种质资源是一切育种工作的基础,是植物生命延续和种族繁衍的保证。我国种质资源丰富多样,目前,长期保存的种质资源突破52万份,位居全世界第二。但在种质资源精准鉴定和挖掘利用上还存在不足,构建植物品种DNA指纹图谱,可以克服单纯依据形态特征鉴定品种的局限性,对于开展种质资源精准鉴定与基因发掘工作十分重要。

什么是DNA指纹图谱?

DNA 指纹图谱技术(DNA-Fingerprinting)是由英国科学家 Jeffreys 于 1986 年开发,具有快速、准确等优点,是鉴别品种、品系的有力工具,已广泛应用于很多作物的品种资源多样性和纯度鉴定研究。相较于传统的分子标记,SNPs在基因组中更丰富,具有数量大、基因组分布广、稳定性和遗传力高、鉴定简单等优点,可用于快速、高通量的基因分型分析。构建基于SNP标记技术的DNA指纹图谱对于品种特异性和真实性鉴别、种子纯度鉴定具有重要意义。

茶树指纹图谱

DNA指纹图谱技术原理路线

DNA指纹图谱的发展

DNA指纹图谱具有丰富的多态性,具有高度的个体特异性和环境稳定性,可以像人类指纹一样用来区分不同的个体。早期的品种鉴定手段主要依赖于形态学鉴定,这种方法耗时较长且易受环境影响。随着分子生物学的发展,分子标记技术的出现为品种鉴定提供了新的手段。与形态标记相比,基于DNA序列差异的分子标记具有不易受环境影响、数量多、分布广、多态性高、自然材料存在丰富的变异等特点,为育种材料的选择和鉴定提供了极大的便利。

SNP与其他传统标记相比,其针对性更强、变异来源更丰富、潜在数量更巨大,越来越多的物种利用SNP分子标记鉴定植物的指纹图谱, 提高植物品种的资源管理与品种保护利用。如(Tian et al., 2021)利用筛选到的200个核心SNP位点构建了一个包含20,000个玉米材料的SNP-DNA指纹数据库,为我国玉米在品种认证、纯度确定和品种权利保护方面发挥着重要作用;(Wang et al., 2021)利用SNP标记构建了216个雪茄种质资源的指纹图谱,为优质雪茄种质资源的筛选和鉴定、重要基因的挖掘提供了科学依据,为今后在分子水平上开展雪茄遗传和育种工作奠定了基础。此外,SNP 标记也在大豆、油菜、香菇、茶树、杨梅、西兰花等品种的DNA指纹图谱构建中得到了应用。

DNA指纹图谱构建及应用

1.SNP标记开发与筛选

目前常用的SNP检测与分型的方法主要有全基因组重测序、简化基因组重测序和基因芯片技术三种。通过这些方法开发的SNP经过变异检测、注释和筛选后,得到质量高、代表性强、标记(组合)的材料区分度高、在基因组上分布均匀、特异性强的SNP标记作为DNA指纹图谱的候选标记。

雪茄SNP分析

雪茄SNP分析

2.SNP标记评估

遗传多样性(Genetic diversity)指生物种内基因的变化,包括种内显著不同的群体之间以及同一种群内的遗传变异。种群内的个体之间往往没有完全一致的基因型,而种群就是由这些不同遗传结构的多个个体组成。对遗传多样性的研究可以揭示物种或群体的进化历史(起源的时间、方式),也能为进一步分析其进化潜力和未来命运提供重要资料,遗传多样性是保护生物学研究的核心之一。首先对筛选得到的SNP位点进行遗传多样性评估,例如,在雪茄指纹图谱构建研究中,对筛选得到的715个SNP位点进行遗传多样性分析发现,这些位点表现出良好的多态性和品种鉴定能力,它们MAF和PIC值分别为0.346 ~ 0.500和0.350 ~ 0.375,平均值分别为0.45和0.37,其中,PIC值在0.370 ~ 0.375之间的占70.6%,表明这些标记具有较强的多态性。715个可变SNP位点的杂合度范围为0 ~ 0.64,平均为0.10,对该种质资源的遗传多样性进行了评价,发现其遗传多样性范围从0.45到0.50不等,平均为0.49。结合MAF、PIC和观察到的杂合度值,进一步筛选分布在24条染色体上、无基因型数据缺失、以纯合子变异位点为主,并在尽可能多的个体中检测到的SNP位点,最终得到163个SNP位点。其次,对这些标记位点通过系统发育树、群体结构、主成分分析进行位点代表性的评估。

雪茄种质资源遗传多样性分析

雪茄种质资源遗传多样性分析

3.DNA指纹图谱构建

筛选适宜的核心标记位点,并将其用合适的形式展现出来至关重要。利用筛选得到的SNP标记进行品种材料的鉴定,并构建DNA指纹图谱。例如,玉米DNA指纹图谱构建研究中,利用384个 SNP 标记组合构建了 335 个玉米杂交种的基因型指纹图谱, 该图显示每个品种的基因型组合均不同, 即 384 个 SNP 位点能够有效区分所测试的杂交种。

335个玉米杂交种SNP-DNA指纹图谱

并且还可以应用构建这些指纹图谱的标记信息的二维码,其中包含品种名称、类型、植物分类和基因型数据等信息,便于使用手机获取信息。

某雪茄品种二维码

写在最后如同人类的指纹作为身份标识一样,植物的DNA指纹图谱为其贴上了“分子身份证”,构建植物品种DNA指纹图谱,可以对品种资源管理和品种保护利用起到很好的作用。

 

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