利用SSR_创建中国北方黍稷资源DNA_身份证
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山西农业科学2022,50(4):478-485Journal of Shanxi Agricultural Sciences doi:10.3969/j.issn.1002-2481.2022.04.05
doi
利用SSR创建中国北方黍稷资源DNA身份证
胡玉璐1,2,姜百灵1,陈凌2,王海岗2,曹晓宁2,王瑞云1,2,乔治军2(1.山西农业大学农学院,山西太谷030801;2.山西农业大学农业基因资源研究中心/农业农村部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室/杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室,山西太原030031)摘要:利用SSR标记,分析中国北方黍稷种质资源的区别与联系,根据DNA碱基的不同,制作出不同的DNA
身份证,即构建字符串DNA分子身份证、条形码DNA分子身份证和二维码DNA分子身份证,为黍稷资源管理
和保护提供依据。
用14对高基元SSR(六碱基4对、五碱基10对)引物对8个省共20份黍稷资源进行分子身份证
的构建,利用PowerMarker3.25、PopGen1.32软件计算遗传多样性参数,利用ID Analysis4.0进行引物组合优
化。
结果表明,20份材料在10个位点共检测出等位变异10个;Shannon多样性指数(I)为0.7029(RYW7)~
1.0880(RYW2),平均为0.9588;观测杂合度(Ho)为0.5000(RYW7)~0.8235(RYW12),平均为0.6866;有效
等位变异(Ne)为1.6623(RYW7)~2.7923(RYW12),平均为2.4553;期望观测杂合度(He)为0.4113(RYW7)~
0.6862(RYW2),平均为0.6024;多态性信息含量(PIC)为0.4886(RYW3)~0.7766(RYW8),平均为0.6298;
Nei's基因多样性指数(Nei)为0.3984(RYW7)~0.6598(RYW2),平均为0.5828。
关键词:黍稷;SSR;DNA条形码;DNA二维码;中国北方
中图分类号:S516文献标识码:A文章编号:1002-2481(2022)04-0478-08
Using SSR to Create DNA Identity Cards of Broomcorn Millet Resources in
Northern China
HU Yulu1,2,JIANG Bailing1,CHEN Ling2,WANG Haigang2,
CAO Xiaoning2,WANG Ruiyun1,2,QIAO Zhijun2
(1.College of Agronomy,Shanxi Agricultural University,Taigu030801,China;2.Center for Agricultural Genetic
Resources Research,Shanxi Agricultural University/Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement on Loess Plateau,Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Shanxi Key Laboratory of
Genetic Resources and Genetic Improvement of Minor Crops,Taiyuan030031,China)Abstract:In this study,SSR markers were used to analyze the difference and relationship between northern broomcorn millet germplasm resources.According to differences between DNA bases,different DNA identity cards were made in order to construct character string molecular identity cards of DNA,barcode molecular identity cards of DNA,and two-dimensional code molecular identity cards of DNA,proving management and protection of broomcorn millet resources with foundation.14pairs of high base SSR primers(4pairs of six bases and10pairs of five bases)were used to construct molecular identity cards of20 broomcorn millet resources from8provinces.PowerMarker3.25and PopGen1.32software were used to calculate genetic diversity parameters and ID Analysis4.0was utilized to optimize the primer combinations.The results showed that10alleles were detected at10loci in20materials,and Shannon diversity index(I)was0.7029(RYW7)-1.0880(RYW2),the average was0.9588;the observed heterozygosity(Ho)was0.5000(RYW7)-0.8235(RYW12),the average was0.6866;the effective allelic variation(Ne)was1.6623(RYW7)-2.7923(RYW12),the average was2.4553;the expected observed heterozygosity (He)was0.4113(RYW7)-0.6862(RYW2),the average was0.6024;the polymorphism information content(PIC)was 0.4886(RYW3)-0.7766(RYW8),the average was0.6298;Nei's gene diversity index(Nei)was0.3984(RYW7)-0.6598(RYW2),the average was0.5828.
