分子标记技术综述

分子标记技术及其在植物药材亲缘关系鉴定中的应用

分子标记技术

分子标记（Molecular Markers）是以个体间遗传物质内核苷酸序列变异为基础的遗传标记，是DNA水平遗传多态性的直接反映[1]。与其他几种遗传标记——形态学标记、生物化学标记、细胞学标记相比，DNA分子标记具有极大的优越性：大多数分子标记为共显性，对隐性性状的选择十分便利；基因组变异极其丰富，分子标记的数量几乎是无限的；在生物发育的不同阶段，不同组织的DNA都可用于标记分析；分子标记揭示来自DNA的变异；表现为中性，不影响目标性状的表达，与不良性状无连锁；检测手段简单、迅速[2]。

技术种类及原理

分子标记技术自诞生起已研究出数十种，尽管方法差异显著，但都具有一个共同点，即用到了分子杂交、聚合酶链式反应（PCR）、电泳等检测手段。应用较为广泛的技术有以下几种：

1.限制性片段长度多态性（Restriction Fragment Length Polymorphisms，RFLP）

RFLP是最早开发的分子标记技术，指基因型间限制性内切酶位点上的碱基插入、缺失、重排或突变引起的，是由Grodzicker等于1974年创立的以DNA-DNA杂交为基础的遗传标记。基本原理是利用特定的限制性内切酶识别并切割不同生物个体的基因组DNA，得到大小不等的DNA片段，所产生的DNA数目和各个片段的长度反映了DNA分子上不同酶切位点的分布情况[3]。通过凝胶电泳分析这些片段，就形成不同带，然后与克隆DNA探针进行Southern 杂交和放射显影，即获得反映个体特异性的RFLP图谱。它所代表的是基因组DNA在限制性内切酶消化后产生片段在长度上差异。由于不同个体的等位基因之间碱基的替换、重排、缺失等变化导致限制内切酶识别和酶切发生改变从而造成基因型间限制性片段长度的差异。

RFLP的等位基因其有共显性特点，可靠性高，不受环境、发育阶段或植物器官的影响。RFLP标记位点数量不受限制，通常可检测到的基因座位数为1—4个，标记结果稳定，重复性好。RFLP技术也存在一些缺陷，主要是克隆可表现基因组DNA多态性的探针较为困难；另外，RFLP分析工作量大，成本高，使用DNA量大，使用放射性同位素和核酸杂交技术，不易自动化，尽管结合PCR技术，RFLP仍在应用，但已不再是主流分子标记。

2.随机扩增多态性DNA（Random Amplification Polymorphism，RAPD）

RAPD技术是1990年由William和Welsh等人利用PCR技术发展的检测DNA多态性的方法，其基本原理是利用随机引物（一般为8—10bp）通过PCR反应非定点扩增DNA片段，然后用凝胶电泳分析扩增产物DNA片段的多态性。扩增片段多态性便反映了基因组相应区域的DNA多态性。RAPD所使用的引物各不相同，但对任一特定引物，它在基因组DNA序列上有其特定的结合位点，一旦基因组在这些区域发生DNA片段插人、缺失或碱基突变，就可能导致这些特定结合位点的分布发生变化，从而导致扩增产物数量和大小发生改变，表现出多态性[4]。就单一引物而言，其只能检测基因组特定区域DNA多态性，但利用一系列引物则可使检测区域扩大到整个基因组，因此，RAPD可用于对整个基因组DNA进行多态性检测，也可用于构建基因组指纹图谱。

与RFLP技术相比，RAPD技术操作简便快速，省时省力，DNA用量少，同时无需设计特定的引物，扩增产物具有丰富的多态性。但RAPD也存在一些缺点：(1)RAPD标记是一个显

性标记，不能鉴别杂合子和纯合子；(2)存在共迁移问题，凝胶电泳只能分开不同长度DNA 片段，而不能分开那些分子量相同但碱基序列组成不同的DNA片段；(3)RAPD技术中影响因素很多，所以实验的稳定性和重复性差[5]。为了得到较稳定的结果，各种反应参数，例如温度，Mg2+、dNTP、引物、模板DNA、TaqDNA聚合酶的浓度都必须事先进行优化，以得到令人满意的结果。

