羅燕秋,黃雯,余克服*,李明,武茜,王英輝,李揚(yáng),陶永健,陳胤民
(1.廣西大學(xué)珊瑚礁研究中心, 廣西南寧530004;2.廣西南海珊瑚礁研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧530004;3.廣西大學(xué)海洋學(xué)院, 廣西南寧530004; 4.廣西大學(xué)林學(xué)院,廣西南寧530004)
造礁石珊瑚是低等無脊椎動(dòng)物,生活于熱帶淺海底,在動(dòng)物學(xué)上屬于刺胞動(dòng)物門珊瑚蟲綱六放珊瑚亞綱石珊瑚目,種類繁多[1]。造礁珊瑚與蟲黃藻共生是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)中最基本的生態(tài)特征,蟲黃藻生活在宿主珊瑚蟲內(nèi)胚層細(xì)胞的液泡中。蟲黃藻隨著環(huán)境的變化而呈現(xiàn)出不同的顏色變化,因此使其宿主珊瑚呈現(xiàn)出不同的色彩[2]。珊瑚—蟲黃藻共生系統(tǒng)是珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,而珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)是地球上重要的生態(tài)景觀和人類最重要的資源之一,具有極高的初級(jí)生產(chǎn)力和豐富的生物多樣性,因此也被形象地稱為“熱帶海洋沙漠中的綠洲”[3]。它不但為海洋生物提供充足的食物和棲息地,而且具有極其重要的防浪護(hù)岸效應(yīng),保護(hù)海岸線免受潮汐風(fēng)暴的侵蝕,為人類提供安全的生態(tài)環(huán)境[4-5]。但近年來,由于人類活動(dòng)的破壞和環(huán)境的惡化,全球范圍的珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重退化,因此,對(duì)珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)工作迫在眉睫。
為了更好地保護(hù)珊瑚礁,對(duì)其遺傳多樣性的研究極其必要,而分子標(biāo)記技術(shù)因其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì),逐漸被應(yīng)用于遺傳多樣性的研究。微衛(wèi)星DNA (microsatellite)作為廣泛分布在真核生物基因組的編碼區(qū)和非編碼區(qū)的一種分子標(biāo)記,又稱為簡單重復(fù)序列(simple sequence repeats,SSR)[6],是真核生物基因組重復(fù)序列的主要組成部分。由1~6個(gè)堿基作為重復(fù)單位構(gòu)成,一個(gè)簡單重復(fù)序列的總長度可達(dá)幾十到幾百個(gè)堿基;其分布具隨機(jī)性,每隔一定距離就會(huì)有一個(gè)微衛(wèi)星DNA[7]。因?yàn)槲⑿l(wèi)星標(biāo)記具有豐度高、重復(fù)性好、可靠性高、對(duì)DNA質(zhì)量和數(shù)量要求不高、分布均勻、多態(tài)性高、共顯性表達(dá)等優(yōu)點(diǎn),符合孟德爾遺傳模式,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于貝類等海洋生物的遺傳多樣性分析和遺傳圖譜的構(gòu)建等方面的工作[8]。關(guān)于珊瑚微衛(wèi)星標(biāo)記的開發(fā),只有少量的學(xué)者做了相關(guān)報(bào)道:POLATO等[9]通過開發(fā)9對(duì)微衛(wèi)星標(biāo)記并應(yīng)用于夏威夷群島和鄰島Johnston Atoll之間的基因流模型和種群結(jié)構(gòu)研究,發(fā)現(xiàn)遺傳距離和地理隔離呈正相關(guān)的關(guān)系,符合距離模型。