李耀國(guó),劉文廣,林堅(jiān)士,何毛賢
(1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所 中國(guó)科學(xué)院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省應(yīng)用海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510301;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
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馬氏珠母貝SNP標(biāo)記開(kāi)發(fā)及家系遺傳多態(tài)性分析
李耀國(guó)1,2,劉文廣1,林堅(jiān)士1,何毛賢1
(1.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所中國(guó)科學(xué)院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣東省應(yīng)用海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510301;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049)
摘要:利用13個(gè)源自轉(zhuǎn)錄組序列的SNP標(biāo)記對(duì)3個(gè)馬氏珠母貝(Pinctada fucata)家系進(jìn)行遺傳多態(tài)性分析及聚類(lèi)分析。結(jié)果顯示,家系1#、3#、6#的平均期望雜合度(He)分別為0.307 8、0.318 9和0.382 7;平均觀測(cè)雜合度(Ho)分別為0.342 2、0.341 0和0.394 2;平均多態(tài)信息含量(PIC)分別為0.243 5、0.247 9和0.297 7。結(jié)果表明,3個(gè)馬氏珠母貝家系具低度或中度遺傳多態(tài)性,為馬氏珠母貝內(nèi)SNP應(yīng)用于遺傳多態(tài)性分析等提供了基礎(chǔ)。利用SNP標(biāo)記對(duì)3個(gè)家系進(jìn)行聚類(lèi)分析,發(fā)現(xiàn)半同胞家系1#和3#在家系及個(gè)體聚類(lèi)中均先聚在一起,然后再與親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的家系6#聚在一起。新開(kāi)發(fā)的SNP標(biāo)記能較準(zhǔn)確地對(duì)家系及個(gè)體進(jìn)行聚類(lèi),為SNP標(biāo)記應(yīng)用于馬氏珠母貝遺傳關(guān)系分析提供了研究基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞:馬氏珠母貝;SNP;遺傳多態(tài)性;聚類(lèi)分析
馬氏珠母貝(Pinctada fucata),又名合浦珠母貝,是世界上重要的海水珍珠貝,在中國(guó)廣東、廣西、海南沿海有著廣泛分布。海洋貝類(lèi)養(yǎng)殖過(guò)程中普遍存在育種混亂、寄生蟲(chóng)病及環(huán)境脅迫等問(wèn)題,給經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)帶來(lái)重大損失(Hine etal,2000;Liu etal,2012)。通過(guò)常規(guī)的選擇和雜交育種可對(duì)海水養(yǎng)殖品種進(jìn)行遺傳改良(湯嬌雯等,2009)。如利用單對(duì)配對(duì)法構(gòu)建生長(zhǎng)快、個(gè)體大的馬氏珠母貝家系及定向選擇改良經(jīng)濟(jì)性狀(何毛賢等,2006;何毛賢等,2007)。隨著水產(chǎn)動(dòng)物的遺傳改良進(jìn)入分子育種時(shí)代,利用分子標(biāo)記進(jìn)行輔助育種可以更準(zhǔn)確地估計(jì)個(gè)體育種價(jià)值及加快育種速度(桂建芳等,2012;Taylor,2014)。隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(杜民等,2013)及擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性標(biāo)記(秦溱等,2014)、微衛(wèi)星(李小寧等,2009;孫立元等,2014)和單核苷酸多態(tài)性(SNP)標(biāo)記(Jiang et al,2011)以及線(xiàn)粒體DNA標(biāo)記(胡靜等,2014)等已廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)動(dòng)物遺傳育種研究。
