VNTR分子標(biāo)記在甜菜細(xì)胞質(zhì)類型鑒定的應(yīng)用研究

張 輝，王 良，付增娟，李曉東，趙尚敏，鄂圓圓，鄭文哲，張自強(qiáng)，張必周，張惠忠

（內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010031）

甜菜是二年生常異花授粉作物，是重要的蔗糖榨取原料。二年生作物的生育周期較長(zhǎng)，制約了育種工作進(jìn)程。線粒體是起源于α-變形菌門的內(nèi)共生細(xì)胞器[1]；雖然線粒體擁有自己的基因組，但其遺傳信息不足以維持線粒體的功能，需要大量的核基因進(jìn)行相互作用[2]；不適當(dāng)?shù)木€粒體-核相互作用可表現(xiàn)在壽命、雌性配子體發(fā)生或雄性配子體發(fā)生等過程[3-5]；線粒體-核相互作用對(duì)雄性配子體發(fā)生的影響已經(jīng)在植物中得到了廣泛研究，被稱為細(xì)胞質(zhì)雄性不育（CMS）[6]。目前，已在150 多種植物中發(fā)現(xiàn)了CMS[7]。CMS 的表達(dá)可以用一個(gè)遺傳模型來解釋，線粒體因子S 為“不育”，雄性不育與核因子Rf（恢復(fù)基因）相互作用，其顯性等位基因抑制S 的作用。在這個(gè)遺傳模型中，雄性不育只有在植物的非恢復(fù)等位基因時(shí)才能表達(dá)，基因型為［S］rfrf。在基因組中可能存在一個(gè)或多個(gè)Rf 基因[8]。例如，CMS-T 是玉米的3 種CMS 類型之一，需要Rf1（或另一個(gè)等效基因）和Rf2 恢復(fù)生育能力[9]。此外，當(dāng)花粉育性分離復(fù)雜時(shí)，還提出一種本身不能恢復(fù)花粉育性但能修飾Rf 作用的修飾基因。DUVICK[10]在一些與玉米CMS-T相關(guān)的交叉試驗(yàn)中提出了修飾基因參與了生育能力恢復(fù)。因此，一些次要基因可能參與了CMS 的表達(dá)，這意味著CMS 處于一個(gè)復(fù)雜的遺傳系統(tǒng)的控制之下。CMS 是農(nóng)業(yè)中的一個(gè)重要特征，因?yàn)樗鼮榇笠?guī)模雜交種子生產(chǎn)提供了理想的種子親本[11]。甜菜生產(chǎn)上使用的商業(yè)品種也是利用CMS 配制雜交種。甜菜育種者大量使用了OWEN[12]發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞質(zhì)雄性不育型材料（Owen 型不育系）。由于CMS 植物不能自花傳粉，它們的繁殖需要與CMS 株系具有相同的核基因型且沒有任何顯性Rf 基因的親本維持繁殖，但由于該親本的線粒體基因育性正常，這種親本被稱為保持系，基因型為[N]rfrf。如果某植物和該CMS 植物雜交后的所有F1是雄性不育的，則該植物是保持系。

在甜菜育種工作中，不育系的利用能大大提高雜交育種的效率。通常在花期進(jìn)行育性調(diào)查進(jìn)而對(duì)保持系和不育系材料進(jìn)行有效選擇。但在調(diào)查過程中難免存在漏查和誤查，從而導(dǎo)致后代選擇的材料出現(xiàn)不純現(xiàn)象。NISHIZAWA 等[13]開發(fā)出線粒體基因組里的TR1、TR2、TR3 和TR4 特異引物，發(fā)現(xiàn)線粒體基因組有4 個(gè)數(shù)目可變串聯(lián)重復(fù)序列（VNTR）位點(diǎn)，在7 個(gè)基因型的甜菜中被檢測(cè)出存在2～13 個(gè)不同的重復(fù)數(shù)。CHENG 等[14-15]利用VNTR分子標(biāo)記的方法對(duì)42 個(gè)中國(guó)甜菜育種系正常和雄性不育型細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行了鑒定分析，對(duì)不同的細(xì)胞質(zhì)類型進(jìn)行了梳理分類，并利用該技術(shù)對(duì)葉用和觀賞甜菜種質(zhì)資源的多樣性進(jìn)行了鑒定，鑒定出11 個(gè)多位點(diǎn)單倍型，總結(jié)了不同類型的細(xì)胞質(zhì)類型特點(diǎn)。分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高育種效率和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，本研究將已開發(fā)的VNTR 特異引物應(yīng)用于二年生甜菜保持系和不育系胞質(zhì)類型鑒選，旨在為提高甜菜育種效率、加速育種進(jìn)程提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 供試材料