但基因流主要發(fā)生在鄰近夏威夷的環(huán)礁島嶼之間,使整個(gè)群島之間不足以產(chǎn)生固定的種群結(jié)構(gòu)[9]。BAUMS等[10]開發(fā)并應(yīng)用12對(duì)微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)太平洋中部和東部濱珊瑚的基因流進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)地理環(huán)境已導(dǎo)致了較大程度的海洋生物地理隔離,對(duì)基因流起到阻礙作用[10]。TAY等[11]開發(fā)并應(yīng)用了7對(duì)微衛(wèi)星標(biāo)記,以新加坡附近島嶼和印度尼西亞民丹島嶼的中華扁腦珊瑚為研究對(duì)象探究新加坡海峽對(duì)珊瑚基因流的影響[11]。STARGER等[12]開發(fā)了10對(duì)鹿角杯形珊瑚的微衛(wèi)星引物以解決珊瑚種群遺傳學(xué)問題和探索其生殖方式。我國楊新龍[13]采用磁珠富集法分離尖邊扁腦珊瑚微衛(wèi)星序列合成引物對(duì)4種造礁石珊瑚群體進(jìn)行分析。蘇定佳[14]通過磁珠富集法開發(fā)了7對(duì)叢生盔形珊瑚微衛(wèi)星引物并對(duì)海南和西沙的叢生盔形珊瑚進(jìn)行了遺傳多樣性和遺傳結(jié)構(gòu)的研究。但這些標(biāo)記不足以滿足南海珊瑚群體遺傳學(xué)的研究,我國珊瑚群體間的遺傳結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性信息依然匱乏,遺傳關(guān)聯(lián)性和進(jìn)化關(guān)系未知,這在很大程度上阻礙了珊瑚礁的科學(xué)保護(hù)和生態(tài)修復(fù),亟待進(jìn)行更深入的研究。
用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法如磁珠富集法等開發(fā)珊瑚微衛(wèi)星標(biāo)記,一般會(huì)涉及到多次的引物設(shè)計(jì),PCR擴(kuò)增以及基因克隆,并且每次的實(shí)驗(yàn)過程中只能針對(duì)一個(gè)標(biāo)記,不但非常繁瑣和耗時(shí),而且價(jià)格昂貴。另外,由于珊瑚共生蟲黃藻的存在,通過傳統(tǒng)的微衛(wèi)星開發(fā)的方法難以得到較為準(zhǔn)確的珊瑚微衛(wèi)星標(biāo)記。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,簡化基因組測(cè)序技術(shù)得到迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。
該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):
①通量高,通過該技術(shù)開發(fā)的標(biāo)記數(shù)量是傳統(tǒng)開發(fā)技術(shù)的10倍;②數(shù)據(jù)利用率高,性價(jià)比高,測(cè)序成本低;③準(zhǔn)確性高,數(shù)字化信號(hào)和高覆蓋度提高其準(zhǔn)確性;④實(shí)驗(yàn)周期性短;⑤不受基因組序列的限制,對(duì)沒有參考基因組的物種也可以進(jìn)行大規(guī)模篩查微衛(wèi)星位點(diǎn)[15]。
