A. DNA分子标记有哪些技术特点
分子标记是继形态标记、细胞标记和生化标记之后发展起来的一种较为理想的遗传标记形式,它以蛋白质、核酸分子的突变为基础,检测生物遗传结构与其变异。分子标记技术从本质上讲,都是以检测生物个体在基因或基因型上所产生的变异来反映生物个体之间的差异。每一种分子标记都有其自身的特点和特定的应用范围,但就一般意义而言,DNA 分子标记与形态标记和生化标记等相比,具有许多独特的优点: ①不受组织类别、发育阶段等影响。植株的任何组织在任何发育时期均可用于分析。②不受环境影响。因为环境只影响基因表达(转录与翻译) ,而不改变基因结构即DNA 的核苷酸序列。③标记数量多,遍及整个基因组。④多态性高,自然存在许多等位变异。⑤有许多标记表现为共显性,能够鉴别纯合基因型和杂合基因型, 提供完整的遗传信息。⑥DNA 分子标记技术简单、快速、易于自动化。⑦提取的DNA 样品,在适宜条件下可长期保存,这对于进行追溯性或仲裁性鉴定非常有利。因此,DNA 分子标记可以弥补和克服在形态学鉴定及同工酶、蛋白电泳鉴定中的许多缺陷和难题,因而在品种鉴定方面展示了广阔的应用前景。
1. 1 第1 代分子标记
1.1. 1 RFLP 标记技术。
1980 年Botesin提出的限制性片段长度多态性(Restriction fragment length polymorphisms ,RFLP) 可以作为遗传标记,开创了直接应用DNA 多态性的新阶段,是最早应用的分子标记技术 。RFLP 是检测DNA 在限制性内切酶酶切后形成的特定DNA 片段的大小,反映DNA 分子上不同酶切位点的分布情况,因此DNA 序列上的微小变化,甚至1 个核苷酸的变化,也能引起限制性内切酶切点的丢失或产生, 导致酶切片段长度的变化。
优点:RFLP 标记的等位基因具有共显性的特点,结果稳定可靠,重复性好,特别适应于构建遗传连锁图。
缺点:在进行RFLP 分析时,需要该位点的DNA片段做探针,用放射性同位素及核酸杂交技术,既不安全又不易自动化。另外,RFLP 对DNA 多态性检出的灵敏度不高,RFLP 连锁图上还有很多大的空间区。
1.1. 2 RAPD 标记技术。
为了克服RFLP 技术上的缺点,Williams等于1990年建立了随机扩增多态DNA Randomamplified polymorphic DNA ,RAPD) 技术,由于其独特的检测DNA 多态性的方式使得RAPD 技术很快 渗透于基因研究的各个领域。RAPD 是建立于PCR 基础之上的分子标记技术,基本原理是利用一个随机引物(8~10 个碱基) 通过PCR 反应非定点地扩增DNA 片段,然后用凝胶电泳分离扩增片段来进行DNA 多态性研究。对任一特定引物而言,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 片段插入、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,从而导致扩增产物的数量和大小发生改变,表现出多态性。
优点:与RFLP 相比,RAPD 技术简单,检测速度快,DNA 用量少,实验设备简单,不需DNA 探针,设计引物也不需要预先克隆标记或进行序列分析,不依赖于种属特异性和基因组的结构,合成一套引物可以用于不同生物基因组分析,用一个引物就可扩增出许多片段,而且不需要同位素,安全性好。
缺点:当然,RAPD 技术受许多因素影响,实验的稳定性和重复性差,首先是显性遗传,不能识别杂合子位点,这使得遗传分析相对复杂 ,在基因定位、作连锁遗传图时,会因显性遮盖作用而使计算位点间遗传距离的准确性属特异性和基因组的结构,合成一套引物可以用于不同生物基因组分析,用一个引物就可扩增出许多片段,而且不需要同位素,安全性好。当然,RAPD 技术受许多因素影响,实验的稳定性和重复性差,首先是显性遗传,不能识别杂合子位点,这使得遗传分析相对复杂 ,在基因定位、作连锁遗传图时,会因显性遮盖作用而使计算位点间遗传距离的准确性下降;其次,RAPD 对反应条件相当敏感,包括模板浓度、Mg2 +浓度,所以实验的重复性差 。
1. 3 AFLP 标记技术