內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院自育或引進(jìn)的甜菜材料40 份（表1），其中保持系960767 和不育系N9849 已經(jīng)過多年田間調(diào)查驗(yàn)證，并經(jīng)過分子鑒定應(yīng)用[16]，為已成型穩(wěn)定的成對(duì)保持系和不育系材料。其他鑒定材料為經(jīng)過田間性狀調(diào)查待鑒定胞質(zhì)類型的材料，其中，材料1～21 擬選為不育系材料、22～40 擬選為保持系材料。

表1 試驗(yàn)材料名稱情況

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 取樣和DNA 的提取

取樣：每份材料各取10 株，在苗期取甜菜植株中心的新鮮幼嫩葉片2～3 片，稱重0.8～1.2 g。將取樣后的新鮮嫩葉置于超低溫冷凍干燥機(jī)凍干48 h，將干燥后的樣品分裝置于2 mL 的離心管中，然后裝入鋼珠，用高通量破碎機(jī)將葉片打碎成粉末，之后即可用于DNA 的提取。凍干后的葉片可以在干燥的環(huán)境下長(zhǎng)期保存。

DNA 的提?。哼x用新型植物基因組DNA 提取試劑盒（天根），對(duì)已經(jīng)進(jìn)行破碎處理的葉片進(jìn)行DNA 的提取，操作按照試劑盒說明書進(jìn)行。

1.2.2 DNA 的檢測(cè)

將提取后的DNA 樣品5 μL 與6 × Loading Buffer 緩沖液1 μL 預(yù)混后點(diǎn)樣5 μL，使用1%的瓊脂糖凝膠在1×TAE 的電泳緩沖液中進(jìn)行電泳，電泳條件為120 V、30 min 左右。用凝膠成像系統(tǒng)紫外光檢測(cè)電泳結(jié)果。

1.2.3 PCR 擴(kuò)增

TR1引物：5′-AGAACTTCGATAGGCGAGAGG-3′，5′-GCAATTTTCAGGGCATGAACC-3′；TR2 引物：5′-TTAATTGCGAGACCGGAGGC-3′，5′-GAGCTTGCTC GCAGCTTATG -3′；TR3 引物：5′-AGATCCAAACAG AGGGACTG-3′，5′-CGGATCACCCTATTCATTTG-3′；TR4 引物：5′-AATGAGACCCGATTCTCTTC-3′，5′-GTTAAAAGCCCTTCTATGCC-3′[17]。PCR反應(yīng)體系：15.0 μL 體系，包括7.5 μL×2 Taq Master Mix，1.0 μL上游引物，1.0 μL 下游引物，3.0 μL DNA，2.5 μL ddH2O。PCR反應(yīng)程序：94 ℃預(yù)變性5 min，94 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸1 min，循環(huán)35 次；72 ℃延伸10 min，4 ℃保存。

1.2.4 PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物的檢測(cè)

將PCR 擴(kuò)增后的產(chǎn)物點(diǎn)樣5 μL，使用1% 瓊脂糖凝膠1×TAE 的電泳緩沖液進(jìn)行電泳。在100 V電壓下電泳30 min 左右，凝膠成像儀照相保存圖片。PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物回收及測(cè)序：選用普通瓊脂糖凝膠DNA 回收試劑盒（天根），對(duì)不同引物PCR 擴(kuò)增后的產(chǎn)物進(jìn)行回收，回收產(chǎn)物由測(cè)序公司進(jìn)行測(cè)序。

1.2.5 田間育性性狀調(diào)查

在甜菜開花始期（開花達(dá)到15%）進(jìn)行田間性狀調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容為甜菜花藥的發(fā)育狀況，花粉粒的特征和散粉的能力。二年生甜菜育性類型分為5 類：全不育型、半不育一型、半不育二型、半可育型、可育型[18]，具體性狀類型見表2。