馬氏珠母貝中各種分子標(biāo)記均得到開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。在群體及家系的遺傳多態(tài)性分析方面,王愛(ài)民等(2000)利用隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)DNA標(biāo)記對(duì)馬氏珠母貝天然群體及養(yǎng)殖群體的遺傳多樣性進(jìn)行了分析及比較,發(fā)現(xiàn)天然群體的遺傳多樣性大于養(yǎng)殖群體。許成帥等(2013)采用微衛(wèi)星標(biāo)記對(duì)合浦珠母貝家系的遺傳多態(tài)性進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)總體上生長(zhǎng)較快的家系遺傳參數(shù)平均較大。此外,Huang等(2014)在馬氏珠母貝內(nèi)開(kāi)發(fā)了一批SNP標(biāo)記并對(duì)其群體遺傳結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。在性狀關(guān)聯(lián)分析方面,鄧岳文等(2013)開(kāi)展了馬氏珠母貝生長(zhǎng)性狀與微衛(wèi)星標(biāo)記的關(guān)聯(lián)分析,檢測(cè)到與體質(zhì)量、殼高、殼寬等顯著相關(guān)的標(biāo)記并確定了相應(yīng)性狀的優(yōu)勢(shì)基因型。隨著下一代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)高通量測(cè)序在馬氏珠母貝內(nèi)鑒定了大量的SNP標(biāo)記,構(gòu)建了高密度遺傳連鎖圖譜并定位了一批數(shù)量性狀位點(diǎn)(Shietal,2014;Lietal,2014)。在各類(lèi)分子標(biāo)記中,SNP在基因組中因數(shù)量豐富且易于分型而成為理想的分子標(biāo)記(Jonesetal,2013)。多種方法如四引物擴(kuò)增受阻突變體系PCR(Ye et al,2001),高分辨率溶解曲線(xiàn)法(Yu et al,2011),簡(jiǎn)化基因組測(cè)序法(Houston etal,2012)等均被用于SNP標(biāo)記分型分析。其中四引物擴(kuò)增受阻突變體系PCR是一種相對(duì)簡(jiǎn)單、快速有效的SNP分型方法(Zhang et al,2013)。該方法對(duì)每個(gè)SNP位點(diǎn)設(shè)計(jì)四條引物,并在兩條核苷酸特異性引物的3端倒數(shù)第3位引入錯(cuò)配堿基以提高引物末端堿基結(jié)合特異性。在長(zhǎng)牡蠣(Crassostrea gigas Thunber g)(Kong etal,2014)等物種中已利用該方法進(jìn)行SNP分型分析。
目前針對(duì)馬氏珠母貝SNP標(biāo)記的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用還不是很深入,且尚未有關(guān)于SNP標(biāo)記用于馬氏珠母貝家系及個(gè)體聚類(lèi)分析的相關(guān)報(bào)導(dǎo)。該研究基于轉(zhuǎn)錄組測(cè)序序列開(kāi)發(fā)了13個(gè)新的SNP標(biāo)記,并利用這些標(biāo)記對(duì)3個(gè)馬氏珠母貝家系進(jìn)行了遺傳多態(tài)性分析及聚類(lèi)分析,為SNP標(biāo)記應(yīng)用于馬氏珠母貝遺傳育種研究提供了基礎(chǔ)。
1.1試驗(yàn)材料及DNA提取
該研究中馬氏珠母貝家系于2012年4月采用單對(duì)配對(duì)的方式構(gòu)建,親本選自深圳大鵬澳海區(qū)的養(yǎng)殖群體。3個(gè)基礎(chǔ)研究用家系(8月齡貝)分別為:1#(n= 49,個(gè)體編號(hào)1-49),3#(n= 49,個(gè)體編號(hào)50~98)和6#(n=56,個(gè)體編號(hào)99~154),其中1#和3#為具有共同父本的半同胞家系。對(duì)3個(gè)家系全部個(gè)體分別取閉殼肌用95%乙醇固定。采用E.Z.N.A軟體動(dòng)物DNA提取試劑盒(OMEGA)提取基因組DNA。DNA濃度及質(zhì)量分別通過(guò)分光光度計(jì)及1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),稀釋至50 ng/μL,-20°C保存。
1.2 SNP分型分析