扩增片段长度多态技术(AFLP) ,又名限制片段选择扩增技术(Selective restriction fragment amplifi2cation ,SRFA) ,于1993 年由荷兰KEYGENE 公司的Zabean 和Vos 等发明,并已申请专利。AFLP 是近年来迅速发展起来的一种分子标记技术,它将基因组DNA 用成对的限制性内切酶双酶切后产生的片段用接头(与酶切位点互补) 连接起来,并通过5′端与接头互补的半特异性引物扩增得到大量DNA 片段,从而形成指纹图谱的分子标记技术。AFLP 指纹呈孟德尔式共显性和显隐性遗传。
优点:它兼具RAPD 与RFLP 的优点,有较高的稳定性,用少量的选择性引物能在较短时间内检测到大量位点,并且每对引物所检测到的多个位点都或多或少地随机分布在多条染色体上,各染色体上AFLP 标记的数目与染色体长度呈正相关( r = 0. 501) ,而一对引物获得的标记涉及的染色体数与标记数呈正相关( r = 0. 826) 。因此,通过少量效率高的引物组合,可获得覆盖整个基因组的AFLP 标记 。目前,AFLP 作为一种高效的指纹技术,已在遗传育种研究中发挥它的优势。
缺点:不过也有研究认为,AFLP 对基因组纯度和反应条件要求较高,另外用于遗传作图时,少数的标记与图谱紧密度有出入。此外, 在RAPD 和RFLP 技术基础上建立了SCAR(Sequence characterize damplified regions ,序列特异性扩增区域) 、CAPS(Cleaved ampli2fied polymorphic sequence ,酶切扩增多态序列) 和DAF(DNA am2plified fingerprints ,DNA 扩增指纹) 等标记技术 。这些技术的出现,进一步丰富、完善了第1 代分子标记技术,增加了人们对DNA 多态性的研究手段。
1. 2 第2 代分子标记
2. 1 SSR 标记技术。
在真核生物基因组中存在许多非编码的重复序列,如重复单位长度在15~65 个核苷酸的小卫星DNA(Minisatellite DNA) ,重复单位长度在2~6 个核苷酸的微卫星DNA (Microsatellite DNA) 。小卫星和微卫星DNA 分布于整个基因组的不同位点。由于重复单位的大小和序列不同以拷贝数不同,从而构成丰富的长度多态性。Moore 等于1991 年结合PCR 技术创立了SSR (Simple sequence repeat ,简单重复序列) 标记技术。SSR 也称微卫星DNA ,是一类由几个(多为1~5 个) 碱基组成的基序串联重复而成的DNA 序列,其中最常见的是双核苷酸重复,即(CA) n和(TG) n ,每个微卫星DNA 的核心序列结构相同,重复单位数目10~60 个,其高度多态性主要来源于串联数目的不同。不同遗传材料重复次数不同,导致了SSR 长度的高度变异性,这一变异性正是SSR 标记产生的基础。SSR 标记的基本原理:根据微卫星重复序列两端的特定短序列设计引物,通过PCR 反应扩增微卫星片段。由于核心序列重复数目不同,因而扩增出不同长度的PCR 产物,这是检测DNA 多态性的一种有效方法。微卫星序列在群体中通常具有很高的多态性,而且一般为共显性,因此是一类很好的分子标记。目前已利用微卫星标记构建了人类、小鼠、大鼠、水稻、小麦、玉米等物种的染色体遗传图谱。
优点:这些微卫星标记已被广泛应用于基因定位及克隆、疾病诊断、亲缘分析或品种鉴定、农作物育种、进化研究等领域。此外,SSR 标记不仅能够鉴定纯合体和杂合体,而且结果更加可靠,方法简单,省时省力。
2. 2 ISSR 标记技术。
ISSR 即内部简单重复序列,是一种新兴的分子标记技术。1994 年Zietkiewicz 等对SSR 技术进行了发展,建立了加锚微卫星寡核苷酸(Anchored microsatellite oligo nucleotides) 技术 。他们用加锚定的微卫星寡核苷酸作引物,即在SSR 的5′端或3′端加上2~ 4 个随机选择的核苷酸,这可引起特定位点退火,从而导致与锚定引物互补的间隔不太大的重复序列间的基因组节段进行PCR 扩增。这类标记又被称为ISSR ( Inter2simple