Key words:broomcorn millet;SSR;DNA barcode;DNA two-dimensional code;northern China
收稿日期:2021-09-15
基金项目:国家现代农业产业技术体系建设专项(CARS-06-13.5-A16);山西省现代农业产业技术体系建设(杂粮)项目(2022-03);国家自然科学基金项目(31271791);山西省自然科学基金项目(201901D11126)
作者简介:胡玉璐(1997-),女,广东英德人,在读硕士,研究方向:糜子分子育种。
通信作者:王瑞云(1969-),女,山西平定人,教授,主要从事糜子分子育种研究工作。
乔治军(1964-),男,山西河曲人,研究员,主要从事旱作栽培与逆境生理研究工作。
胡玉璐等:利用SSR创建中国北方黍稷资源DNA身份证
黍稷,又名为黍(Panicum miliaceum L.),是我国传统的粮食作物,抗旱能力极强,适宜栽种在干旱以及半干旱地区,在我国的北方尤其在西北地区非常适宜种植[1-3]。
黍稷的栽种在我国旱作农业、盐碱地的开发利用和救灾补种中,发挥着十分重要的作用[4]。
黍稷具有上万年的栽培历史,多篇历史文献资料曾记载黍稷栽种在我国发展上的重要性[5-6]。
在当今日益追求健康饮食的社会生活中,杂粮因其膳食纤维丰富等原因倍受追崇,黍稷作为五谷杂粮之一,其营养成分丰富,不仅含有蛋白质、脂肪、维生素和矿物质元素等人体基本营养素,且这类营养素含量普遍高于小麦、大米等我们较常食用的谷类[7-8]。
在近些年的研究中,人们认识到黍稷具有的营养价值很高,也能达到一定的保健功效,是较为经济、实惠、安全、有疗效的食疗食品,其开发的前景十分广阔[9]。
SSR(Simple sequence repeat,简单序列重复)分子标记法具有分布均匀、数量丰富、稳定性好、技术相对完善等优点,主要在物种的基因型鉴定与品种保护、种子的纯度评价和种质保存、分子标记辅助选择育种、资源鉴定等领域中应用。
SSR标记也是目前应用较为广泛的遗传标记技术[10],在花生[11]、花椰菜[12]、棉花[13]、高粱[14]等多种作物种质资源的遗传多样性分析中应用。
SSR标记也能从DNA水平直接鉴定出品种之间的遗传差异[15]。
国际植物新品种保护联盟(UPOV)利用SSR和SNP (Single nucleotide polymorphism,单核酸多态性)作为分子标记构建作物品种DNA指纹数据库[16]。
SSR标记结合毛细管电泳技术,具有的高通量、高精度、高效率等优点,可用于大量材料的检测评定,在大豆[17]、玉米[18]、小麦[19]、水稻[20]、柑橘[21]、菜豆[22]等作物品种的DNA指纹数据库构建中应用。
DNA条形码就是基于在SSR分子标记技术,将种间基因水平差异用数字转化成条形码的形式,使品种有一个由特定数字组成的代码,对种质资源的知识产权的保护和管理具有重要作用[23-25]。
DNA条形码自2003年首次提出后,已在粮食作物(小麦和玉米等)、水果(苹果和桃等)和油料作物(芝麻、花生等)中广泛应用,使资源实现了数字化和网络化管理。
我国种质资源库已有黍稷资源9885份,地方品种占99.4%,育成品种占0.6%,种质资源丰富,对黍稷资源的开发利用具有重大意义[26]。
由于黍稷新资源的不断采集和引进,种质资源的交流越来越频繁,导致农产品品种、良种、地方品种和野生品种之间出现大量的同源异义现象,农家品种流通不足,无法发挥出优良品种的最大价值,造成种质资源严重浪费,极大地影响了资源的采集和整理效率[27]。
因此,创建准确可靠且操作便捷的资源鉴定系统势在必行,需为黍稷品种制定一份专属的DNA分子身份证,以便更好的开发和利用黍稷种质资源[28]。
在目前研究中,已有陆徐忠等[29]从48对SSR荧光引物中筛选出12对作为核心引物,构建了安徽省水稻品种127个分子指纹图谱。
侯丽媛等[30]从16对荧光SSR引物中筛选出7对引物,构建了包括苹果新品种赤霞在内的20个品种的分子识别卡。
黍稷作为一种小杂粮,其分子身份证的构建报道极少。
将条形码引入黍稷资源管理,编辑黍稷资源信息,使其具有特定的数字编码,可以解决目前存在的问题,有助于保护种质资源的知识产权[31-33]。
