马铃薯全基因组LTR反转录转座子分析

马铃薯全基因组LTR反转录转座子分析
Abstract：LTR retrotransposons in potato（Solanum tuberosum）genome were analyzed by LTR-FINDER software. Results showed that there were 4 725 full-length LTR retrotransposons with average length of 7 393 bp，accounting for about 4.95% of potato genome bases. The length of LTR in LTR retrotransposons was 786 bp. Phylogenetic tree showed that LTR retrotransposons of potato had high genetic diversity and high heterogeneity.
Key words：LTR retrotransposons；potato（Solanum tuberosum）；genome；phylogenetic tree
马铃薯（Solanum tuberosum）为茄科茄属一年生草本植物，是世界第四大粮食作物，它营养全面、适应性广、用途多、产业链长，是全球重要的粮食作物，也是农业生产中加工产品最丰富的原料作物[1]。

遗传多样性是生物多样性研究的核心问题之一，在一定程度上决定了物种的分布以及数量多样性[2]。

对马铃薯的遗传多样性进行研究有助于认识马铃薯的进化过程或适应机理，以及马铃薯种群的地理分布格局、数量增长、优良品种选育、资源鉴别和利用以及病害检测和防治等方面的问题。

目前分子标记技术作为研究植物遗传多样性、作物品种纯度鉴定、种质资源分类、遗传图谱构建等方面的重要方法已经得到广泛应用[3-5]。

植物基因组中反转录转座子的大小随植物种类的不同和反转录转座子类群的差异而变化很大，具有高拷贝数、高异质性和广泛存在于植物基因组中等特点[6]。

大量证据表明反转录转座子是植物基因组进化和物种多样性形成的主要来源，因此成为研究基因克隆、基因表达及其功能、生物多样性以及生物进化机制研究的重要工具[7]。

IRAP（Inter- retrotransposon amplified polymorphism，逆转录转座子插入位点间扩增多态性）和REMAP（Retrotransposon-microsatellite amplified polymorphism，逆转录转座子微卫星扩增多态性）[8]均是基于反转录转座子的分子标记方法，已在茄科作物的遗传多样性研究领域得到应用，其中REMAP是根据反转录转座子两端的LTR保守序列和微卫星序列设计引物，检测反转录转座子与简单重复序列之间的多态性，IRAP是一种检测反转录转座子插入位点间多态性的分子标记[8，9]。

反转录转座子两侧翼具有长末端重复序列（Long terminal repeat，LTR），其长度从100 bp到5 kb不等，以RNA为中间体通过复制—粘贴的模式进行复制[6]，在植物中拷贝数多，且散布于各染色体，非常利于分子标记的开发[10]。

本研究利用LTR反转录转座子快速检索软件LTR-FINDER分析马铃薯基因组中LTR反转录转座子成分，为利用IRAP和REMAP分子标记研究马铃薯遗传多样性奠定基础，为进一步开展马铃薯品种鉴定和遗传多样性分析提供借鉴。

1 研究方法和数据来源
1.1 马铃薯LTR反转录转座子分析
本研究所用马铃薯基因组序列均引自NCBI数据库中上传的采用鸟枪法测定的马铃薯全基因组序列（http：///nuccore/347326461？report=fasta），共包括705 779 115个碱基。

根据LTR反转录转座子的一些基本特征运用LTR-FINDER软件（http：///ltr_finder/）进行马铃薯基因组的LTR反转录转座子含量分析，计算LTR反转录转座子平均长度、频数和转座子序列在基因组中的比例，LTR-FINDER软件的参数均为默认值。

1.2 聚类分析
从发现的马铃薯反转录转座子中随机挑取446个，并以烟草（Nicotiana tabacum）的4个反转录转座子作为外参，利用软件DNAMAN 6.0对其进行聚类分析，构建系统发育树。

2 结果与分析
2.1 马铃薯基因组LTR反转录转座子分析
采用LTR-FINDER软件，对获得的数据进行整理计算，发现马铃薯全基因组中共含有4 725个LTR反转录转座子，长1 239～54 777 bp，平均长度为7 393 bp，频数为149 371，其中LTR长100～3 498 bp，平均长度为786 bp，LTR反转录转座子的总碱基数占马铃薯全基因组碱基数的4.95%。

为了能更好地了解马铃薯基因组上反转录转座子的含量，将数据与其他物种[11]进行比较，结果见表1。

从表1可以看出，马铃薯基因组中LTR反转录转座子含量虽然达到了4.95%，但相对于禾本科植物来说，含量还是相对较低的。

2.2 反转录转座子系统进化树
从马铃薯基因组LTR反转录转座子序列中随机挑取446个，并从NCBI数据库中下载4个烟草反转录转座子序列，转座子名称分别是Tnt1（EU048874.1）、Tnt2（EF437960）、Tto1（D83003.1），Tnd1（AF059674.1），先采用DNAMAN 6.0软件对烟草反转录转座子序列进行聚类分析，结果见图1，从图1可以看出，烟草的这4个反转录转座子聚为3类，其中Tto1和Tnt2的遗传距离较近，聚为1类，另外两个反转录转座子各自单独聚为1类。

图2为以烟草反转录转座子为外参构建的马铃薯LTR反转录转座子系统发育树。

从图2可以看出，446个马铃薯反转录转座子具有较高的异质性，聚为多个类群，且4个烟草反转录转座子也分别属于不同的类群，这表明马铃薯的LTR 反转录转座子具有较高的遗传多样性，可能是在进化过程中发生突变引起的。

3 小结与讨论
遗传多样性和系统发育研究可为有效利用和保护现有栽培植物种质资源及其野生种提供理论依据。

反转录转座子广泛分布于生物基因组中，具有丰富的多态性，在植物基因组进化中起着重要作用[12，13]。

基于反转录转座子发展起来
的REMAP和IRAP等分子标记技术可用于系统进化及生物多样性的分析、种质资源的分类演化、植物基因组分析、遗传图谱的构建、基因的分离测序、作物品种及纯度的鉴定、杂交育种等方面[7，8]。

据文献报道，水稻、玉米和小麦中LTR反转录转座子的含量分别为18%，50%～80%和90%[11]，LTR反转录转座子在植物基因组中拷贝数多。

本研究发现马铃薯基因组中LTR反转录转座子的总碱基数占全基因组碱基数的4.95%，说明马铃薯基因组中的LTR反转录转座子含量比较丰富。

另外，本研究只针对基因组上的全长LTR反转录转座子进行了分析，而实际上反转录转座子在进化过程中会大片段地缺失从而形成非全长的LTR反转录转座子，如片段LTRs、solo LTRs等[14]，因此，马铃薯基因组中LTR反转录转座子的含量很可能高于4.95%。

本研究从筛选的4 725个马铃薯LTR反转录转座子中随机挑取了446个，以4个研究较多的烟草反转录转座子作为外参构建系统发育树，结果显示马铃薯LTR反转录转座子具有较高的多态性和异质性，这为研究马铃薯种质资源和品种间的亲缘关系、构建遗传图谱提供了很好的参考。

此外系统发育树显示马铃薯基因组中存在与4个烟草反转录转座子相似的序列，对烟草的这几个反转录转座子的研究丰富，资料详尽，可以为马铃薯的反转录转座子相关研究提供参考。

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