SNP技術(shù)在葡萄研究中的應(yīng)用進(jìn)展

張正文，王詠梅，任鳳山，趙艷俠，王鵬飛，邵學(xué)東*

（1. 君頂酒莊有限公司，山東蓬萊 265607；2. 山東省葡萄研究院/山東省葡萄栽培與精深加工工程研究中心/農(nóng)業(yè)部華東都市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250100）

SNP指的是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，全稱為Single Nucleotide Polymorphism，是目前被發(fā)現(xiàn)的第三代遺傳標(biāo)志。單核苷酸變異的原因包括轉(zhuǎn)換、顛換、缺失和插入，其數(shù)量很多，多態(tài)性豐富。一般而言，SNP是指變異頻率大于1%的單核苷酸變異[1]。SNP技術(shù)是目前最新一代的分子標(biāo)記技術(shù)，應(yīng)用于分子標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn)是分布廣、多態(tài)信息量大、易于檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)[2]。SNP分子標(biāo)記在葡萄研究中的應(yīng)用前景包括：（1）作為分子標(biāo)記應(yīng)用于鑒定品種；（2）在雜交育種中作為分子標(biāo)記確定雜交后代；（3）作為分子標(biāo)記應(yīng)用于遺傳圖譜的構(gòu)建及QTL的鑒定；（4）作為分子標(biāo)記應(yīng)用于全基因組關(guān)聯(lián)分析（Genome-wide association study，GWAS）分析；（5）應(yīng)用于葡萄分子設(shè)計(jì)育種。在所有SNP的檢測(cè)方法中，對(duì)DNA片段進(jìn)行直接擴(kuò)增、測(cè)序是最為準(zhǔn)確的方法。目前常用的SNP檢測(cè)方法包括全基因組測(cè)序法、全基因組SNP芯片、SNPlex系統(tǒng)檢測(cè)法等。

1 前、后基因組時(shí)代過渡階段SNP在葡萄研究中的應(yīng)用

早在2004年，就有研究者開始研究葡萄中的SNP。Chevreux等人開發(fā)了一個(gè)EST（expressed sequence tags，表達(dá)序列標(biāo)簽）序列組裝器，該程序可以基于EST序列檢測(cè)和分類不同變異的SNP[3]。當(dāng)時(shí)葡萄及大部分植物基因組測(cè)序尚未完成，所以葡萄SNP的研究只能基于EST庫(kù)等數(shù)據(jù)。2007年，Troggio等[4]利用釀酒葡萄‘西拉’和‘黑比諾’作為父母本構(gòu)建雜交群體，繪制了基于483個(gè)SNP的葡萄遺傳連鎖圖譜。當(dāng)時(shí)葡萄基因組尚未公布，下一代測(cè)序技術(shù)還較為落后，當(dāng)時(shí)他們利用PCR擴(kuò)增EST片段技術(shù)進(jìn)行SNP分析。2008年，Vezzulli等[5]利用3個(gè)釀酒葡萄的雜交組合構(gòu)建了一個(gè)綜合參考遺傳圖譜，該圖譜的構(gòu)建應(yīng)用了501個(gè)SNP。該研究鑒定SNP的方法已經(jīng)更新為EST文庫(kù)測(cè)序和細(xì)菌人工染色體測(cè)序（BAC-end sequences），技術(shù)上比PCR擴(kuò)增測(cè)序有了較大進(jìn)步[5]。那時(shí)葡萄基因組數(shù)據(jù)剛剛被公布[6]，但還沒有被廣泛應(yīng)用。因此也未能被應(yīng)用到該研究中。同年，Lijavetzky等[7]很快利用葡萄基因組數(shù)據(jù)開發(fā)了葡萄基因組重測(cè)序法（re-sequencing approach）和SNPlex系統(tǒng)分析技術(shù)用于高通量分析葡萄SNP。他們?cè)谄咸阎惺褂昧薙NPlex基因分型技術(shù)，并在2008年將研究葡萄SNP多態(tài)性的研究成果公布[8]。同年，Pindo[9]緊隨其后利用SNPlex系統(tǒng)鑒定了563個(gè)葡萄的新SNP。此后葡萄SNP技術(shù)的發(fā)展主要圍繞葡萄基因組數(shù)據(jù)，下一代測(cè)序技術(shù)及高通量芯片領(lǐng)域。2009年，由于下一代測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步，簡(jiǎn)化基因組文庫(kù)（Reduced representation libraries，RRLs）技術(shù)出現(xiàn)。同年，Myles等[10]利用該技術(shù)從17個(gè)葡萄品種（10個(gè)栽培品種和7個(gè)野生種）中鑒定了幾十萬(wàn)個(gè)SNP，并開發(fā)了9K genotyping芯片技術(shù)，為葡萄品種、種間鑒定和SNP分型提供了足夠的分辨率。了解種間的關(guān)系是進(jìn)化生物學(xué)的一個(gè)基本目標(biāo)，通過下一代測(cè)序和相關(guān)技術(shù)鑒定的SNP使葡萄種間系統(tǒng)發(fā)育分析成為可能。2013年，Miller等[11]提出了利用SNP技術(shù)發(fā)展葡萄系統(tǒng)基因組學(xué)，并認(rèn)為利用SNP技術(shù)分析葡萄種間進(jìn)化關(guān)系比表型觀察更為準(zhǔn)確。2015年，De Lorenzis等[12]開發(fā)了vitis18SNP芯片，用來分析71個(gè)格魯吉亞特有栽培及野生葡萄種質(zhì)，并鑒定出18775個(gè)SNP。