本研究采用SSR分子标记法,选取中国北方具有代表性的20份黍稷材料,利用14对高基元引物,拟构建20份黍稷资源的分子身份证,为黍稷资源的高效分类和应用提供一定理论基础。
1材料和方法
1.1试验材料
试验选用中国北方大部分地区20份有显著差异的黍稷材料,山西省(2份)、陕西省(4份)、黑龙江(1份)、内蒙古(4份)、河南(1份)、宁夏(3份)、甘肃省(4份)、和青海省(1份)8个省共20份黍稷资源进行种植,于三叶期取叶片0.3g,液氮速冻保存至-80℃冰箱。
20份材料如表1所示。
1.2试剂和仪器
试剂:氯仿、异戊醇、异丙醇、乙醇琼脂糖、0.5×TBE电泳缓冲液、6×DNA loading buffer、ddH2O、2×TaqPCR MasterMix含染料、30%的丙烯酰胺、TBE电泳缓冲液、过硫酸铵、TEMED、50bp Marker、AgNO3、NaOH、甲醛CTAB裂解液。
仪器:离心机、冰箱、BIO-GENER、聚丙烯酰胺凝胶电泳仪、高压灭菌锅、高速冷冻离心机、基因扩增仪、涡旋仪、NanodropND-1000核酸浓度检测仪、微波炉、琼脂糖凝胶电泳仪、Bio-Rad凝胶成像仪、移液枪。
1.3试验方法
1.3.1DNA提取和检测剪取三叶期叶片,采用改良CTAB法[34]提取基因组DNA。
利用
山西农业科学2022年第50卷第4期NanodropND-1000核酸浓度检测仪检测DNA的
浓度和纯度,用琼脂糖凝胶电泳以检测DNA的完
整性[35]。
1.3.2引物筛选、PCR扩增及产物检测用14对高基元引物(表2)扩增地理来源差异较大的20份黍稷资源,筛选条带清晰、扩增稳定且多态性较高的引物用于构建分子身份证。
20μL PCR体系含10μL2×MasterMix(中科瑞泰2×Taq PCR MasterMix含染料)、0.8μL正向引物、0.8μL反向引物、7.4μL ddH2O和1μL DNA模板。
反应程序为94℃4min;94℃40s,退火温度40s,72℃1min,36个循环;72℃8min[28]。
1.4数据处理
根据PCR扩增条带的基因组数据,有条带读“1”,无条带读“0”。
用PowerMarker3.25[36]软件计算每个引物的多态性信息含量指数(PIC),用PopGen 1.32[37]计算不同样品间的Nei's遗传距离。
利用东北农业大学开发的ID Analysis4.0软件建立分子身
表120份黍稷试验材料
Tab.1The detail of20broomcorn millet accessions in this experiment
编号Serial number
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
名称
Name
大紫秆
黄粳黍
糜子
大红袍
红黍子
临河黄糜子
黑城小黑糜
糯糜子(黍)
宁朔紫秆小红糜
双耳糜
来源
Origin
山西大同市
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陕西榆林市
黑龙江鸡西市
河南安阳市
内蒙古临河市
宁夏固原市
陕西安康市
甘肃省
内蒙古
编号
Serial number
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
名称
Name
黄糜子
炭山黄小糜
环县墨大糜
红糜子
韩府红燃
皋兰半脸红
红糜子
硬糜子
红糜子
大粒糜
来源
Origin
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甘肃环县
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甘肃兰州市
陕西榆林市
陕西黄陵县
甘肃靖远县
青海尖扎县
表2SSR引物的序列及退火温度
Tab.2Sequence of SSR primers and annealing temperature
位点Locus RYW1 RYW2 RYW3 RYW4 RYW5 RYW6 RYW7 RYW8 RYW9 RYW10 RYW11 RYW12 RYW13 RYW14
正向引物