基于馬氏珠母貝轉(zhuǎn)錄組測(cè)序數(shù)據(jù)(Huang et al,2013),采用SOAPsnp軟件(Li et al,2009)篩選假定的SNP。SNP位點(diǎn)兩端的序列長(zhǎng)度不短于100 bp,以適于引物設(shè)計(jì),序列中無(wú)不確定堿基,符合上述標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)錄組序列中SNP位點(diǎn)定義為假定的SNP位點(diǎn)(Huangetal,2014),用于進(jìn)一步驗(yàn)證分析。利用四引物擴(kuò)增受阻突變體系PCR在線(xiàn)引物設(shè)計(jì)程序(http://cedar.genetics.soton.ac.uk/ public_html/primer1.html)對(duì)59個(gè)假定SNP位點(diǎn)設(shè)計(jì)引物并進(jìn)行分型分析。PCR反應(yīng)體積為25μL,含12.5 μL Premix Ex Taq(Takara),每條引物各0.5 μL(10 pmol/μL),1 μL DNA(50 ng/μL),0.25μLTaq酶(5U/μL)和9.25μLH2O。程序?yàn)椋?4°C預(yù)變性5min,94°C30s,合適退火溫度下1min,72°C 1min,35個(gè)循環(huán);最后72°C延伸10min。PCR產(chǎn)物經(jīng)3.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后做分型分析。將含有SNP位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄組序列所對(duì)應(yīng)的氨基酸序列在NCBI蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)尋找同源性序列。將SNP引起的堿基變異與標(biāo)準(zhǔn)氨基酸密碼子表進(jìn)行比較確定是否引起了編碼氨基酸的變異。
1.3遺傳多態(tài)性分析
SNP位點(diǎn)的最小等位基因頻率(MAF),觀測(cè)等位基因數(shù)(Na),有效等位基因數(shù)(Ne),期望雜合度(He),觀測(cè)雜合度(Ho),偏離哈代溫伯格平衡(HW E)的概率均通過(guò)POPGENE version 1.32軟件進(jìn)行計(jì)算(Yeh etal,1999)。多態(tài)信息含量通過(guò)軟件PIC-Calc version 0.6(Shao et al,2013)進(jìn)行計(jì)算。
1.4家系及個(gè)體聚類(lèi)分析
基于等位基因頻率(Neiet al,1983),利用PowerMarkerversion 3.25(Liu etal,2005)軟件對(duì)馬氏珠母貝1#、3#和6#家系間及個(gè)體間遺傳距離進(jìn)行計(jì)算?;诜羌訖?quán)配對(duì)算數(shù)平均法,使用MEGA 5(Tamura etal,2011)分別繪制3個(gè)家系及個(gè)體聚類(lèi)圖。
2.1 SNP引物序列及變異類(lèi)型
對(duì)59個(gè)假定SNP位點(diǎn)進(jìn)行四引物擴(kuò)增受阻突變體系PCR檢測(cè),結(jié)果顯示13個(gè)位點(diǎn)具有多態(tài)性,其引物及特征見(jiàn)表1。在59個(gè)假定SNP中,C/T轉(zhuǎn)變所占比率最高(33.8%)。其中SNP U101671-455可導(dǎo)致脯氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝彼?,SNP U101773-373可導(dǎo)致絲氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)樘於0贰=Y(jié)果見(jiàn)表1。
表1 馬氏珠母貝13個(gè)SNP標(biāo)記的特征及引物序列
2.2家系遺傳多態(tài)性分析
利用經(jīng)過(guò)分型驗(yàn)證的13個(gè)SNP標(biāo)記對(duì)馬氏珠母貝3個(gè)家系進(jìn)行遺傳多態(tài)性分析,四引物擴(kuò)增受阻突變體系PCR如圖1所示。結(jié)果顯示家系1#、3#和6#的平均期望雜合度(He)分別為0.307 8、0.318 9和0.382 7;平均觀測(cè)雜合度(Ho)分別為0.342 2、0.341 0和0.394 2。兩個(gè)半同胞家系1#和 3#的平均PIC值分別為0.243 5和0.247 9,均屬于較低的多態(tài)性(PIC<0.25);家系6#的平均PIC值分別為0.297 7,屬于中度多態(tài)性(0.25 < PIC < 0.5)(Botstein,1980)。
續(xù)表1
表2 SNP標(biāo)記對(duì)3個(gè)馬氏珠母貝家系遺傳多態(tài)性分析
續(xù)表2
圖1 馬氏珠母貝SNP位點(diǎn)U101716-392四引物擴(kuò)增受阻突變體系PCR電泳圖(M泳道為100 bp DNA marker,1-6對(duì)應(yīng)不同樣品PCR擴(kuò)增產(chǎn)物;a對(duì)應(yīng)外擴(kuò)增產(chǎn)物,大小為358 bp,b為等位基因G對(duì)應(yīng)產(chǎn)物,大小為231 bp,c為等位基因A對(duì)應(yīng)產(chǎn)物,大小為183 bp)
2.3馬氏珠母貝家系及個(gè)體聚類(lèi)分析