因此,它不僅能在一次性實(shí)驗(yàn)過程中獲得數(shù)以萬計(jì)的標(biāo)記,還能普遍應(yīng)用于非模式生物的研究。本研究運(yùn)用簡化基因組測(cè)序技術(shù)(RAD-seq),利用限制性內(nèi)切酶對(duì)基因組進(jìn)行酶切,產(chǎn)生一定大小的片段,構(gòu)建測(cè)序文庫,對(duì)酶切后產(chǎn)生的RAD標(biāo)記進(jìn)行高通量測(cè)序[16-17]。基于以上測(cè)序結(jié)果,對(duì)鹿角杯形珊瑚進(jìn)行了微衛(wèi)星標(biāo)記的開發(fā),了解了鹿角杯形珊瑚微衛(wèi)星分布頻率和數(shù)量,從基因組水平闡明鹿角杯形珊瑚微衛(wèi)星的特征和組成,為更深入的應(yīng)用微衛(wèi)星標(biāo)記技術(shù)對(duì)珊瑚群體遺傳學(xué)進(jìn)行研究,進(jìn)而為更加科學(xué)的保護(hù)和修復(fù)珊瑚礁提供了新的參考和思路。
研究所需的鹿角杯形珊瑚樣品來自三亞鹿回頭(18.2176°N,109.4855°E)。采樣點(diǎn)深度4~10 m,用剪刀進(jìn)行取樣,在采樣的同時(shí)把對(duì)珊瑚的傷害降到最小。所采集珊瑚樣品之間的距離大于5 m,盡可能避免在同一珊瑚株系上采集[18]。剪取1~2 cm樣品組織保存在5 mL的離心管,用95 %的酒精固定,置于-20 ℃的冰箱保存。取兩塊約25 cm2的活珊瑚帶水運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室,在室內(nèi)模擬系統(tǒng)中進(jìn)行培養(yǎng),待其狀態(tài)恢復(fù)。設(shè)置對(duì)照組實(shí)驗(yàn),一塊珊瑚置于室溫中(水溫26 ℃)繼續(xù)培養(yǎng)[圖1(a)];另一塊珊瑚放在另一個(gè)珊瑚培養(yǎng)缸中,對(duì)其進(jìn)行升溫處理(將加熱棒設(shè)置為32 ℃),觀測(cè)珊瑚顏色變化至顯著變白[圖1(b)],待其變白后,剪取1~2 cm樣品組織并用95 %的酒精固定和保存于2 mL的離心管,利用TIANGEN(天根生化科技有限公司)試劑盒提取樣本組織基因組。
(a) 置于室溫培養(yǎng)的鹿角杯形珊瑚
DNA樣本送往北京諾禾致源生物信息科技有限公司檢測(cè),檢測(cè)合格的DNA樣品通過酶切、隨機(jī)打斷,經(jīng)末端修復(fù)、加A尾、加測(cè)序接頭、純化、PCR擴(kuò)增等步驟完成整個(gè)文庫制備。構(gòu)建好的文庫通過Illumina(測(cè)序儀)進(jìn)行測(cè)序。測(cè)序后先用ClusterW軟件比對(duì)2個(gè)蟲黃藻(Acroporadigitifera和Stylophorapistillata)和一個(gè)細(xì)菌(Symbiodiniumkawagutii) 的基因組[19-21],比對(duì)基因組序列,確定其污染很少后,利用該公司自主研發(fā)的SOAPdenovo,SOAPdenovo II等組裝軟件對(duì)樣品進(jìn)行分子標(biāo)記開發(fā)。
應(yīng)用SSR search 軟件檢測(cè)DNA序列中簡單重復(fù)序列。首先用該檢測(cè)軟件檢測(cè)DNA序列中所有簡單重復(fù)序列,然后對(duì)第一個(gè)模塊的結(jié)果進(jìn)行過濾去掉距離過近的簡單重復(fù)序列,最后運(yùn)用Primer 5[15]進(jìn)行引物設(shè)計(jì)。微衛(wèi)星檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)有以下幾點(diǎn):①SSR重復(fù)單元的最小長度為2;②SSR重復(fù)單元的最大長度為6;③SSR序列的最小長度為12;④SSR上下游序列長度為100 bp以上;⑤兩個(gè)SSR的最小距離為12 bp。從設(shè)計(jì)的引物中挑選部分引物并在上游引物添加熒光標(biāo)記(FAM)后,送往生工生物(上海)有限公司進(jìn)行合成。
