有分子标记中多样性最丰富的标 出206个等位基因,其中多态性等位基因有159个,多态 率为76.56%;并用UPGMA构建了进化树,结果表明中 国地方黄桃品种与育成品种间亲缘关系较远,亚洲育成 品种与美洲育成品种间亲缘关系最近,其次为欧洲育成 品种。高华等 采用SSR标记对40个苹果品种的遗传 记,能够用于果树种质资源遗传多样性研究,对于果树种 多样性进行了研究,发现部分系谱相同或相近的品种遗 传相似系数较大,相似系数聚类的范围较小,种质遗传基 础相对较窄。因此在苹果杂交育种亲本选择时,必须加 强不同来源种质的利用和特异亲本类型的培育。 传统的基因组SSR标记需要经过基因组DNA文库 构建、探针杂交、克隆测序等复杂过程 ,同时还受到探 针SSR重复单元种类的限制,存在费时耗力、成本高等 问题,因而在一定程度上影响了其标记作用的发挥。 1.5 EST—SSR EST是指从cDNA文库中随机挑选 cDNA克隆,进行大规模测序所获得的cDNA的5 或3 端 序列,长度一般为150~500 bp 。随着EST数据资源 的不断丰富,基于EST库开发的SSR标记成为一个简便 快速而有效的标记。由于EST—SSR来源于基因本身, 是对基因内部变异的一种直接评价,可直接反映相关基 因的多样性,因而在不同物种间有良好的通用性 。用 EST代替基因组测序,使得试验费用大大降低,同时效率 大大提高。作为新型的分子标记,EST—SSR标记除了 具备传统SSR标记多态性高、共显性、重复性好等优点 外,还以其开发经济和通用性高等优势在果树分子遗传 研究中得到了开发和应用。Chen等 利用柑橘EST 库,开发了100对SSR引物用于检测柑橘两个不同属甜 橙[C/trus sinensis(L.)Osbesk]和枸橘[Poncirus trifoliate (L.)Raf.]的多样性和杂合度。王西成等 发现梨 EST—SSR标记开发效率较高,对梨品种的鉴定与遗传 多样性分析具有重要价值。上官凌飞等从杏的ESTs中 选择设计了50对SSR引物,对24个杏品种、8个果梅品 种、l6个花梅品种进行了遗传多样性分析,40对引物产 生了理想的PCR产物,其中25对引物扩增出多态性条 带,引物有效扩增率为80%,其中多态性占62.5%,说明 利用杏EST序列开发EST—SSR标记是高效且可行的; 挑选扩增效果最好的20对引物对这些供试材料进行 PCR扩增,来源于杏的EST—SSR引物在梅中有很高的 通用性,杏和梅是遗传差异明显的两种植物,果梅与花梅 在遗传上是不能分为两类的同种植物 J。 随着EST的爆炸性的增长,EST—SSR标记开发、利 用的不断深人,相信这项技术将在果树种质资源分析、品 种鉴定及遗传作图等研究领域有一定的应用前景,并为 果树的遗传育种研究提供新的分子标记方法 ]。 质资源保存、利用具有重要意义。但由于大多数果树尚 未进行完整基因组测序,目前尚无法大规模开发SNP。 相信随着测序技术的改进和更多果树树种全基因组的测 序完成’,以及EST的大量积累,果树SNP标记的开发以 及鉴定数量将取得突破性发展 。 2 DNA分子标记在果树研究中的发展前景 客观地评价、有效地保存、挖掘和创新果树种质遗 传资源对于果树产业的可持续发展具有重要意义。而果 树种质资源的准确鉴定及分子遗传规律的深人研究,关 键在于DNA分子标记技术的发展。在果树种质资源收 集、整理和表型性状评价的基础上,应用DNA分子标记 技术对果树种质资源进行遗传多样性研究,可以为果树 种质的品种识别、起源演化和亲本选配提供有效依据。 我国有着丰富的果树种质资源可供发掘利用,在今后的 果树遗传育种工作中应扩大亲本的选择范围,加大优异 种质资源的选择力度。 由于DNA分子标记技术能够直接分析遗传物质本 身,不仅能区分相近物种,而且可以检测变种、品种及群 体之间DNA的细微变异,因此在果树种质资源研究、遗 传图谱构建、基因定位、分子标记辅助育种等方面均显示 出广阔的应用前景。随着cDNA和EST文库的不断构 建,数据资源的更加丰富,分子标记技术将继续向深度和 广度方向发展。各种类型分子标记的综合利用,并与常 规育种技术相结合,必将推动果树遗传育种研究的迅猛 发展。 参考文献: [1]白瑞霞,彭建营.DNA分子标记在果树遗传育种研究中的应 用[J].西北植物学报,2004,24(8):1547—1554. [2]陈灵芝.中国的生物多样性现状及其保护对策[M].北京:科 学出版社,1993. [3]Bower J E,Meredit H C P.Genetic similarities among wine grape cultivars revealed by restriction fragment length polymorphism (RFLP)analysis[J].Amer Soc Hort Sci,1996,12(14):620 —624. [4]Nybom H.DNA ifngerprinting in sports of Red Delicious apples [J].Hort Science,1990,25:1641—1642. [5]Williams J GK,Kubelik A R,Livak K J,et a1.DNA polymor- phisms ampliifed by arbitrary mers are useful as genetic mark. 