Forward RYW primer(5'-3')
TAACGCTTCACCTTCAGACC
TTAGGGCTCTCCTGCATCC
GGAGGCGTGACAATAAAAC
AATCCACAACGCACACGAC
GACGATGCTCTTGACCTTGT
AGCCGATTTGCTGTGGAGT
TCCACTCATCCATTGCTCGT
GGGTCAGAGAATACACAGCG
CAGGTTATGGGAGGACGAG
CGATTCTACACCGACGAGG
TCCCCCGATTAGGAAAGAT
ATTAGCATCCCCCTCCAC
TATTGTCCTTCCGCTCCC
CATTCCGTTCCTTGTCTTCC
反向引物
Reverse RYW primer(5'-3')
TGAGATGGAGTTGGCTGATG
CAGCGAGTTCACCGTCAAG
GGCGTGAGGTGTTGTTTTT
ATTTGCTCCTCTCGTCGGT
CACCGTGAAATGTCTCTGCT
CTGCCTCCGATGAGTTGGT
GATGGATTCAAAGGGACGCT
GTAGGGAAGGAGAAGTGGGT
GGTGCTACGGTTACAGGGT
TGTAGGGTTCCATTCATCTCC
CTGGTGAGGTGATGAAGCC
ATCCGCTTTCCCAACCAC
ATGACTACTCTCCCCCCCT
CAGTCTCACTCCTGCGATGT
退火温度
Tm/℃
55.7
57.2
54.3
56.9
55.2
57.1
58.7
55.7
54.9
54.6
55.8
54.7
55.0
55.3
重复基序
Repeated motif
TCATCT
CGAAGC
CCTTCC
GTGCCG
CCTTT
ACACC
CGCGC
AATAG
ATCTT
CCATC
CGATT
CGTGC
GGCTT
GCGAT
重复次数
Repeated times
6
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
胡玉璐等:利用SSR创建中国北方黍稷资源DNA身份证
份证。
输入相应的字符串并使用联机条形码生成器(/app/html/bcgcode128. php)产生DNA条形码;黍稷种质基本信息及身份证通过在线二维码输入技术(https://cli.im/)产生相应的DNA二维码。
2结果与分析
2.1试验SSR的引物筛选结果
从北方黍稷栽培区选取黍稷材料共20份,对五、六碱基引物共14对SSR引物筛选,结果表明,材料相似系数为0.8,缺失引物占比为50%。
其中,有4对引物与其他引物相似系数过高,被剔除。
10对引物能够扩增出条带清晰、稳定性好、多态性高的引物,可用于分子身份证的构建的核心引物。
2.2引物多态性及遗传参数分析
用10对引物对20份黍稷种质进行了扩增。
由表3可知,在20份材料的10个基因座中检测到30个等位基因,每个基因座中检测到3个等位基因(平均3.0000);有效等位变异(Na)为1.6623(RYW7)~ 2.7923(RYW12),平均为2.4553;Shannon多样性指数(I)为0.7029(RYW7)~1.0880(RYW2),平均值为0.9588;杂合度(Ho)为0.5000(RYW7)~ 0.8235(RYW12),平均值为0.6866;期望杂合度(He)为0.4113(RYW7)~0.6862(RYW2),平均值为0.6024;Nei's的基因多样性指数(Nei)为0.3984(RYW7)~0.6598(RYW2),平均值为0.5828;多态信息含量(PIC)在0.4886(RYW3)~0.7766(RYW8),平均值为0.6298。
2.3北方栽培区黍稷的DNA分子身份证构建
本试验采用多个引物的等位基因组合来划分品种,获得分子身份证的引物为RYW10、RYW6、RYW7、RYW5、RYW1、RYW2、RYW8和RYW3共8对引物可将全部黍稷材料区分开来。
将10对引物用排列组合方式构建DNA分子身份证的即字符串DNA分子身份证。
各品种详细编码如表4所示,最终获得各品种的二维码和条形码表示其DNA分子身份证(图1)。
