基于復(fù)合EST-SSR標(biāo)記的大白菜種子純度鑒定及SNP位點(diǎn)獲取

趙 新 王 永* 蘭青闊 賀長(zhǎng)征 陳 銳 李歐靜 劉 娜朱 珠 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天津市種子管理站，天津 300061）

大白菜〔Brassica campestrisL. ssp.pekinensis（Lour）Olsson〕為十字花科蕓薹屬蔬菜，作為我國(guó)主要的蔬菜作物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要位置。大白菜的種植區(qū)域分布廣泛，種植數(shù)量較多，近幾年對(duì)大白菜種子純度的監(jiān)督抽查工作較為重視，種子質(zhì)量的好壞直接影響到種子生產(chǎn)者、經(jīng)營(yíng)者和使用者的合法權(quán)益。因此，加強(qiáng)大白菜種子純度的控制和檢查管理尤為重要。傳統(tǒng)的田間形態(tài)鑒定是種子純度鑒定的仲裁方法，但時(shí)間長(zhǎng)、易受環(huán)境條件的影響，因此為適應(yīng)種子純度快速鑒定的需求，室內(nèi)分子檢測(cè)技術(shù)成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。

隨著分子生物學(xué)標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始利用分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行種子純度的研究，ESTSSR技術(shù)是其中的一種。EST-SSR技術(shù)又叫基于表達(dá)序列標(biāo)簽（expressed sequence tags，EST）的簡(jiǎn)單重復(fù)序列（si mple sequence repeats，SSR）標(biāo)記技術(shù)，與其他分子標(biāo)記技術(shù)相比具有技術(shù)操作簡(jiǎn)單、特異性較強(qiáng)、重復(fù)性穩(wěn)定、多態(tài)信息含量高、共顯性遺傳等特點(diǎn)（Powell et al.，1996；忻雅 等，2006）。同時(shí)GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中積累了大量重要物種的EST序列，且獲取方便，無(wú)需任何費(fèi)用，已經(jīng)成為發(fā)展SSR標(biāo)記的重要來(lái)源，因此EST-SSR技術(shù)不僅保留了SSR標(biāo)記技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而且凸顯了其便捷、花費(fèi)低、效率高的優(yōu)勢(shì)（Wim et al.，2009）；但SSR技術(shù)也存在著相對(duì)的不足，即一次試驗(yàn)得到的位點(diǎn)較少，針對(duì)這一問(wèn)題，Tommasini等（2002）發(fā)展了多重SSR分析技術(shù)，并有效地鑒定了油菜品種。

EST-SNP技術(shù)也叫基于表達(dá)序列標(biāo)簽的單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）標(biāo)記，是指在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，是繼SSR之后的新一代分子標(biāo)記技術(shù)，具有密度高、穩(wěn)定性好、分析易自動(dòng)化等特性，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于甜瓜、菜豆、甜椒等蔬菜分子輔助育種及品種鑒定研究（Carlos et al.，2009；Wim et al.，2009；Jung et al.，2010；蘭青闊 等，2012）。

本試驗(yàn)以10份大白菜雜交種及其親本為試材，利用新型復(fù)合EST-SSR分子標(biāo)記進(jìn)行大白菜雜交種純度鑒定的研究，篩選雜交種特異譜帶為親本互補(bǔ)帶型的引物，建立一次試驗(yàn)可獲得多位點(diǎn)的標(biāo)記方法，快速、高通量、低成本，確保了種子純度鑒定結(jié)果的可靠性。同時(shí)基于EST序列信息，結(jié)合HRM和Pyrosequencing技術(shù)，初步探索了大白菜SNP位點(diǎn)的篩選、確認(rèn)和檢測(cè)技術(shù)路線，旨在為建立精確、快速、高通量和高度自動(dòng)化的大白菜種子純度鑒定方法提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2011年12月至2012年11月在天津市農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所遺傳育種分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，以10份市售大白菜雜交種（表1）為試驗(yàn)材料，種子由天津科潤(rùn)蔬菜研究所提供。

1.2 方法

1.2.1 單粒種子育苗條件 本試驗(yàn)通過(guò)1臺(tái)簡(jiǎn)單的恒溫培養(yǎng)箱來(lái)模擬種子萌發(fā)外界條件，達(dá)到在最短時(shí)間內(nèi)成功育苗的效果，以提高試驗(yàn)效率。具體方法如下：采用玻璃培養(yǎng)皿，以棉花、紗布?jí)|底，用自來(lái)水將其濕潤(rùn)后均勻撒入單粒種子，為持久保持種子濕潤(rùn)度，在種子表面再覆蓋一層面巾紙，夜間在28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中過(guò)夜，白天采用室溫日光燈補(bǔ)光，48 h種子破殼率可達(dá)100%，7 d后發(fā)芽率可達(dá)100%。