參照合成引物的退火溫度,使用5個(gè)鹿角杯形珊瑚DNA樣品對(duì)合成引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系為20 μL:模板DNA 0.3 μL,正反引物0.4 μL,10 μL MIX,8.9 μL dd H2O。PCR 反應(yīng)程序:94 ℃預(yù)變性,3 min;94 ℃變性,45 s;退火反應(yīng)45 s,72 ℃延伸45 s,35 個(gè)循環(huán)數(shù),72 ℃ 終延伸 5 min。通過瓊脂糖凝膠電泳,篩選出能獲得清晰條帶的引物,并確定每對(duì)引物的最佳退火溫度。隨后使用三亞的32個(gè)鹿角杯形珊瑚DNA樣品進(jìn)行PCR擴(kuò)增。然后將PCR產(chǎn)物送往生工生物(上海)有限公司進(jìn)行毛細(xì)血管電泳檢測(cè)。應(yīng)用軟件MICROSATELLITE ANALYSER (MSA)[22]統(tǒng)計(jì)等位基因數(shù)(Na)、有效等位基因數(shù)(Ne)、觀測(cè)雜合度(Ho)和期望雜合度(He);應(yīng)用 GENEPOP v.4.1.4[23]對(duì)每個(gè)微衛(wèi)星位點(diǎn)的哈迪—溫伯格平衡指數(shù)進(jìn)行計(jì)算和位點(diǎn)間連鎖不平衡的分析;應(yīng)用軟件PIC-CALC分析各微衛(wèi)星位點(diǎn)的多態(tài)信息含量值 (polymorphic information content, PIC)。
測(cè)序結(jié)果共有原始數(shù)據(jù)4.064 G,經(jīng)過過濾后共獲得有效數(shù)據(jù)3.945 G。 Qphred=-10log10(e)(e為測(cè)序錯(cuò)誤率,Qphred為Illunima HiSeqTM2000/MiseqTM的堿基質(zhì)量值),Phred值為20和30,堿基正確識(shí)別率分別為99 %和99.9 %。本次測(cè)序中的Phred值大于20和30的堿基占所有堿基的百分比分別為96.79 %和92.22 %,RAD-Tag的捕獲率為96.11 %,以上的所有樣本的數(shù)據(jù)量充足,測(cè)序質(zhì)量合格,GC分布正常,因此,建庫、測(cè)序成功(表1)。
根據(jù)聚類組裝結(jié)果可知,組裝獲得序列總長度為105 464 766 bp,對(duì)100 bp 以下的conting進(jìn)行過濾后獲得302 970個(gè)conting,其中N50 length(序列從大到小排列,當(dāng)長度達(dá)到組裝總長度一半時(shí),conting的長度)的長度為348 bp,組裝基因組的平均覆蓋深度為23.16 X,其中4 X覆蓋度在85.20 %以上,GC含量為37.70 %,拼接結(jié)果正常,拼接序列質(zhì)量較高。測(cè)序完畢,選取5 000對(duì)pair-end數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫比對(duì),結(jié)果發(fā)現(xiàn),有19對(duì)pair-end 是屬于Selenastrumminutum、Symbiodiniummicroadriaticum、Grosmanniaclavigera的,即序列中摻加非鹿角杯形珊瑚的比例約為0.38 %,結(jié)果表明本研究采用的人工白化的方法可較好排除共生蟲黃藻和細(xì)菌等基因的影響。
表1 測(cè)序數(shù)據(jù)質(zhì)量情況匯總Tab.1 Summary of sequencing data
對(duì)鹿角杯形珊瑚基因組的序列進(jìn)行微衛(wèi)星查找,在鹿角杯形的高通量測(cè)序數(shù)據(jù)庫中進(jìn)一步搜索含有2~6重復(fù)單元的微衛(wèi)星標(biāo)記,從總長為105 464 766 bp的302 970個(gè)conting中篩選出 2 901個(gè)潛在的微衛(wèi)星位點(diǎn),通過引物設(shè)計(jì)獲得 2 786對(duì)微衛(wèi)星引物,片段引物設(shè)計(jì)率為96.04 %。鹿角杯形珊瑚微衛(wèi)星各重復(fù)類型之間的微衛(wèi)星標(biāo)記數(shù)量相差較明顯,各類型SSR分布密度差異明顯(表2)。在所得到的2 786對(duì)微衛(wèi)星引物序列中,分布最多的重復(fù)類型為三核苷酸重復(fù)(57.93 %);其次是四核苷酸重復(fù)(20.67 %)、二核苷酸重復(fù)(14.54 %)、五核苷酸重復(fù)(5.28 %);分布最少的是六核苷酸重復(fù)(1.58 %)。