以表4中编号1材料为例,其字符串DNA分子身份证为10111110,表示在上述引物顺序下材料1中在引物RYW10显示有条带、RYW6显示无条带、RYW7显示有条带,依次类推,到引物RYW3无条带,即黍稷材料1的字符串DNA分子身份。
表310个SSR的遗传多样性参数
Tab.3Genetic diversity parameters of10SSR markers
引物Primer RYW1 RYW2 RYW3 RYW5 RYW6 RYW7 RYW8 RYW10 RYW12 RYW14 Mean SD 观测等位变异
(Na)
Observed num⁃
ber of alleles
3.0000
3.0000
3.0000
3.0000
3.0000
3.0000
3.0000
3.0000
3.0000
3.0000
3.0000
0.0000
有效等位变异
(Ne)
Effective num⁃
ber of alleles
2.2921
2.9391
2.1245
2.4064
2.5424
1.6623
2.6235
2.6889
2.7923
2.4811
2.4553
0.3661
Shannon多样性指数
(I)
Shannon’s diversity
index
0.9421
1.0880
0.8100
0.9483
0.9934
0.7029
1.0273
1.0362
1.0583
0.9813
0.9588
0.1188
观测杂合度
(Ho)
Observed het⁃
erozygosity
0.7368
0.5385
0.8125
0.7333
0.6667
0.5000
0.5000
0.8182
0.8235
0.7368
0.6866
0.1296
期望杂合度
(He)
Expected hetero⁃
zygosity
0.5789
0.6862
0.5464
0.6046
0.6276
0.4113
0.6365
0.6580
0.6613
0.6131
0.6024
0.0787
Nei'基因多样性指数
(Nei)
Nei's expected het⁃
erozygosity
0.5637
0.6598
0.5293
0.5844
0.6067
0.3984
0.6188
0.6281
0.6419
0.5970
0.5828
0.0751
多态性信息含量
(PIC)
Polymorphism in⁃
formation content
0.4980
0.6116
0.4886
0.6848
0.6923
0.6681
0.7766
0.6710
0.6197
0.5870
0.6298
0.0844
山西农业科学2022年第50卷第4期
表420份黍稷资源的分子身份证编码
Tab.4Code of molecular ID of20broomcorn millet resources
编号Serial number
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
名称
Name
大紫秆
黄粳黍
糜子
大红袍
红黍子
临河黄糜子
黑城小黑糜
糯糜子(黍)
宁朔紫秆小红糜
双耳糜
原产地
Origin
山西大同市
山西高平市
陕西榆林市
黑龙江鸡西市
河南安阳市
内蒙古临河市
宁夏固原市
陕西安康市
甘肃省
内蒙古
分子ID
Molecular ID
10111110
01001011
00101000
10001001
00010111
00111101
10011101
01011111
00000111
01000001
编号
Serial number
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
名称
Name
黄糜子
炭山黄小糜
环县墨大糜
红糜子
韩府红燃
皋兰半脸红
红糜子
硬糜子
红糜子
大粒糜
原产地
Origin
内蒙古包头市
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宁夏固原市
甘肃兰州市
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陕西黄陵县
甘肃靖远县
青海尖扎县
分子ID