表1 供試品種名稱(chēng)及特征特性

1.2.2 DNA提取 選取經(jīng)48 h剛剛破殼的大白菜種子和經(jīng)7 d達(dá)到苗期的單株葉片，同時(shí)應(yīng)用改良CTAB法進(jìn)行DNA提取，經(jīng)1%凝膠電泳檢測(cè)，比較DNA提取質(zhì)量。具體改良CTAB法如下：取單粒破殼種子或單株葉片粉碎，加入CTAB-A液（裂解緩沖液）550 μL，65 ℃水浴30 min；加入氯仿異戊醇500 μL，顛倒混勻，13 200 r·min-1離心10 min；吸取上清液500 μL，加入2倍體積CTAB-B液（沉淀緩沖液），室溫靜置30 min；13 200 r·min-1離心10 min；棄上清液，沉淀中加入350 μL CTAB-C液，回溶；加入350 μL氯仿異戊醇，顛倒混勻，13 200 r·min-1離心10 min；吸取上清液340 μL，加入0.7倍體積預(yù)冷的異戊醇，顛倒混勻，13 200 r·min-1離心10 min；棄上清液，沉淀中加入500 μL 70%乙醇清洗，13 200 r·min-1離心10 min；棄上清液，沉淀風(fēng)干，加入30～40 μL TE緩沖液充分溶解后即為DNA。

1.2.3 高通量快速DNA提取方法 為適應(yīng)大批量種子純度鑒定工作的需要，對(duì)種子高通量快速DN A提取方法進(jìn)行比對(duì)，包括chexe-100法、堿煮法、CTAB-A液直接裂解法。3種方法都分別設(shè)置20、40、60、120 min 4個(gè)時(shí)間梯度，具體方法如下：① chexe-100法。使用電動(dòng)組織研磨器將單粒種子或單株葉片破壁打碎至粉漿狀，加入50 μL chexe-100，65℃水浴，設(shè)置時(shí)間梯度；-20℃冷凍10 min，13 200 r·min-1離心3～4 min，上清液即為DNA。② 堿煮法。使用電動(dòng)組織研磨器將單粒種子或單株葉片破壁打碎至粉漿狀，加入50 μL NaOH（1 mol·L-1），100 ℃煮沸，設(shè)置時(shí)間梯度；加入 25 μL Tris-HCl（1 mol·L-1，pH 8.0），100 ℃煮沸 5 min；-20℃冷凍10 min，13 200 r·min-1離心3～4 min，上清液即為DNA。③ CTAB-A液直接裂解法。使用電動(dòng)組織研磨器將單粒種子或單株葉片破壁打碎至粉漿狀，加入50 μL CTAB-A液，65 ℃水浴，設(shè)置時(shí)間梯度；-20 ℃冷凍10 min，13 200 r·min-1離心3～4 min，上清液即為DNA。

1.2.4 EST-SSR引物設(shè)計(jì)與合成 利用GenBank（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez）上公布的170 148條大白菜EST序列，通過(guò)CMD SSR Server（http：//www.cottonmarker.org/cgibin/cmd_ssr）在線設(shè)計(jì)30對(duì)核心引物，命名為BC1～BC30，引物由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成。

1.2.5 復(fù)合EST-SSR引物篩選 以大白菜雜交種及其親本的基因組DNA為模板，分別用30對(duì)EST-SSR引物進(jìn)行擴(kuò)增，產(chǎn)物用8%聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測(cè)。 篩選出雜交種特異譜帶為親本互補(bǔ)帶型的引物，同時(shí)結(jié)合單一引物擴(kuò)增結(jié)果及特異譜帶的相互位置差異，優(yōu)化組合多個(gè)引物對(duì)，篩選復(fù)合EST-SSR標(biāo)記。

1.2.6 PCR擴(kuò)增體系及程序 PCR擴(kuò)增反應(yīng)的總體積為10 μL：2×GoTaq?Master Mixes 5 μL，上游和下游引物（10 μmol·L-1）各0.25 μL，大白菜基因組DNA模板（50 ng·μL-1）1 μL，雙蒸水補(bǔ)足10 μL。PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?4 ℃預(yù)變性5 min； 94 ℃變性1 min，53.5 ℃退火45 s，72℃延伸45 s，35個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸7 min，4 ℃保存。