sequence repeat ) 、ASSR(Anchored simple sequence repeats) 或AMP2PCR 。在所用的两翼引物中,可以一个是ASSR 引物,另一个是随机引物。如果一个是5′端加锚的ASSR 引物,另一个是随机引物,则被称为RAMP 技术[19] 。用于ISSR2PCR 扩增的引物通常为16~18 个碱基序列,由1~4 个碱基组成的串联重复和几个非重复的锚定碱基组成,从而保证了引物与基因组DNA 中SSR 的5′或3′末端结合,通过PCR 反应扩增SSR 之间的DNA 片段。
优点:SSR 在真核生物中的分布是非常普遍的,并且进化变异速度非常快,因而锚定引物的ISSR2PCR 可以检测基因组许多位点的差异。与SSR2PCR 相比,用于ISSR2PCR 的引物不需要预先的DNA 测序,也正因如此,有些ISSR 引物可能在特定基因组DNA 中没有配对区域而无扩增产物,通常为显性标记,呈孟德尔式遗传,且具有很好的稳定性和多态性。
1. 3 第3 代分子标记
3. 1 SNP 标记技术。
单核苷酸多态性(Single nucleotidepolymorphism ,SNP) 被称为第3 代DNA 分子标记,是指同一位点的不同等位基因之间个别核苷酸的差异,这种差异包括单个碱基的缺失或插入,更常见的是单个核苷酸的替换,且常发生在嘌呤碱基(A 与G) 和嘧啶碱基(C 与T) 之间。SNP 标记可帮助区分两个个体遗传物质的差异,被认为是应用前景最好的遗传标记。目前,已有2 000 多个标记定位于人类染色体上,在拟南芥上也已发展出236 个SNP 标记。在这些SNP 标记中大约有30 %包含限制性位点的多态性。
优点:检测SNP 的最佳方法是DNA 芯片技术,最新报道的微芯片电泳(Microchip electrophoresis) ,可以高速度地检测临床样品的SNP ,它比毛细管电泳和板电泳的速度可分别提高10 和50倍 。SNP 与第1 代的RFLP 及第2 代的SSR 标记的不同有2 个方面:其一,SNP 不再以DNA 片段的长度变化作为检测手段,而直接以序列变异作为标记;其二,SNP 标记分析完全摒弃了经典的凝胶电泳,代之以最新的DNA 芯片技术。
3. 2 EST 标记技术。
表达序列标签( Expressed sequence Tag , EST)是美国国立卫生研究院(National Institutes of Health ,NIH) 的生物学家Venter 于1991 年提出的。随着人类基因组计划的开展,EST 技术首先被广泛应用于寻找人类新基因,绘制人类基因组图谱,识别基因组序列编码区等研究领域,之后又被广泛应用于植物基因组研究。EST 是指在来源于不同组织的cDNA 文库中随机挑选克隆、测序,得到部分cDNA 序列,一个EST对应于某一种mRNA 的cDNA 克隆的一段序列,长度一般为150~500 bp ,只含有基因编码区域。
优点:EST可代表生物体某种组织某一时间的一个表达基因,所以被称之为“表达序列标鉴”;而EST的数目则显示出其代表的基因表达的拷贝数,一个基因的表达次数越多,其相应的cDNA 克隆越多,所以通过对cDNA 克隆的测序分析可以了解基因的表达丰度。目前构建cDNA 文库一般都使用试剂盒,方法成熟,而且飞速发展的DNA 测序技术,也使得进一步降低大规模DNA 序列测定成本成为可能 。
B. 在人类基因组中有哪些遗传标记用它们能为科研和应用做什么服务
遗传标记包括形态学标记、细胞学标记、生物化学标记、免疫学标记 和分子标记五种类型。
形态学标记
形态标记是指肉眼可见的或仪器测量动物的外部特征 (如毛色、体型、外形、皮肤结构等),以这种形态性状、生理性状及生态地理分布等待征为遗传标记,研究物种间的关系、分类和鉴定。形态学标记研究物种是基于个体性状描述,得到的结论往往不够完善,且数量性状很难剔除环境的影响,需生物统计学知识进行严密的分析。但是用直观的标记研究质量性状的遗传显得更简单、更方便。目前此法仍是一种有效手段并发挥着重要作用。
细胞学标记
细胞遗传标记是指对处理过的动物个体染色体数目和形态进行分析,主要包括:染色体核型和带型及缺失、重复、易位、倒位等。一个物种的核型特征即染色体数目、形态及行为的稳定是相对的,故可作为一种遗传标记来测定基因所在的染色体及在染色体上的相对位置,染色体是遗传物质的载体,是基因的携带者,染色体变异必然会导致生物体发生遗传变异,是遗传变异的重要来源。通过比较动物与其近缘祖先的染色体数目和结构,追溯动物的起源和演化,检测动物的遗传特性,为动物育种提供较好的方法。
