基于SNP標(biāo)記的種子純度高效檢測(cè)分析模型的建立

李歐靜，張桂華，蘭青闊 ，王 永 ，趙 新 ，朱 珠 ，陳 銳，郭永澤

（1.天津市農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所，天津 300381；2.天津科潤(rùn)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，天津 300192）

蔬菜種子純度是種子質(zhì)量的重要指標(biāo)，其鑒定方法有田間形態(tài)試驗(yàn)、RAPD、SSR、同工酶標(biāo)記等，但這些方法在操作性、穩(wěn)定性、多態(tài)性等方面不能滿足目前的需要。單核苷酸多態(tài)性（Single nucleotide polymorphism，SNP）是指基因組水平上由單個(gè)核苷酸的變異所引起的DNA序列多態(tài)性。近年來(lái)，SNP標(biāo)記以其二態(tài)性、等位基因性、高密度性以及高遺傳穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)成為研究熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物遺傳學(xué)研究[1]和品種鑒定當(dāng)中[2]。

焦磷酸測(cè)序技術(shù)（Pyrosequencing）是實(shí)時(shí)、定量分析DNA序列的新一代測(cè)序技術(shù)，是基于引物引導(dǎo)的多聚酶延伸下的核酸合成的新型DNA測(cè)序技術(shù)[3]，具有操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、通量高、結(jié)果準(zhǔn)確和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合SNP、small InDel等短序列分析，具有較高的靈敏性和準(zhǔn)確性。Pyrosequencing技術(shù)的另一突出優(yōu)勢(shì)在于與DNA池（DNA Pooling）技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。Pooling技術(shù)的原理是將已知對(duì)照樣本和多個(gè)未知樣本混合在一起進(jìn)行PCR擴(kuò)增，PCR產(chǎn)物經(jīng)基因分型、最后用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到已知樣本在總樣本中的比例[4]。Pyrosequencing和Pooling聯(lián)用技術(shù)兼有Pyrosequencing的定量測(cè)序優(yōu)點(diǎn)和Pooling高通量的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于大規(guī)模樣品的等位基因頻率分析[5]，能滿足種子純度鑒定大樣本量的需求。

筆者分析了黃瓜SNP位點(diǎn)CLA13（C/G）在16個(gè)黃瓜育種材料中的多態(tài)性，結(jié)合Pyrosequencing和DNA Pooling技術(shù)，建立3Pooling SNP Pyrosequencing標(biāo)準(zhǔn)曲線，快速、高效的鑒定黃瓜種子純度，旨在為后續(xù)的品種鑒定及大批量的蔬菜種子純度鑒定奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試材料：16個(gè)黃瓜雜交種及其母本、父本的基因組DNA由天津科潤(rùn)農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所提供。

1.2 方法

1.2.1 SNP位點(diǎn)的選擇及引物設(shè)計(jì) 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、驗(yàn)證獲得黃瓜SNP位點(diǎn)CLA13（C/G），利用PSQ Assay Design軟件設(shè)計(jì)用于焦磷酸測(cè)序的PCR引物、測(cè)序引物以及需要分析的目標(biāo)序列（Sequence to Analyze），其中前引物5’加生物素（Biotin）標(biāo)記修飾見(jiàn)表1。引物由上海生工生物工程有限公司合成。

表1 CLA13（C/G）位點(diǎn)焦磷酸測(cè)序引物序列

1.2.2 焦磷酸測(cè)序反應(yīng) 包括用于制備測(cè)序反應(yīng)模板的PCR擴(kuò)增和焦磷酸測(cè)序反應(yīng)[6]。PCR擴(kuò)增采用50μL反應(yīng)體系，其中2×GoTaq Green Master Mix（Promega）25μL，上下游引物（10 μmol/L）各 1μL，DNA模板100 ng，滅菌去離子水補(bǔ)足至50μL。反應(yīng)程序?yàn)?4℃預(yù)變性5min；50個(gè)循環(huán)反應(yīng)（94℃30 s，50℃ 30 s，72℃ 40 s）；72℃延伸 7 min；4℃保存。PCR儀為ABIverity 96 well Thermal cycler。