1.2.7 EST-SNP位點(diǎn)獲取 基于兩種技術(shù)路線探索EST-SNP獲取方法。方法一：分析ESTSSR引物聚丙烯凝膠電泳結(jié)果，回收親本互補(bǔ)條帶并測(cè)序，經(jīng)序列比對(duì)尋找SNP候選位點(diǎn)，設(shè)計(jì)引物，通過(guò)焦磷酸驗(yàn)證，確定Baicai-9 SNP位點(diǎn)。方法二：通過(guò)NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)蕓薹屬SNP位點(diǎn)，設(shè)計(jì)PCR引物，對(duì)大白菜雜交種及其親本進(jìn)行擴(kuò)增，通過(guò)高分辨率溶解曲線分析候選SNP位點(diǎn)，擴(kuò)增產(chǎn)物送上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司測(cè)序，應(yīng)用生物學(xué)軟件對(duì)序列進(jìn)行Blast比對(duì)，對(duì)候選13 799 SNP位點(diǎn)設(shè)計(jì)焦磷酸引物進(jìn)行驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 單粒種子育苗條件及提取狀態(tài)確定

從圖1和圖2可以看出，從48 h破殼的大白菜種子和經(jīng)7 d達(dá)苗期狀態(tài)的大白菜單株提取的基因組DNA均表現(xiàn)主帶清晰，整齊一致，沒(méi)有明顯降解，可用于下一步PCR擴(kuò)增。

圖1 48 h破殼的大白菜基因組DNA電泳結(jié)果

圖2 經(jīng)7 d達(dá)苗期的大白菜基因組DNA電泳結(jié)果

2.2 引物及復(fù)合EST-SSR引物篩選結(jié)果

以10份大白菜雜交種及其親本為模板，對(duì)30對(duì)EST-SSR引物進(jìn)行篩選，其中7對(duì)引物的雜交種帶型為雙親的互補(bǔ)帶型，可用于大白菜雜交種種子純度的鑒定。選取其中條帶清晰、特異性主帶位置差異明顯的3對(duì)引物，用于鑒定種子純度。對(duì)這3對(duì)引物進(jìn)行優(yōu)化組合，確定了一套復(fù)合EST-SSR引物，可同時(shí)對(duì)10份大白菜雜交種進(jìn)行種子純度鑒定。引物序列及可鑒定品種見(jiàn)表2。應(yīng)用這套復(fù)合EST-SSR引物對(duì)10份大白菜雜交種進(jìn)行純度鑒定的聚丙烯酰胺凝膠電泳圖譜如圖3所示。由表2和圖3均可得出雜交種1（秋綠75）、3（秋綠60）、5（津白56）可同時(shí)應(yīng)用3對(duì)引物對(duì)其純度進(jìn)行鑒定，既提高了鑒定效率，也增強(qiáng)了純度鑒定結(jié)果的可靠性。

表2 引物序列及可鑒定品種名稱(chēng)

2.3 高通量快速DNA提取方法比較結(jié)果

3種高通量快速DNA提取方法提取大白菜津白56經(jīng)48 h破殼狀態(tài)的單粒種子和經(jīng)7 d達(dá)到苗期狀態(tài)的單株葉片基因組DNA，經(jīng)1%瓊脂糖電泳均未見(jiàn)DNA條帶，但以chexe-100法提取經(jīng)7 d達(dá)到苗期狀態(tài)的單株葉片的DNA為模板，經(jīng)PCR擴(kuò)增可達(dá)到EST-SSR理想的鑒定效果，其他2種方法提取的DNA均未擴(kuò)增出相應(yīng)條帶，結(jié)果如圖4所示。且3種方法所需單株?duì)顟B(tài)均為苗期，可見(jiàn)種子破殼初期的狀態(tài)尚難以滿(mǎn)足高通量快速DNA提取的需要。

圖3 10份大白菜雜交種復(fù)合EST-SSR引物純度鑒定結(jié)果

2.4 Baicai-9 SNP位點(diǎn)獲取

2.4.1 SNP候選位點(diǎn)的獲得 應(yīng)用引物BC-9擴(kuò)增雙親，以回收的特征譜帶DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增，產(chǎn)物送上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司測(cè)序，拼接測(cè)序結(jié)果，對(duì)雙親特異性條帶的序列進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)堿基差異尋找SNP候選位點(diǎn)，結(jié)果如圖5所示。

2.4.2 SNP引物設(shè)計(jì)與合成 應(yīng)用焦磷酸引物設(shè)計(jì)軟件，對(duì)SNP候選位點(diǎn)進(jìn)行引物設(shè)計(jì)，引物由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成。引物序列見(jiàn)表3。