基于1#、3#和6#家系間及個(gè)體間的遺傳矩陣對(duì)家系及個(gè)體進(jìn)行聚類(lèi)分析,結(jié)果如圖2所示。其中a為半同胞家系1#和3#先聚在一起,6#則在另外分支。個(gè)體聚類(lèi)分析中,來(lái)自家系1#和3#的個(gè)體總體上先聚在一起,再與家系6#的個(gè)體聚類(lèi)。半同胞家系1#和3#的遺傳距離最近(0.054 7),家系3#和6#的遺傳距離最遠(yuǎn)(0.081 4)。
圖2 馬氏珠母貝家系及個(gè)體聚類(lèi)分析a.馬氏珠母貝3個(gè)家系聚類(lèi)圖;b.馬氏珠母貝3個(gè)家系全部個(gè)體聚類(lèi)圖,●為1#內(nèi)個(gè)體,○為3#內(nèi)個(gè)體,□為6#內(nèi)個(gè)體。
3.1 SNP類(lèi)型
3.2家系遺傳多態(tài)性分析
利用SNP標(biāo)記對(duì)馬氏珠母貝3個(gè)家系進(jìn)行分析,結(jié)果顯示其平均PIC值分別為0.243 5、0.2479 和0.297 7。相對(duì)于許成帥等(2013)報(bào)導(dǎo)的利用微衛(wèi)星標(biāo)記分析合浦珠母貝家系的遺傳多態(tài)性低(殼長(zhǎng)速長(zhǎng)與慢長(zhǎng)家系PIC值分別為0.31和0.39)。該研究中馬氏珠母貝遺傳多態(tài)性處于較低或中等的原因可能有以下兩個(gè)方面:一是與微衛(wèi)星標(biāo)記相比,SNP標(biāo)記的多態(tài)信息含量較低(Kong et al,2014);二是家系構(gòu)建過(guò)程中存在的對(duì)性狀(基因型)的選擇,可能降低了該研究中家系的遺傳多態(tài)性。SNP標(biāo)記相對(duì)于微衛(wèi)星等DNA標(biāo)記等位基因數(shù)少,但其具有較高比例的非同義突變(如在13 個(gè)SNP標(biāo)記中存在兩個(gè)非同義突變),可直接產(chǎn)生氨基酸變異,可能更利于開(kāi)展性狀關(guān)聯(lián)分析及數(shù)量性狀位點(diǎn)定位。家系1#和3#為半同胞家系,根據(jù)SNP標(biāo)記遺傳多態(tài)性分析結(jié)果可知這兩個(gè)家系具有相近的遺傳多態(tài)性。家系1#和3#的平均PIC值(0.243 5和0.247 9),平均He值(0.307 8和0.318 9)和平均Ho值(0.342 2和0.341 0)均是3個(gè)家系中最接近的,與親緣關(guān)系一致。說(shuō)明這些SNP標(biāo)記可以用于家系遺傳多態(tài)性分析。
3.3家系及個(gè)體聚類(lèi)分析
分子標(biāo)記中,擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性(代悅等,2010)、微衛(wèi)星標(biāo)記(杜曉東等,2011)已被用于馬氏珠母貝家系聚類(lèi)分析,并能正確地對(duì)家系進(jìn)行聚類(lèi)。該研究首次嘗試?yán)肧NP標(biāo)記對(duì)馬氏珠母貝家系及個(gè)體分別進(jìn)行聚類(lèi)分析。根據(jù)結(jié)果可知同父異母的半同胞家系1#和3#先聚在一起,再與親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的6#聚類(lèi)。同時(shí)從遺傳距離計(jì)算的結(jié)果可知家系1#和3#的遺傳距離最近(0.0547),家系6#則在另外的分支,與家系1#及3#的遺傳距離分別為0.0814和0.0613。聚類(lèi)結(jié)果與三個(gè)家系的親緣關(guān)系相符合,表明可通過(guò)這些SNP標(biāo)記對(duì)馬氏珠母貝家系進(jìn)行準(zhǔn)確的聚類(lèi)。對(duì)3個(gè)馬氏珠母貝家系的全部個(gè)體進(jìn)行聚類(lèi)分析的結(jié)果顯示,除小部分個(gè)分散分布于其它家系中外,大部分的個(gè)體均按照各自家系來(lái)源聚在一起。相對(duì)于其它分子標(biāo)記如微衛(wèi)星標(biāo)記及擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性標(biāo)記,SNP主要由兩個(gè)等位基因組成,代表的多態(tài)性相對(duì)較低(Kongetal,2014),要想更準(zhǔn)確地對(duì)個(gè)體進(jìn)行聚類(lèi)可能需要開(kāi)發(fā)更多的標(biāo)記來(lái)增加聚類(lèi)能力。