在五種堿基重復(fù)類型中,二核苷酸一共有12種重復(fù)單元,三核苷酸一共有57種重復(fù)單元,四核苷酸一共有110種重復(fù)單元,五核苷酸一共有60種重復(fù)單元,六核苷酸一共有38種重復(fù)單元。其中,二核苷酸重復(fù)微衛(wèi)星一共有405個(gè),AT重復(fù)單元所占的比例最高為107個(gè)(26.42 %),其次是92個(gè)TA重復(fù)單元(22.72 %)。三核苷酸重復(fù)微衛(wèi)星一共有1 614個(gè),TTG一共有126個(gè)(7.80 %),AAT、ATT、TTA、AAC這四個(gè)重復(fù)單元緊隨其后,分別有122個(gè)(7.56 %)、107個(gè)(6.62 %)、101個(gè)(6.26 %)和100個(gè)(6.20 %)。四核苷酸重復(fù)微衛(wèi)星一共有576個(gè),分布種類較多,但是數(shù)量較少,AAAC重復(fù)單元所占比例較高。五核苷酸重復(fù)單元一共有147個(gè),數(shù)量最多的重復(fù)單元是AAAAC,一共18個(gè)。六核苷酸重復(fù)單元一共44個(gè),重復(fù)單元數(shù)目都在1到2之間(表2)。
表2 不同重復(fù)單元核心序列微衛(wèi)星所占的比例Tab.2 Proportion of microsatellites with different repetitive unit core sequences
篩選出6對(duì)鹿角杯形珊瑚微衛(wèi)星引物(表3),對(duì)32個(gè)鹿角杯形珊瑚樣品進(jìn)行擴(kuò)增,然后把PCR產(chǎn)物送往生工生物(上海)有限公司進(jìn)行毛細(xì)血管電泳檢測(cè),引物L(fēng)B1、LB11在三亞鹿回頭鹿角杯形珊瑚群體擴(kuò)增的毛細(xì)血管圖見圖2。
表3 鹿角杯形珊瑚微衛(wèi)星標(biāo)記的多態(tài)性信息Tab.3 Polymorphism information of Pocillopora damicornis microsatellite markers
判讀結(jié)果(圖2)后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn):有效等位基因數(shù)(Ne)為2.198~5.000;觀測(cè)雜合度(Ho)為0.531~0.875;期望雜合度(He)為0.512~0.816之間;Shannon多樣性指數(shù)為0.856~1.829;多態(tài)信息含量(PIC)為0.441~0.777(表3);在6對(duì)微衛(wèi)星引物中,有4個(gè)位點(diǎn)屬于高度多態(tài)性位點(diǎn)(PIC >0.5),LB2、LB11屬于中度多態(tài)性位點(diǎn);經(jīng)Bonferroni 校正后,只有位點(diǎn)LB11偏離哈迪—溫伯格平衡;連鎖不平衡檢驗(yàn)結(jié)果顯示,位點(diǎn)之間不存在連鎖不平衡現(xiàn)象。
(a) 引物L(fēng)B1在三亞鹿回頭鹿角杯形珊瑚群體擴(kuò)增的部分毛細(xì)血管圖
(b) 引物L(fēng)B11在三亞鹿回頭鹿角杯形珊瑚群體擴(kuò)增的部分毛細(xì)血管圖