圖4 不同提取方法提取津白56 DNA的復(fù)合EST-SSR引物擴(kuò)增結(jié)果

圖5 引物BC-9擴(kuò)增大白菜親本序列同源性比對(duì)結(jié)果

2.4.3 SNP位點(diǎn)的驗(yàn)證 通過(guò)焦磷酸測(cè)序引物（正向和反向引物）對(duì)秋綠75、秋綠60、耐抽薹型春綠1號(hào)、津白56、秋綠55、津夏3號(hào)的親本及雜交種進(jìn)行前期PCR擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增反應(yīng)的總體積為50 μL：2×GoTaq?Master Mixes 25 μL，上游和下游引物（10 μmol·L-1）各1.25 μL，基因組DNA模板（50 ng·μL-1）3 μL，雙蒸水補(bǔ)足 50 μL。PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?4℃預(yù)變性5 min；94 ℃變性1 min，53.5 ℃退火 45 s，72 ℃延伸 45 s，40個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸7 min，4 ℃保存。

測(cè)序單鏈的制備：將3 μL鏈親和素包被的磁珠和47 μL binding buffer混勻，然后加入到50 μL的PCR產(chǎn)物中，1 300～1 400 r·min-1室溫下振蕩混勻10～15 min；預(yù)先在PSQ Low反應(yīng)板中加入40 μL含有0.3 μmol·L-1測(cè)序引物的Annealing Buffer；在Vacuum prep workstation中進(jìn)行單鏈制備，備用。再根據(jù)軟件提示，在試劑艙相對(duì)應(yīng)位置加入所需的底物，酶和A、C、G、T。焦磷酸測(cè)序反應(yīng)堿基噴入次序（dispensation order）為C/TAGCTCTGGGA。由C-T堿基峰高與后續(xù)AGCTC堿基峰高比較可以看出，SNP分型為C/T，篩選得到的SNP位點(diǎn)可對(duì)6份大白菜雜交種進(jìn)行純度鑒定，測(cè)序結(jié)果如圖6所示。

表3 SNP引物序列

圖6 6種大白菜雜交種SNP鑒定結(jié)果

2.5 13 799 SNP位點(diǎn)獲取

通過(guò)NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)蕓薹屬SNP位點(diǎn)，設(shè)計(jì)PCR引物，對(duì)大白菜雜交種及其親本進(jìn)行擴(kuò)增，擴(kuò)增產(chǎn)物送上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司測(cè)序，應(yīng)用生物學(xué)軟件對(duì)序列進(jìn)行Blast比對(duì)，對(duì)候選位點(diǎn)設(shè)計(jì)SNP焦磷酸引物，進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)津夏3號(hào)驗(yàn)證13 799是否為SNP位點(diǎn)，能否用于雜交種純度鑒定。

2.5.1 依據(jù)蕓薹屬SNP位點(diǎn)設(shè)計(jì)PCR引物 通過(guò)查詢(xún)CuGenDB數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得Contig 13 799序列信息，該序列在94 bp 處具有C/T/A多態(tài)性的候選SNP位點(diǎn)、在96 bp 處具有C/T/G多態(tài)性的候選SNP位點(diǎn)、在107 處具有C/T/G多態(tài)性的候選SNP位點(diǎn)。使用LightScanner Primer Design software設(shè)計(jì)用于高分辨率熔解曲線技術(shù)掃描分析（HRM）的PCR引物，上游引物序列為 H13799-F：5′-TTACTTTCGCCGACACAAAC -3′，下游引物序列為 H13799-R：5′- ATGTGCTCCTATGTAACCCA-3′。

2.5.2 測(cè)序及SNP引物設(shè)計(jì) 依據(jù)HRM掃描分析結(jié)果，將候選SNP位點(diǎn)送上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司測(cè)序，依據(jù)Contig 13 799序列信息，使用PSQ Assay Design軟件設(shè)計(jì)一套焦磷酸測(cè)序引物，包括PCR上游引物P13799-F：Biotin-5′-CAACCATTGCTGATTAGAGTAACA-3′、下 游 引 物 P13799-R：5′-TTGATTTAGCGTTAGGGAGTCTG -3 ′ 及 測(cè) 序 引 物 P13799-Seq：5′-GCTAGTGAGACCGTTAAGAT-3′。