江西农业学报 23卷 ors[J].Nucleic Acids Research,1990,18:6531-6535. [6]Welsh J,McClelland M.Fingerprinting genomes using PCR with arbi ̄ary primers[J].Nucleic Acisd Research,1990,18:7213— 7218. [7]张晓莹,钱剑林,王化坤,等.枇杷RAPD扩增产物的不同电泳 检测及其序列特征分析[J].浙江农业学报,2010(5):570 —575. [8]李晓颖,宋长年,张彦苹,等.果梅RAPD标记不同电泳指纹比 较及扩增产物序列分析[J].南京林业大学学报:自然科学版, 2OLO(5):29—33. [9]王玉娟,房经贵,于华平,等.基于改良RAPD标记的花梅与果 梅品种的遗传关系分析[J].植物资源与环境学报,0211(2): 28—34. [10]Goto—Yamamoto N.Phenetic clusteirng of grapes( spp.) by AFLP analysis[J].Breedign Science,2OOO,50:53—57. [11]易干军,余晓英,霍合强,等.粉蕉、大蕉和龙牙蕉的AFLP分 类研究[J].园艺学报,2002,29(5):413-417. [12]易干军,于晓英,霍合强,等.应用AFLP进行香牙蕉品种 (系)的鉴别与分类[J].果树学报,0202,19(4):247—251. [13]上官凌飞,李晓颖,房经贵,等.果梅(P/'///to.¥ )品种的荧 光AFLP指纹分析[J].果树学报,2009,26(4):475—480. [14]Litt M,lnity J A.A hypervariable microsatellite revealed by in vitro ampliifcation of dinucleotide repeats within the cardiac muscle actin gene[J].Am J Hum Genet,1989,44:397 —401. [15]Yamamoto T,Mochida K,Imai T,et a1.Parentage analysis in Japanese epaches using SSR markers[J].Breedign Science, 2003,53(1):35—4o. [16]葛志刚,俞明亮,马瑞娟,等.蟠桃种质SSR标记的遗传多样 性分析[J].果树学报,2009,26(3):300—305. [17]俞明亮,马瑞娟,沈志军,等.应用SSR标记进行部分黄肉桃 种质鉴定和亲缘关系分析[J].园艺学报,2010,37(12):1909 —19】8. [18]高华,樊红科,万怡震,等.苹果栽培品种的SSR鉴定及遗传 多样性分析[J].西北农业学报,2010,20(2):153—158. [19]Roder M S。Kosrun V.Wendehake K,et a1.A microsatellite map of wheat[J].Genetics,1998,149:2007—2023. [20]骆蒙,贾继增.植物基因组表达序列标签(EST)计划研究进 展[J].生物化学与生物物理进展,2001,28(4):494—497. [21]Gupt A P K,Rustgi S,Sh ̄,-ma S,et a1.Trnasferable EST— SSR ms.rkesr for the study of polymorphism nad genetic diversity in bread wheat[J].Molecular Genetics and Genomics,2OO3, 270(4):315—323. [22]Chen c,Zhou P,Choi Y A,et a1.Mimng and characteirzing microsatellites from citrus ESTs[J].Theoretical and Applied eGnetics,2OO6,112:1248—1257. [23]王西成,姜淑苓,上官凌飞,等.梨EST—SSR标记的开发及其 在梨品种遗传多样性分析中的应用评价[J].中国农业科学, 2010,24:5079—5087. [24]上官凌飞,李晓颖,宁宁,等.杏EST—SSR标记的开发[J].园 艺学报,0211(1):43—44. [25]姚利华,滕元文.EST—SSR标记及其在果树研究中的应用 [J].果树学报,2008,25(2):219—244. [26]Salmaso M,Facs G,Scgala C,et a1.Genome diversity and gene hapiotypes in the grapevine(Vitis vinifera L.),aS vealed by single nucleotide polymorphisms[J].Molecular Breeding,2004,14(4):385—395. [27]魏召新,张凌云,曾培,等.单核苷酸多态性的发掘、鉴定及其 在果树上应用的研究进展[J].中国南方果树,2010(3):86 —9o. [28]李润枝,张娟.SSR技术在遗传多样性研究中的应用[J].安 徽农业科学,0210,38(20):10492—10449. [29]雷新涛,陈业渊,张建斌,等.芒果种质资源分子标记研究进 展[J].安徽农业科学,2009,37(32):15722—15724. [30]邱长玉,朱方容,林强.DNA分子标记技术在桑树上的应用研 究进展[J].广西农业科学,2010,41(7):642—645.