焦磷酸測(cè)序反應(yīng)在PyroMark ID焦磷酸測(cè)序儀（Biotage）上進(jìn)行。PCR產(chǎn)物中加入47μL Binding buffer（Biotage）和 3 μL Sepharose beads（Biotage），1 300 r/min渦旋混勻 15 min，經(jīng) Vacuum prep workstation單鏈分離，釋放到預(yù)先加入38.8μL Annealing buffer（Biotage）和1.2μL測(cè)序引物（10 μmol/L）的PSQ 96測(cè)序反應(yīng)板中，80℃金屬加熱塊（Labnet）上加熱2min后冷卻至室溫。將酶、底物和A、T、C、G 成分（Qiagen）加入試劑倉(cāng)，即可上機(jī)測(cè)序。測(cè)序結(jié)果可通過(guò)分型分析模式（Genotyping）直接獲得樣品SNP類型，或者通過(guò)等位基因頻率AQ（Allele Quantification）模式分析C基因型頻率C%和G基因型頻率G%。

1.2.3 DNA Pooling最適數(shù)量的確定 取3號(hào)雜交種（基因型記為C/G）及其父本（基因型記為C/C）基因組DNA，精確稀釋至20 ng/μL，按照C/C與C/G 的比例為 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9 和1∶19 進(jìn)行混合，模擬 2、3、4、5、6、7、8、9、10、20 個(gè)雜交種Pooling中混雜1個(gè)C/C的情況。將上述10種充分混勻DNA模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增及焦磷酸測(cè)序分析，獲得C等位基因頻率C%和G等位基因頻率G%（G%=1-C%）。試驗(yàn)設(shè)置10次重復(fù)。

1.2.4 3 Pooling SNPPyrosequencing標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 取3號(hào)雜交種（C/G）及其母本（G/G）、父本（C/C）的基因組 DNA（20 ng/μL），按照 C3（3C/C）、C2（2C/C∶1C/G）、C1（1C/C∶2C/G）、Hybrid（3C/G）、G1（1G/G∶2C/G）、G2（2G/G∶1C/G）、G3（3G/G）的梯度比例混合DNA模板，進(jìn)行PCR擴(kuò)增和焦磷酸測(cè)序，分析等位基因頻率C%，并建立C%與不同梯度的標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.5 3 Pooling SNPPyrosequencing分析模型樣品檢驗(yàn) 選擇SNP位點(diǎn)為C/G分型的黃瓜雜交品種8號(hào)進(jìn)行樣品檢驗(yàn)試驗(yàn)。選顆粒飽滿、大小均勻籽粒30粒，浸泡、萌發(fā)、每3個(gè)種子DNA等量混合，進(jìn)行PCR擴(kuò)增、焦磷酸測(cè)序以及等位基因頻率分析。根據(jù)建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線模型，換算出其中來(lái)自親本的污染。

1.2.6 數(shù)據(jù)分析 SNP多態(tài)信息量PIC值使用PIC_CALC軟件計(jì)算，TTEST和標(biāo)準(zhǔn)曲線制定使用office excel軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 CLA13（C/G）位點(diǎn)分型及多態(tài)信息量分析

對(duì)16個(gè)黃瓜雜交種及其親本的CLA13（C/G）位點(diǎn)進(jìn)行PCR擴(kuò)增及焦磷酸測(cè)序分析，分型結(jié)果見(jiàn)表2。在16個(gè)子代中，7個(gè)檢測(cè)為C/G雜合，因此CLA13（C/G）位點(diǎn)適合7個(gè)品種做黃瓜種子純度鑒定試驗(yàn)。進(jìn)一步對(duì)CLA13（C/G）位點(diǎn)多態(tài)信息量（PIC）分析表明，在16個(gè)黃瓜雜交種的群體中該SNP位點(diǎn)PIC達(dá)0.556，處于高度多態(tài)。