3.扩增片段长度多态性（Amplified Fragment Length Polymorphism，AFLP）

AFLP是RFLP与PCR相结合的产物，其基本原理是先利用限制性内切酶水解基因组DNA产生不同大小的DNA片段，再使双链人工接头的酶切片段相边接，作为扩增反应的模板DNA，然后以人工接头的互补链为引物进行预扩增，最后在接头互补链的基础上添加1—3个选择性核苷酸作引物对模板DNA基因再进行选择性扩增，通过聚丙烯酰胺凝胶电泳分离检测获得的DNA扩增片段，根据扩增片段长度的不同检测出多态性[6]。引物由三部分组成：与人工接头互补的核心碱基序列、限制性内切酶识别序列、引物3’端的选择碱基序列（1—10bp）。该技术的独特之处在于所用的专用引物可在知道DNA信息的前提下就可对酶切片段进行PCR扩增。为使酶切浓度大小分布均匀，一般采用两个限制性内切酶，一个酶为多切点，另一个酶切点数较少，因而AFLP分析产生的主要是由两个酶共同酶切的片段。

AFLP结合了RFLP和RAPD两种技术的优点，具有分辨率高、稳定性好、效率高的优点；所需DNA量少，可通过改变限制性内切酶和选择性的碱基种类与数目调节扩增的条带数，具有较强的多肽分析能力；不受环境、季节的限制，聚类敏感，定位专一。但它的技术费用昂贵，对DNA的纯度和内切酶的质量要求很高。尽管AFLP技术诞生时间较短，但可称之为分子标记技术的又一次重大突破，被认为是目前一种十分理想、有效的分子标记。

4.简单重复序列（Simple Sequence Repeat，SSR）

SSR又叫微卫星DNA。卫星是指以少数几个核苷酸（一般1~6个）为单位多次串联重复的DNA序列，微卫星广泛均匀地分布在基因组上，其重复数和重复单位序列都是可变的，故多态信息含量大。微卫星两侧区域的DNA序列较为保守，且重复基因数变化不一，可与两侧保守的DNA序列相互补的方式设计特定的寡居核苷酸引物进行PCR扩增，扩增产物可用电泳进行分离[7]。其基本原理是根据微卫星序列两端互补序列设计引物，通过PCR反应扩增微卫星片段，由于核心序列串联重复数目不同，因而能够用PCR的方法扩增出不同长度的PCR产物，将扩增产物进行凝胶电泳，根据分离片段的大小决定基因型并计算等位基因频率。

SSR具有以下一些优点：(1)一般检测到的是一个单一的多等位基因位点；(2)微卫星呈共显性遗传，故可鉴别杂合子和纯合子；(3)所需DNA量少；(4)同连锁群或染色体具有对应关系，有助于图谱的连锁群或染色体的归并和不同连锁群的整合，并能有效准确区分大量的等位基因，因而可以区分同一物种不同基因型，甚至亲缘关系非常近的材料。显然，在采用SSR技术分析微卫星DNA多态性时必须知道重复序列两端的DNA序列的信息，因此一般都需要建立和筛选基因组文库、克隆、测序等一系列操作，成本较高。

5.简单重复序列间扩增（Inter-Simple Sequence Repeats，ISSR）

ISSR(inter-simple sequence repeat)是Zietkeiwitcz等于1994年发展起来的一种微卫星基础上的分子标记。其基本原理是用锚定的微卫星DNA为引物，即在SSR序列的3'端或5'端加上2-4个随机核苷酸，在PCR反应中，锚定引物可引起特定位点退火，导致与锚定引物互补的间隔不太大的重复序列间DNA片段进行PCR扩增。所扩增的inter SSR区域的多个条带通过聚丙烯酰胺凝胶电泳得以分辨，扩增谱带多为显性表现[8]。