2.5.3 焦磷酸測(cè)序結(jié)果 依據(jù)HRM掃描分析結(jié)果，對(duì)候選SNP位點(diǎn)進(jìn)行PCR擴(kuò)增和焦磷酸測(cè)序確認(rèn)。焦磷酸測(cè)序反應(yīng)堿基噴入次序（dispensation order）為GC/TCTAGC，其中第1位堿基G和第5位堿基A為陰性對(duì)照。圖7為焦磷酸測(cè)序結(jié)果，由C、T堿基峰高與后續(xù)CTAGC堿基峰高比較可以看出，SNP分型為C/T，命名該SNP位點(diǎn)為13 799。該位點(diǎn)與采用2.4中回收雙親特征譜帶測(cè)序的技術(shù)路線，所獲取的津夏3號(hào)SNP位點(diǎn)實(shí)為大白菜品種的同一SNP分子特異性標(biāo)記位點(diǎn)。

圖7 津夏3號(hào)SNP鑒定結(jié)果

3 結(jié)論與討論

隨著基因組數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷完善以及分子輔助育種技術(shù)的突破性進(jìn)展，使得種子真實(shí)性鑒定及純度檢測(cè)的田間形態(tài)學(xué)標(biāo)記正逐步被分子標(biāo)記技術(shù)所替代。與傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)性狀鑒定相比，基于DNA水平差異的EST-SSR標(biāo)記技術(shù)，具有穩(wěn)定性高、共顯性、重復(fù)性好等特點(diǎn)，而且開(kāi)發(fā)成本相對(duì)低廉（趙新 等，2013），更重要的是其檢測(cè)不受基因表達(dá)和環(huán)境條件的影響，可以在植株生長(zhǎng)的任何階段進(jìn)行，大大提高了檢測(cè)效率，可以在育種初期及時(shí)有效地保證育種的質(zhì)量，避免造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

近年來(lái)，通過(guò)不斷研究大白菜基因組序列信息和SSR位點(diǎn)特異性分子標(biāo)記，豐富了相關(guān)數(shù)據(jù)信息，但SNP位點(diǎn)特異性分子標(biāo)記長(zhǎng)期以來(lái)未見(jiàn)研究報(bào)道，在一定程度上滯后了分子標(biāo)記等現(xiàn)代育種手段在大白菜育種和種子純度鑒定上的應(yīng)用（魯忠富 等，2012）。本試驗(yàn)基于EST序列信息，通過(guò)兩種技術(shù)路線，成功獲取到大白菜品種同一SNP分子特異性標(biāo)記位點(diǎn)，更加確保了位點(diǎn)的可靠性，同時(shí)應(yīng)用獲取EST-SNP位點(diǎn)的方法和思路，結(jié)合分子生物學(xué)基礎(chǔ)信息研究，通過(guò)進(jìn)一步的測(cè)序、篩選，可以獲取更多的EST-SNP特異性位點(diǎn)，對(duì)更多的大白菜品種或其他物種進(jìn)行標(biāo)記和鑒定，為分子輔助遺傳育種課題組下一步工作奠定了基礎(chǔ)。

然而，對(duì)于種子純度鑒定，無(wú)論是田間形態(tài)學(xué)還是分子標(biāo)記技術(shù)，其純度結(jié)果與檢樣量基數(shù)密切相關(guān)，為確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須保證充足且科學(xué)的檢樣量基數(shù)，一般一個(gè)品種的檢測(cè)數(shù)量不得少于60株單株。因此，為適應(yīng)高通量種子純度檢測(cè)的需要，本試驗(yàn)對(duì)EST-SSR標(biāo)記復(fù)合體系進(jìn)行了篩選，根據(jù)單一引物的相互位置差異進(jìn)行優(yōu)化組合，使單一引物的擴(kuò)增片段處在不同片段大小的區(qū)域，避免復(fù)合標(biāo)記結(jié)果的重疊性，同時(shí)對(duì)提高檢測(cè)效率的相關(guān)環(huán)節(jié)也進(jìn)行了優(yōu)化。復(fù)合EST-SSR標(biāo)記對(duì)10份大白菜雜交種純度鑒定具有很好的區(qū)分效果，通過(guò)一次反應(yīng)最多可同時(shí)檢測(cè)到3個(gè)不同的多態(tài)性標(biāo)記位點(diǎn)，既有效地降低了試驗(yàn)成本，同時(shí)又加大了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。通過(guò)對(duì)提高檢測(cè)效率的相關(guān)環(huán)節(jié)的摸索，確定了最佳育苗條件及DNA提取方法，對(duì)于高通量苗期單株DNA的提取可在40 min內(nèi)完成，在一定程度上有效地節(jié)省了檢測(cè)時(shí)間，降低了人力物力的消耗。

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