馬氏珠母貝自古以來(lái)即是培育優(yōu)良珍珠的母貝。由于過(guò)度捕撈及生存的海域環(huán)境受到破壞,其物種資源受到很大的破壞(Liu etal,2012)。人工成功繁殖馬氏珠母貝以來(lái),存在明顯的育種混亂等問(wèn)題并導(dǎo)致了馬氏珠母貝種質(zhì)衰退,育珠質(zhì)量下降(何毛賢等,2006;王學(xué)穎等,2012)。為解決這些問(wèn)題,有必要對(duì)馬氏珠母貝提純復(fù)壯,以保持其優(yōu)良性狀。傳統(tǒng)的雜交、混合選育、家系構(gòu)建等對(duì)馬氏珠母貝優(yōu)良性狀的選擇起到了明顯的作用。而快速發(fā)展的基于基因組的分子標(biāo)記技術(shù)則進(jìn)一步加強(qiáng)了水產(chǎn)動(dòng)物育種精度及速度。本研究結(jié)合傳統(tǒng)的家系構(gòu)建及快速發(fā)展的分子標(biāo)記技術(shù),利用13個(gè)轉(zhuǎn)錄組來(lái)源的SNP標(biāo)記進(jìn)行了家系遺傳多態(tài)性分析。三個(gè)馬氏珠母貝家系處于較低或中度的遺傳多態(tài)性水平,可能與親本的遺傳背景有關(guān)。因而可有選擇性地對(duì)構(gòu)建的家系采用回交等方式恢復(fù)其遺傳多態(tài)性,以利于馬氏珠母貝種質(zhì)資源的保護(hù)。
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(本文編輯:袁澤軼)
Developm entof SNP m arkers in Pinctada fucata and its app lication for fam ily genetic analysis
LIYao-guo1,2,LIU W en-guang1,LIN Jian-shi1,HE Mao-xian1
(1.CASKey LaboratoryofTropicalMarine Bio-resourcesand Ecology,Guangdong ProvincialKey LaboratoryofApplied Marine Biology,South China Sea InstituteofOceanology,Chinese AcademyofSciences,Guangzhou 510301,Guangdong,China;2.UniversityofChinese AcademyofSciences,Beijing100039,China)
Abstract:A transcription databasewas tracked to identify and validate SNP markers.A totalof thirteen SNPswere used for genetic analysis in Pinctada fucata.For Pinctada fucata family 1#,3#and 6#,the average expected heterozygosities(He)were 0.307 8,0.318 9 and 0.382 7,respectively;the average observed heterozygosities(Ho)were 0.342 2,0.341 0 and 0.394 2,respectively;and the average polymorphism information contents(PIC)were 0.243 5,0.247 9 and 0.297 7,respectively.Thehalfsibling family 1#and 3#were firstly clustered together in the dendrogram,and then clusteredwith family 6#,which was in accordance with the genetic relationship.The developmentof novel SNPs in Pinctada fucata can provide genetic tools forgenetic diversity analysisand clusteringanalysis.
Keywords:Pinctada fucata;single nucleotide polymorphism;genetic diversity;clusteranalysis
通訊作者:何毛賢,博士,研究員,從事海洋貝類(lèi)遺傳育種研究。電子郵箱:hmx@scsio.ac.cn。
作者簡(jiǎn)介:李耀國(guó)(1986-),男,博士研究生,從事海洋貝類(lèi)遺傳育種研究。電子郵箱:yaoguolijkl@163.com。
基金項(xiàng)目:國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2012AA10A410);廣東省海洋漁業(yè)科技推廣專(zhuān)項(xiàng)(A201301A03);廣東省科技計(jì)劃(2013B020308005)。
收稿日期:2015-01-08;
修訂日期:2015-04-07
Doi:10.11840/j.issn.1001-6392.2016.01.013
中圖分類(lèi)號(hào):S968.31
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1001-6932(2016)01-0096-07