Molecular ID
11011011
11011010
10111011
01000000
01001110
01110011
01110010
01010011
11111111
11010001
胡玉璐等:利用SSR创建中国北方黍稷资源DNA身份证
3讨论
3.1SSR遗传多样性衡量参数
黍稷是一种遗传变异多样的古老作物,已有大量相关研究。
前人研究表明,黍稷基因多样性指数分别为0.7360、0.7686、0.6284、0.8415、0.8478和0.8599,多态性信息含量分别为0.5544、0.4573、0.4279、0.5874、0.4714和0.5667[25-26,35,38-40]。
本研究对8个省的黍稷材料进行了分析,数据在其范围中。
3.2DNA指纹图谱和分子身份证编码
DNA指纹是一种通过比较电泳指纹的差异来区分生物个体差异的方法。
然而,由于DNA指纹图谱条带多,人工比对和解释费时费力,统计分析繁琐,限制了大规模物种鉴定的应用。
DNA分子身份证是以前者为基础,采用不同的编码方法对电泳图进行数字化,得到字符串结果,并辅以条形码、二维码等科学的表示方法,使品种比对更加高效、方便、准确,克服了手工比对指纹繁琐、效率低下的缺点,广泛应用于品种鉴定。
以往的研究利用SSR 标记构建品种的分子识别卡,常用的编码方法有以下3种:0/1编码型,根据电泳条带有无,赋值1或0,形成0和1串[41]。
等位基因分配编码型,编码扩增的等位基因[42]。
基因型被指定为编码类型,引物扩增的条带被编码[24]。
本研究采用第1种凝胶电泳法进行编码,具有编写简单、统计方便、字长适中、检索方便等优点。
3.3PAGE银染法构建DNA分子身份证的可行性研究
到目前为止,检测SSR标记的方法主要有2种,即PAGE银染法和荧光毛细管电泳法。
杨文娟等[43]用这2种方法检测了131份应用核心种质,PAGE银染法所得数据与毛细管电泳结果基本一致。
另外,许多研究者对此进行了研究,试验结果对PAGE方法是肯定的。
另外,常规变性PAGE银染法不需要昂贵的实验仪器,试剂成本低,适合于少量物质的分析。
普通引物可以保存3~5a,而荧光标记引物只能保存1~2a,因此后者的合成成本远高于前者。
因此,在引物质量可靠、试验材料少、经济条件有限的前提下,采用PAGE银染法构建DNA分子身份证是可行的。
3.4用高碱度引物构建分子身份证
过去,低基元的SSR被用来构建资源的分子身份证。
张嘉等[44]从111对引物中筛选出29对SSR
核心引物,最终用4对双碱基引物构建了66个中国芍药分子识别卡。
郭艳春等[45]结合高、低碱基引物构建分子身份证,用12对荧光SSR引物组合(1、4、4、1、2对单碱基、二碱基、三碱基、四碱基和五碱基)构建了61张黄麻核心种质分子身份证。
本研究用8对高碱基(4碱基重复基序)引物检测了2个遗传多样性参数指标,即基因多样性指数1.0437和多态性信息含量0.6905,均高于低碱基[25,46]。
4结论
本试验在14对SSR引物中筛选出10对适宜碱基引物对北方地区的20份黍稷种质进行鉴定,将北方地区的黍稷种质品种及其近缘野生种和育成品种的信息资料进行分类汇总,构建了20份糜子种质的条形码DNA分子身份证和二维码DNA分子身份证。
参考文献:
[1]张森,王思萍,陈新岗.精耕细作:中国传统农耕文化[M].济南:山东大学出版社,2017.
ZHANG S,WANG S P,CHEN X G.Intensive farming:Chi⁃
nese traditional farming culture[M].Ji'nan:Shandong University
Press,2017.
[2]王倩,陈小红,马瑞凯,等.北方春糜子区黍稷资源抗性淀粉含量差异分析[J].山西农业科学,2021,49(2):126-133.
WANG Q,CHEN X H,MA R K,et al.Analysis on resistant
starch content diversity of broomcorn millet resources from
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