隨后2015—2016年的幾項(xiàng)研究，標(biāo)志著SNP技術(shù)應(yīng)用重心從鑒定葡萄品種的研究轉(zhuǎn)為QTL、功能基因及表型相關(guān)SNP的研究。2015年，Chen等[13]利用下一代限制位點(diǎn)相關(guān)DNA測(cè)序（restriction site associated DNA-seq，RAD-seq）技術(shù)，在復(fù)雜親本的釀酒葡萄雜交種[(V.vinifera×V.amurensis)×(V.labrusca×V.riparia)×V.vinifera]中共發(fā)現(xiàn)1826個(gè)SNP?；诖藰?gòu)建了高密度遺傳圖譜，并首次定位了控制葡萄中單糖（果糖、葡萄糖）和酸（蘋果酸和酒石酸）的QTL。2015年，Houel等[14]用18K SNP芯片對(duì)129株來自于‘Picovine×白玉霓’Flb的雜交群體進(jìn)行基因分型，并在親本圖譜上鑒定出10個(gè)穩(wěn)定的關(guān)于葡萄果實(shí)發(fā)育和品質(zhì)或葉面積的QTL。2016年，Zyprian等[15]基于151個(gè)葡萄個(gè)體的SNP分析，定位出一個(gè)位于18號(hào)染色體的抗霜霉病的主效QTL，和一個(gè)位于15號(hào)染色體的抗白粉病的主效QTL。2015年，Tello等[16]鑒定出葡萄果實(shí)數(shù)目和果穗第一分枝長(zhǎng)度相關(guān)的SNP。2015年，Pereira等[17]對(duì)22不同葡萄品種中花色苷合成途徑中的chalcone isomerase（CHI）和UDP-glucose:fl avonoid 3-O-glucosyltransferase（UFGT）基因進(jìn)行SNP分型鑒定。結(jié)果顯示，CHI基因在序列中呈現(xiàn)5個(gè)單核苷酸多態(tài)性，在UFGT基因中共發(fā)現(xiàn)58個(gè)SNP，從而可利用這些SNP區(qū)分22個(gè)品種中的18個(gè)不同基因型[17]。雖然很多SNP與葡萄表型的關(guān)聯(lián)分析被研究，但當(dāng)時(shí)還沒人開始嘗試葡萄GWAS研究。2016年，Catalano等[18]將SNP技術(shù)應(yīng)用于葡萄酒鑒定，開發(fā)了一種基于SNP的葡萄酒可追溯性方法。