表2 花粉育性調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)（5 級(jí)法）[19]

2 結(jié)果與分析

2.1 保持系和不育系材料不同鑒定引物檢測(cè)結(jié)果

選用內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院甜菜育種課題自育材料：保持系960767、不育系N9849。這對(duì)材料已經(jīng)過多年田間調(diào)查驗(yàn)證并經(jīng)過分子鑒定應(yīng)用，為已成型穩(wěn)定的成對(duì)保持系和不育系材料。對(duì)已開發(fā)的TR1、TR2、TR3 和TR4 特異引物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見圖1，保持系960767 標(biāo)注為O，不育系N9849 標(biāo)注為CMS。TR1 特異引物檢測(cè)效果較其他特異引物差異更明顯，保持系材料PCR 擴(kuò)增條帶位于750 bp，不育系材料PCR 擴(kuò)增條帶位于500 bp。TR3 特異引物PCR 擴(kuò)增條帶保持系材料位于500 bp，不育系材料PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物略小于保持系材料，但差異不明顯。TR2 和TR4 特異引物PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物顯示保持系和不育系材料差異不明顯。

圖1 保持系和不育系材料不同TR特異引物PCR 產(chǎn)物擴(kuò)增效果

由圖2 可知，不同材料經(jīng)TR1 引物PCR 特異擴(kuò)增后差異明顯，重復(fù)性良好，經(jīng)與成型和穩(wěn)定的保持系和不育系材料鑒定比對(duì)材料960764 和N9857 細(xì)胞質(zhì)類型為N1 型和Owen 型。

圖2 不同保持系和不育系材料TR1 特異引物PCR 產(chǎn)物擴(kuò)增效果圖

由圖3 可知，細(xì)胞質(zhì)類型為N2 型和Owen 型的保持系材料OT302 和不育系材料MS301 的PCR 產(chǎn)物擴(kuò)增效果。

圖3 Owen型細(xì)胞質(zhì)和N2型細(xì)胞質(zhì)TR1 特異引物PCR 產(chǎn)物擴(kuò)增效果

2.2 細(xì)胞質(zhì)育性分子標(biāo)記鑒定結(jié)果

試驗(yàn)利用不同的TR 特異引物檢測(cè)了40 個(gè)試驗(yàn)材料的400 個(gè)植株樣品。其中TR1、TR2、TR3、TR4 特異引物在Owen 型細(xì)胞質(zhì)檢測(cè)后的串聯(lián)重復(fù)數(shù)為4、3、2、4。在N1 型細(xì)胞質(zhì)檢測(cè)后的串聯(lián)重復(fù)數(shù)為13、3、3、3。在N2 型細(xì)胞質(zhì)檢測(cè)后的串聯(lián)重復(fù)數(shù)為6、3、3、3。TR1 特異引物PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物Owen 型細(xì)胞質(zhì)材料條帶位于500 bp，N1 型細(xì)胞質(zhì)材料條帶位于750 bp，N2 型細(xì)胞質(zhì)材料條帶位于500～750 bp。其中21 個(gè)擬入選不育類型的材料中檢測(cè)出符合Owen 型的材料有N9849-17-1、N9865-103-C1、N9857-5-1-TH1-400、MS321-C27-1-80、MS331-N70、MS343-80、MS117-3-6-4-2、MS301-500、MS351-80、MS327-70-80、MS333-70-80、MS335-N70、2068B-2、MS151-1-16-301-400、MS317-1-8-301、MS313-506-600、MS320-7-605-1-84（表3）。在擬入選不育類型的材料中檢測(cè)出MS329-N70、MS323-503-600分別為N1 型和N2 型細(xì)胞質(zhì)。材料MS351-80-1 和MS341-80 檢測(cè)的材料結(jié)果并不完全一致，說明材料不純，需要進(jìn)一步選擇純化。MS351-80-1 檢測(cè)了10 株，Owen 型細(xì)胞質(zhì)類型7 株，N1 型細(xì)胞質(zhì)1 株，N2 型細(xì)胞質(zhì)2 株。MS341-80 總共檢測(cè)了10 株，Owen 型細(xì)胞質(zhì)類型7 株，N2 型細(xì)胞質(zhì)3 株。19 個(gè)擬入選可育型材料中檢測(cè)出符合N1 型細(xì)胞質(zhì)的材料有960767-201TH-1、960764-1-11-1-1-400、OT322-C7-70-80、OT332-N70、OT352-80、OT328-70-80、BS301-13-9、OT352-80-1、OT342-80、OT152-1-6-301-400。N2 型細(xì)胞質(zhì)的材料有OT302-500。在擬入選保持系材料中檢出Owen 型細(xì)胞質(zhì)類型960766 -1077 -c1、OT344 -80、OT118 -4 -5 -4 -4、OT324-501-600（表4）。擬入選的保持系材料OT152-1-1-C301、OT330-N70、OT334-70-80 和OT336-N70 檢測(cè)的樣品結(jié)果不一致，OT152-1-1-C301 檢測(cè)了10 株，Owen 型細(xì)胞質(zhì)類型2 株，N1 型細(xì)胞質(zhì)8 株，OT330-N70 檢測(cè)的10 株中Owen 型細(xì)胞質(zhì)類型3 株，N1 型細(xì)胞質(zhì)7 株，OT334-70-80 檢測(cè)的10 株中N2 型細(xì)胞質(zhì)3 株，N1 型細(xì)胞質(zhì)7 株，OT336-N70 檢測(cè)的10 株中Owen 型細(xì)胞質(zhì)類型6 株，N2 型細(xì)胞質(zhì)4 株。這說明4 個(gè)材料不純，可以進(jìn)一步套袋選擇進(jìn)行純化。

