高通量基因型鉴定技术的开发和应用

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玉米是世界三大粮食作物之一,玉米作为我国重要的生产资料,在我国人民的生产生活中占据着不可或缺的地位。玉米基因组变异广泛,存在大量的单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphism,SNP)。SNP作为一种重要的第三代分子标记,被广泛应用在玉米基因组的研究和玉米育种中,可以用来进行基因定位、绘制遗传图谱、遗传多样性分析、分子辅助育种等。因此,对SNP进行基因型鉴定具有重要意义。本课题,利用分子条码(Barcode)以及二代测序技术开发了一种新的高通量基因型鉴定技术(两种策略),可以快速、高效、低成本地对SNP基因型进行鉴定。策略一(SGT)方法是在SNP位点前后设计一对普通引物(正向引物距离SNP位点要在150bp内或者反向引物距离SNP位点要在150bp内),之后在正向引物和反向引物的5’端分别加上8 bp不同的Barcode序列,此为完整正反向引物。以96个待测DNA样品为例,12条包含不同Barcode序列的完整正向引物,8条包含不同Barcode序列的完整反向引物,可组成96种不同的引物组合用于96个样品的鉴定。96个样品对应96种引物组合,即一种样品对应一种引物组合,以此进行降落PCR的扩增,扩增出的片段即为目标测序片段。策略二(IGGT)方法由三步组成。第一步构建一套类似试剂盒的通用Barcode片段,这些片段在进行数据分析时用来识别不同样品,相当于样品的识别标签。此步以YFP DNA片段为模板,在其正向引物的5’端加上18 bp的bridge片段和8 bp的Barcode1片段,在其反向引物的5’端加上20 bp的reverse片段和8 bp的Barcode2片段,以此为完整正反向引物对YFP DNA片段进行扩增。以384个待测DNA样品为例,24种不同的Barcode1序列和16种不同的Barcode2序列就可组成384种通用Barcode片段用于384个样品基因型的鉴定。第二步是样品SNP片段的扩增,在SNP位点前后设计一对普通引物(正向引物距离SNP位点在150 bp内或者反向引物距离SNP位点在36 bp内),在反向引物5’端加上18 bp的bridge片段组成完整的反向引物序列。最后一步是让第二步与第一步扩增出的产物一一对应,即每个样品SNP片段对应一种Barcode片段,通过overlapping PCR形成完整的用于测序的片段。SGT法和IGGT法扩增得到的目标片段分别均匀混样,磁珠纯化后建库以及二代测序,通过数据分析得到每个样品SNP基因型结果。利用SGT和IGGT分别对1个、2个、5个以及20个SNP位点进行基因型鉴定,数据分析得到的每个单株基因型结果与已知基因型结果比较,发现两种策略的成功率基本都在95%以上。SGT与IGGT比较,SGT法步骤较为简单,单个样品成本为0.55元;IGGT法步骤相对复杂,但是单个样品成本仅为0.46元。总的来说,该技术两条策略都可以快速、高效、低成本的对SNP基因型进行鉴定。我们还把SGT和IGGT用于5个玉米杂交群体In Del的鉴定。SGT和IGGT分析结果比较,发现共有91.87%的单株基因型鉴定结果一致。说明此技术两种策略不但可以用于SNP的鉴定,也可用于In Del的鉴定。最后,利用IGGT,我们还在大刍草Y23与郑58构建的BC1F4群体5号染色体上成功鉴定到SNP并且绘制出遗传图谱。本研究把Barocde与二代测序相结合开发的高通量基因型鉴定技术对于SNP和In Del的鉴定是十分高效的,不管是SGT还是IGGT所需成本远低于市面价格,尤其是对大批量样品的鉴定此优点更加突出。除了基因型的鉴定,我们还可以利用这两种策略进行基因定位以及绘制遗传图谱等,因此它的应用范围也十分广泛。本研究结果可以为玉米理论与育种研究提供一种新的技术支撑。
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