生物化学标记
生化遗传标记是以动物体内的某些生化性状为遗传标记,主要指血型、血清蛋白及同工酶。 20世纪60年代以来,蛋白电泳技术作为检测遗传特性的一种主要方法得到了广泛的应用。蛋白电泳所检测的主要是血浆和血细胞中可溶性蛋白和同工酶中氨基酸的变化,通过对一系列蛋白和同工酶的检测,就可为动物品种内的遗传变异和品种间的亲缘关系提供有用的信息川。但是,蛋白和同工酶都是基因的表达产物,非遗传物质本身,它们的表现易受环境和发育状况的影响;这些因素决定了蛋白电泳具有一定的局限性,但是蛋白电泳技术操作简便、快速及检测费用相对较低,日前仍是遗传特性研究中应用较多的方法之一。生化遗传标记经济、方便,且多态性比形态学标记和细胞遗传标记丰富。已被广泛应用于物种起源与分类研究和动物育种中。
免疫学标记
免疫学标记是以动物的免疫学特征为遗传标记,主要指:红细胞抗原、白细胞抗原、胸腺细胞抗原等。早在1900年,Ehrlich和Morgenroth指出山羊红细胞表面存在抗原,并证明这些抗原具有个体差异;20世纪80年代初,人们转向白细胞抗原的研究,即主要组织相容性复合体(MHC), MHC的重要特性与疾病及生理性状具有重要关系。根据动物个体淋巴细胞抗原特异性,研究品种间、个体间、抗病力强弱的差异及亲子关系等。
分子标记
分子标记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的反映。与其他几种遗传标记——形态标记、同工酶标记、细胞标记相比,DNA 分子标记具有的优越性有:大多数分子标记为共显性,对隐性的农艺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。随着分子生物学技术的发展,现在 DNA 分子标记技术已有数十种,广泛应用于作物遗传育种、基因组作图、基因定位、植物亲缘关系鉴别、基因库构建、基因克隆等方面。
态学标记、细胞学标记、生化标记、免疫学标记等一直被广泛应用,然而这些标记都无法直接反映遗传物质的特征,仅是遗传物质的间接反映,且易受环境的影响,因此具有很大的局限性。DNA作为遗传物质的载体,是研究动物遗传特性的一个重要指标。20世纪80年代以来,随着分子生物学技术和分子遗传学的迅速发展,分子克隆及DNA重组技术的日趋完善,研究者对基因结构和功能研究的进一步深入,在分子水平上寻找DNA的多态性,以此为标记进行各种遗传分析。DNA分子标记直接反映DNA水平上的遗传变异,能稳定遗传,信息量大,可靠性高,消除了环境影响。DNA水平的遗传标记自产生以来得到广泛应用。通过对DNA的研究,对于单基因病,采用“定位克隆”和“定位候选克隆”的全新思路,导致了亨廷顿舞蹈病、遗传性结肠癌和乳腺癌等一大批单基因遗传病致病基因的发现,为这些疾病的基因诊断和基因治疗奠定了基础。对于心血管疾病、肿瘤、糖尿病、神经精神类疾病(老年性痴呆、精神分裂症)、自身免疫性疾病等多基因疾病是目前疾病基因研究的重点。基因诊断、基因治疗和基于基因组知识的治疗、基于基因组信息的疾病预防、疾病易感基因的识别、风险人群生活方式、环境因子的干预都是DNA为我们的医学事业所做出的贡献。
C. 寄生虫分类鉴定的分子遗传标记有哪些
寄生虫分类鉴定的分子遗传标记有哪些
遗传标记Genetic Marker指可追踪染色体、染色体某一节段、某个基因座在家系中传递的任何一种遗传特性。它具有两个基本特征,即可遗传性和可识别性,因此生物的任何有差异表型的基因突变型均可作为遗传标记。
遗传标记包括形态学标记(morphological marker)、细胞学标记(cytological marker)、生物化学标记(biochemical marker)、免疫学标记(Immune Genetic Markers)和分子标记(molecular marker)五种类型。
D. 分子标记方法
分子标记
在农业基础与应用研究领域,分子标记技术已开始应用于作物种质资源和育种的研究,特别是在构建分子遗传图谱和标记目的性状基因方面取得了很大的进展。
形态标记(morphologica markers)即植物的外部特征特性,如株高、穗长、粒色、千粒重等。此种形态标记简单直观,但是形态标记数少、多态性差、易受环境条件影响。在小麦抗叶锈病基因标记方面,SINGH[5]曾利用形态标记发现慢叶锈基因Lr34和小麦叶片尖部坏死基因紧密连锁。