表3 擬入選不育系材料檢測(cè)結(jié)果

表4 擬入選保持系材料檢測(cè)結(jié)果

2.3 田間育性性狀調(diào)查結(jié)果

根據(jù)表2 所列的花粉育性調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行田間育性性狀調(diào)查，40 份試驗(yàn)材料共調(diào)查400 個(gè)植株樣品，其中可根據(jù)調(diào)查結(jié)果將試驗(yàn)材料分為以下幾類（表5），可育型包括：960767-201TH-1、960764-1-11-1-1-400、OT322-C7-70-80、OT332-N70、OT302-500、OT352-80、OT328-70-80、OT334-70-80、OT352-80-1、OT342-80、OT152-1-6-301-400、OT152-1-1-C301，這些材料均存在大量花粉并進(jìn)行開裂；半可育型包括：960766-1077-c1、OT344-80、OT118-4-5-4-4、OT336-N70、BS301-13-9、OT330-N70、OT324-501-600，這些材料含有無受精能力的花粉粒及少量正常的花粉粒；全不育型包括：N9849-17-1、N9865-103-C1、N9857-5-1-TH1-400、MS321 -C27 -1 -80、MS331 -N70、MS343 -80、MS117-3-6-4-2、MS301-500、MS351-80、MS327-70-80、MS333-70-80、MS335-N70、MS351-80-1、MS341-80、MS151-1-16-301-400、MS317-1-8-301、MS313-506-600、MS320-7-605-1-84，這些材料無花粉，或含少數(shù)小孢子退化的花粉粒，花粉不開裂；半不育一型包括2068B-2，具有退化的小孢子或較之略發(fā)達(dá)的花粉粒，但不開裂；半不育二型包括MS329-N70 和MS323-503-600，這兩個(gè)材料均有花粉膜，可見花粉孔，含多個(gè)花粉粒，但無受精能力，花藥幾乎不開裂。田間調(diào)查結(jié)果對(duì)應(yīng)分子鑒定結(jié)果960766 -1077 -c1、OT344 -80、OT118 -4 -5 -4 -4、OT324-501-600，均為半可育型，但鑒定其細(xì)胞質(zhì)類型屬于S 型細(xì)胞質(zhì)，根據(jù)歐文理論這些材料的細(xì)胞核基因應(yīng)該含有可育基因X，這些材料在具體應(yīng)用時(shí)不建議選作保持系材料。而MS329-N70 和MS323-503-600 屬于半不育類型，但鑒定其細(xì)胞質(zhì)類型不屬于S 型細(xì)胞質(zhì)，在選育過程中建議不用于不育系的選擇。