微衛(wèi)星標(biāo)記是分子遺傳學(xué)研究中的一種重要工具,篩選微衛(wèi)星序列的傳統(tǒng)方法有磁珠富集法、數(shù)據(jù)庫查找法、基因組文庫法和近緣物種篩選法等[24]。而珊瑚群體遺傳學(xué)的研究目前還處于探索的階段,現(xiàn)有的珊瑚基因組數(shù)據(jù)庫不足以滿足我們對(duì)珊瑚遺傳學(xué)的深入研究,同時(shí)由于珊瑚共生蟲黃藻的存在,難以獲得純的珊瑚DNA,因此傳統(tǒng)的微衛(wèi)星開發(fā)方法難以得到較為準(zhǔn)確的珊瑚微衛(wèi)星標(biāo)記,而基于高通量測(cè)序技術(shù)的簡化基因組測(cè)序方法開發(fā)微衛(wèi)星標(biāo)記的最大優(yōu)點(diǎn)就是開發(fā)的周期短、效率高、靈活性高、成本低。應(yīng)用簡化基因組測(cè)序能獲得大量的標(biāo)記,通過異常值檢驗(yàn)(outlier test)可以檢測(cè)出大量受到正向選擇的位點(diǎn),因此能較好地應(yīng)用于珊瑚遺傳學(xué)研究[25]。故本研究應(yīng)用簡化基因組測(cè)序方法從鹿角杯形珊瑚中開發(fā)微衛(wèi)星標(biāo)記。本研究首先控制溫度條件,對(duì)珊瑚進(jìn)行高溫脅迫排出蟲黃藻[14, 26],其次提取珊瑚DNA,然后應(yīng)用簡化基因組測(cè)序方法獲得較精準(zhǔn)的鹿角杯形珊瑚基因組序列,再比對(duì)蟲黃藻,微生物等基因組數(shù)據(jù)庫,排除蟲黃藻及其他微生物的干擾,最后開發(fā)出較為準(zhǔn)確的微衛(wèi)星標(biāo)記。
本研究一共設(shè)計(jì)了2 786對(duì)微衛(wèi)星引物,從中挑選了6對(duì)微衛(wèi)星引物對(duì)32個(gè)鹿角杯形珊瑚個(gè)體進(jìn)行PCR擴(kuò)增,發(fā)現(xiàn)其具有高度多態(tài)性,表明這種方法可用于鹿角杯形珊瑚微衛(wèi)星標(biāo)記的大規(guī)模開發(fā)。研究報(bào)道,微衛(wèi)星的多態(tài)性和核心序列的重復(fù)數(shù)呈正相關(guān)的關(guān)系,重復(fù)單元越多的位點(diǎn),其多態(tài)性越高。WEBER[27]的研究表明微衛(wèi)星核酸序列的重復(fù)單元只有達(dá)到一定程度時(shí),才表現(xiàn)出多態(tài)性,例如,只有在 2 堿基重復(fù)序列次數(shù)達(dá)到 12次時(shí),微衛(wèi)星標(biāo)記才能表現(xiàn)出較高的多態(tài)性;而重復(fù)單元次數(shù)低于5的微衛(wèi)星位點(diǎn)一般無法檢測(cè)出多態(tài)性[28]。多態(tài)性信息含量是指一個(gè)后代所獲得的某個(gè)等位基因標(biāo)記來源于其親本的同一個(gè)等位標(biāo)記的可能性大小[29-30]。FERESU-SHONHIWA等[31]認(rèn)為當(dāng)PIC>0.70時(shí),該微衛(wèi)星標(biāo)記是最理想的標(biāo)記。在本研究選取的6對(duì)引物中,有4對(duì)表現(xiàn)為高度多態(tài)性(PIC>0.5),LB2、LB11表現(xiàn)為中度多態(tài)性,其中LB1,LB12的多態(tài)性信息值大于0.7。32個(gè)鹿角杯形珊瑚樣品的DNA通過PCR擴(kuò)增后所得到的有效等位基因數(shù)、觀測(cè)雜合度、期望雜合度、Shannon指數(shù)和多態(tài)信息位點(diǎn)均表現(xiàn)出較高的遺傳多樣性。因此,本研究得到的微衛(wèi)星標(biāo)記較理想。
本研究開發(fā)的微衛(wèi)星標(biāo)記多態(tài)性高,且可以排除共生蟲黃藻DNA的影響,特異性地檢測(cè)到珊瑚蟲的遺傳信息,可以廣泛地應(yīng)用于珊瑚群體遺傳學(xué)和分類學(xué)研究,如構(gòu)建遺傳連鎖圖譜、進(jìn)化生物學(xué)、種質(zhì)鑒定及遺傳育種等,并為珊瑚種質(zhì)資源的評(píng)估、珊瑚礁的科學(xué)保護(hù)做出積極的貢獻(xiàn)。