2 近3年SNP技術(shù)在葡萄研究中快速發(fā)展

2017—2019年，SNP技術(shù)應(yīng)用于葡萄研究的目的和手段雖無革命性改變，但研究總量有了大幅提升。這與下一代測(cè)序、芯片技術(shù)的高速發(fā)展相關(guān)。這期間，我們搜索到至少15篇相關(guān)的高水平SCI論文。GWAS這種基于SNP技術(shù)的研究方法在葡萄中開始被應(yīng)用。2019年，Guo等[19]利用GWAS分析，鑒定出了葡萄果實(shí)重量、味道、紋理等表型相關(guān)的QTL。同年，Liang等[20]利用GWAS分析，鑒定出了葡萄果實(shí)性狀、芳香化合物等表型相關(guān)的SNP和基因。2018年，Lauco等[21]利用18k SNP genotyping array芯片探測(cè)了783個(gè)葡萄品種中的10207個(gè)SNP，并利用GWAS技術(shù)分析了與葡萄基本表型相關(guān)聯(lián)的SNP。2018年，Sapkota等[22]利用GWAS技術(shù)定位出‘諾頓’（Norton）葡萄抗霜霉病相關(guān)的QTL。

此外，2018年，Smith等[23]鑒定了根結(jié)線蟲和黃褐變線蟲抗性關(guān)聯(lián)的SNP。2018年，Ma等[24]利用重測(cè)序鑒定SNP的方法研究東亞野生葡萄種的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系及遷徙路線。結(jié)果表明，東亞葡萄最可能的遷徙路線是從東北亞向南，到南亞和東南亞。其他相關(guān)研究還包括：利用SNP基因分型闡明麥格納（Magna Graecia）葡萄種質(zhì)遺傳多樣性及其傳播的歷史淵源[25]，用于鑒定葡萄品種的SNP探測(cè)平臺(tái)發(fā)展[26]；利用高通量測(cè)序鑒定SNP，解釋葡萄進(jìn)化關(guān)系，北美種和歐亞種葡萄之間的關(guān)系[27]；利用SNP技術(shù)研究圓葉葡萄和歐洲葡萄的雜交滲入情況[28]；利用SNP技術(shù)研究意大利撒丁島葡萄品種的序列多態(tài)性和結(jié)構(gòu)變異[29]，野生和栽培葡萄SNP的探測(cè)等[30]；利用SNP技術(shù)研究格魯吉亞葡萄品種的親緣關(guān)系[31]；葡萄的馴化、糖度、香氣的人工選擇研究等[32]。

2018年日本一項(xiàng)新規(guī)則規(guī)定，以產(chǎn)自日本的葡萄原料釀造的葡萄酒應(yīng)標(biāo)為“日本葡萄酒”。日本釀酒葡萄品種‘甲州’（Kosyu）是通過SNP技術(shù)認(rèn)定的日本本地品種。其釀造的葡萄酒帶有柑橘香味?！砝倜倒濉∕uscat Bailey）也是日本培育的本地品種，它特有的芳香已確認(rèn)是呋喃妥所致。這些特點(diǎn)也已經(jīng)被找到相關(guān)的SNP，用來鑒定日本葡萄酒[33]。

3 感想和展望

SNP技術(shù)在葡萄研究中突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對(duì)于葡萄育種、新品種鑒定、功能基因等領(lǐng)域的研究意義重大，推動(dòng)了葡萄基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的發(fā)展，進(jìn)而能推動(dòng)葡萄和葡萄酒產(chǎn)業(yè)的快速進(jìn)步。后基因組時(shí)代，SNP技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并大放異彩。

目前葡萄研究中還存在很多的問題，可以利用SNP技術(shù)解決。例如，我們?nèi)绾胃玫拇_定雜交后代？作者認(rèn)為利用全基因組測(cè)序技術(shù)檢測(cè)子代中含有父母本SNP的比例是一個(gè)較為科學(xué)的方法[21]，這比簡(jiǎn)單的用幾個(gè)分子標(biāo)記去檢測(cè)更為可信。隨著SNP技術(shù)的完善，進(jìn)一步推動(dòng)檢測(cè)成本降低，也許該技術(shù)將來會(huì)成為一個(gè)檢測(cè)雜交后代的金標(biāo)準(zhǔn)。目前，SNP在分子設(shè)計(jì)育種中的應(yīng)用報(bào)道較少，相信將來會(huì)增多。預(yù)測(cè)SNP技術(shù)對(duì)分子設(shè)計(jì)育種也將起到重要作用。