2.2 DNA Pooling最適數(shù)量的確定

為提高種子純度檢測(cè)效率，研究引入DNA Pooling技術(shù)，通過(guò)分析DNA Pooling中SNP位點(diǎn)的等位基因頻率，確定樣品的雜合程度，并轉(zhuǎn)換為種子純度。按一定梯度比例混合C/C基因型和C/G基因型DNA，模擬不同DNA Pooling，并通過(guò)比較不同DNA Pooling下等位基因頻率差異顯著性，確定最適DNA Pooling。

表2 16個(gè)黃瓜雜交種及其親本CLA13（C/G）位點(diǎn)分型分析

如表3所示，隨著Pooling數(shù)量的增加，C%平均值逐漸下降并接近50%。對(duì)2～20 Pooling C%值進(jìn)行TTest分析顯示，4 Pooling以下呈顯著差異水平，3 Pooling以下呈極顯著差異水平。考慮試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，選擇3 Pooling作為最佳Pooling數(shù)量，即在種子純度檢測(cè)過(guò)程中，將3粒種子作為1個(gè)Pooling進(jìn)行檢測(cè)具備較高的效率和準(zhǔn)確度。

2.3 3 Pooling SNPPyrosequencing標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

為了把C等位基因頻率轉(zhuǎn)換為3 Pooling中雜交種的數(shù)量，需建立3 Pooling SNPPyrosequencing標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示，隨著C3-G3七個(gè)梯度樣品中C基因降低和G基因升高，焦磷酸測(cè)序峰圖（圖1A）中C堿基峰高從后續(xù)堿基T、C、G的1倍峰高逐步降低為0，G堿基峰高從0逐漸升高到與后續(xù)堿基T、C、G的峰高持平；建立C%與C3-G3七個(gè)梯度樣品標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖1B），兩者呈線性關(guān)系，R2達(dá)0.998 2。參考該標(biāo)準(zhǔn)曲線，可通過(guò)畫(huà)圖比較或計(jì)算的方法將C%轉(zhuǎn)換出3 Pooling樣品中是否含有或含有幾粒C/C或G/G類型種子。

表3 不同DNA Pooling數(shù)量C等位基因頻率分析

圖1 3Pooling下C梯度測(cè)序結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.4 3 Pooling SNPPyrosequencing分析模型樣品檢驗(yàn)

如表4所示，10個(gè)Pooling中第1 Pooling C%值為65.3%，第7 PoolingC%值為66.2%，說(shuō)明第1 Pooling和第7 Pooling的3粒種子中含有1個(gè)C/C類型的種子，而其他8個(gè)Pooling均為C/G類型的種子。因此，該30粒種子中含有2粒非雜交種，純度可記為93.3%。

表4 3Pooling檢驗(yàn)黃瓜雜交品種種子純度結(jié)果

3 討論與結(jié)論

種子純度是指雜交種后代表型的一致性，是黃瓜種子質(zhì)量的重要指標(biāo)。造成黃瓜種子純度低的主要原因有親本純度不夠高、生物混雜和機(jī)械混雜等原因，其中來(lái)自母本的混雜較為普遍。因此，雜交種中母本基因型的檢測(cè)是分子檢測(cè)的重點(diǎn)。SNP分子標(biāo)記是繼SSR標(biāo)記以后的第三代分子標(biāo)記，具有高密度和高度遺傳穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，而且大多數(shù)只有兩種等位基因型，所以也被稱為雙等位基因標(biāo)記（biallelic marker），能夠明顯區(qū)分出母本、父本及雜交種基因型。因此，SNP分子標(biāo)記適合于黃瓜品種真實(shí)性和純度檢測(cè)的要求。

研究將SNP標(biāo)記技術(shù)、Pyrosequencing技術(shù)和DNA Pooling技術(shù)有機(jī)結(jié)合，建立3 Pooling SNP Pyrosequencing種子純度檢測(cè)分析模型，克服了RAPD、SSR等分子標(biāo)記技術(shù)必須凝膠電泳的瓶頸，提高了黃瓜雜交種純度鑒定效率。同時(shí)，3 Pooling SNPPyrosequencing分析模型可應(yīng)用于其他作物種子純度鑒定，具有推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

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