表5 不同試驗(yàn)材料田間育性性狀調(diào)查結(jié)果匯總

3 討論與結(jié)論

甜菜育性基因主要是由細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核基因相互作用控制的?？勺償?shù)目串聯(lián)重復(fù)序列是具有高度遺傳多態(tài)性和高度重復(fù)性的DNA 片段，其重復(fù)單位數(shù)目的可變性，是其長(zhǎng)度多態(tài)性形成的主要機(jī)制。TOURMENTE 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，可變數(shù)目的串聯(lián)重復(fù)序列（VNTRs）在真核生物基因組中豐富且普遍存在。VNTR 既存在于小衛(wèi)星DNA 中，也存在于微衛(wèi)星DNA 中。BUARD 等[21]研究發(fā)現(xiàn)了一般微衛(wèi)星序列（重復(fù)單元的長(zhǎng)度為5 bp 或更短）和微型衛(wèi)星序列（重復(fù)單元的長(zhǎng)度為5 ～100 bp）。由于命名習(xí)慣影響以及為了便于區(qū)分，通常小衛(wèi)星DNA 中的可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列稱為VNTR，而把微衛(wèi)星DNA 中的可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列稱為STR。VNTR 的重復(fù)單位長(zhǎng)度一般在6～70 bp，重復(fù)次數(shù)為數(shù)次至數(shù)百次。CONKLIN 等[22]研究發(fā)現(xiàn)，植物線粒體基因組的一個(gè)基本標(biāo)志是其重復(fù)序列重組的傾向。所有測(cè)序的重組重復(fù)序列沒有基因序列，這表明重組是通過同源機(jī)制而不是位點(diǎn)特異性機(jī)制發(fā)生的。不同小衛(wèi)星在基因組中有特定的位置，就重復(fù)單位而言，它是多拷貝的，而對(duì)于特定基因座的片段長(zhǎng)度等位基因而言，它又是單拷貝的。在同一基因座，每一個(gè)等位基因之間的長(zhǎng)度差異剛好是重復(fù)單位的整倍數(shù)。不同座位的小衛(wèi)星VNTR 序列間的核心序列有極髙的同源性。

甜菜線粒體基因組的可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列（VNTRs）位點(diǎn)的特異性為區(qū)分正常細(xì)胞質(zhì)和雄性不育細(xì)胞質(zhì)提供了可能[13，17，23]。本研究利用已開發(fā)VNTR 特異引物（TR1、TR2、TR3、TR4）對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院選育過程中的40 份材料進(jìn)行細(xì)胞質(zhì)類型鑒定。結(jié)合這些材料的田間性狀調(diào)查，結(jié)果表明，4 個(gè)特異性引物中TR1 特異引物鑒定效果較好，TR1 特異引物PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物Owen 型細(xì)胞質(zhì)材料條帶位于500 bp，N1 型細(xì)胞質(zhì)材料條帶位于750 bp，N2 型細(xì)胞質(zhì)材料條帶位于500～750 bp。這主要是因?yàn)镹1 型細(xì)胞質(zhì)經(jīng)TR1 特異引物PCR 擴(kuò)增后的串聯(lián)重復(fù)數(shù)為13，N2 型細(xì)胞質(zhì)經(jīng)TR1 特異引物PCR 擴(kuò)增后的串聯(lián)重復(fù)數(shù)為6，Owen 型細(xì)胞質(zhì)經(jīng)TR1 特異引物PCR 擴(kuò)增后的串聯(lián)重復(fù)數(shù)為4，因此擴(kuò)增出來的N1 型和Owen 型條帶差異較大，N 型和Owen 型條帶差異較小。經(jīng)分子鑒定結(jié)果不一致的材料6 份（MS351-80-1、MS341-80、OT152-1-1-C301、OT330-N70、OT334-70-80、OT336-N70），有待進(jìn)一步純化選擇。其他材料分子鑒定結(jié)果與田間調(diào)查結(jié)果基本一致，雖有個(gè)別植株存在差異性條帶與材料不純和甜菜本身單株特異性較大有關(guān)。VNTR 特異引物的輔助選擇為甜菜保持系和不育系下一步的選育工作提供了方向和參考，為成對(duì)保持系和不育系的選擇提供分子水平的支撐。雖然該方法不能涵蓋所有的甜菜類型，但可結(jié)合田間選育做出較為準(zhǔn)確的判斷，細(xì)胞核特異性引物的成功應(yīng)用將更有效地推進(jìn)分子輔助選擇在甜菜育種中的應(yīng)用。