细胞标记(cytological markers)主要是染色体核型(染色体鼠数目、大小、随体、着丝点位置等)和带型(C带、N带、G带等),这类标记的缺点是数目有限。目前,还未发现用其进行小麦抗叶锈基因的标记。
生化标记(biochemical markers)主要包括同工酶和储藏蛋白。生化标记具有经济方便的优点,但其标记数有限。DAVlD[6]等曾利用生化标记内肽酶同工酶EP-Dld作为遗传标记对以Thatcher为背景的小麦抗叶锈病近等基因系进行连锁分析,发现EP-Dld与Lr19紧密连锁,重组值为(0.01士0.09)个作图单位。WINZELER[7]等利用含Lr19的小麦抗叶锈病近等基因系,发现生化标记内肽酶同工酶EP-Dl的无效等位基因EP-Dlc可以作为与 Lr19紧密连锁的生化标记,遗传距离为(0.33士0.33)cM。
分子标记与形态标记、细胞标记、生化标记相比较,有以下几方面的优点:①在植物体的多个组织及生育阶段均可检测到,不受时空限制。②数量多,遍及整个基因组。③有许多标记表现为共显性,能够鉴别基因型纯合与否,提供完整的基因型。在标记小麦抗叶锈病基因方面,分子标记可以在更深层次上揭示小麦抗锈遗传机制。通过找到与抗锈基因紧密连锁的分子标记,不但能在遗传背景不同的育种材料中特异性的检测目的基因,而且可以在任一生育阶段同时对多个抗性基因进行筛选,这为了解抗源和抗病品种中所含有的抗性基因提供了更为迅速、稳定、可靠的方法。
目前,用于标记小麦抗叶锈病基因的分子标记主要有以下几种:
2.l RFLP技术在小麦抗叶锈病基因标记中的应用
RFLP(restriction fragment length polymorphism)作为遗传分析的工具开始于1974年,80年代开始应用于植物。其基本原理是物种的基因组DNA在限制性内切酶的作用下,产生相当多的、大小不等的DNA片段,用放射性同位素标记的DNA做探针把与被标记DNA相关的片段检测出来,从而构建出多态性图谱;它所代表的是基因组 DNA在限制性内切酶消化后产生的片段在长度上的差异。RFLP技术被广泛应用于小麦遗传图谱的构建标记和定位小麦的目的基因。
在小麦抗叶锈病基因的RFLP标记方面,SCHACHERMAYR等[8]将一编码受体蛋白激酶的Lrkl0基因的3.9Kb的HindⅢ片段用 PstⅠ分成六个亚片段,将这些亚片段作为RFLP标记,寻找到了特异的Lrk10片段可作为与小麦抗叶锈病基因Lr10紧密连锁的分子标记,将这一亚片段与已知抗性基因的单基因系进行Southern杂交,发现这一3.9Kb的HindⅢ片段仅存在于携带抗叶锈病基因Lr10的近等基因系中。进一步将此 RFLP标记Krkl0-6转变为STS标记STSLrkl0一6,发现一282bp的片段仅存在于携带Lr10的品种中,F2群体分离进一步证明此 282bp的片段与Lr10紧密连锁。SCHACHERMAYR等[9]利用近等基因系找到了与抗叶锈病基因Lr24紧密连锁的RFLP和RAPD的标记。在供试的115个RFLP探针中,其中6个与Lr24紧密连锁,从360个随机RAPD引物中,找到了11个能够揭示多态性的引物,其中一个与 Lr24紧密连锁,并将该RAPD产物克隆、测序将其转化为更为稳定可靠的STS标记,为分子标记辅助育种打下了良好的基础。FEUILLET等[10] 利用小麦抗叶锈病近等基因系Lr1/6*Thatcher和Thatcher及感病品种Frisal,通过F2群体分离,将37个RFLP中的16个定位在了第五部分同源群,而且能在Lr1/6*Thatcher和Frisal之间揭示多态性,I1个RFLP探针能在近等基因系间揭示多态性,F2群体分离分析发现,其中3个与抗性基因连锁,其中一定位在染色体5D上的探针pTAG621证明与Lr1紧密连锁,并将这一RFLP标记转化为了更为可靠的STS 标记。
AUTRIQUE[11]等利用4种含不同抗性基因的小麦近等基因系,根据抗性基因在其染色体上所处的位置选择克隆,同时,从大麦的RFLP连锁图谱和D一基因组RFLP图谱中,挑选了其它的克隆。通过杂交的方法来寻找多态性分子标记。结果发现,定位在染色体7DL和3DL上的8个分子标记,与抗性基因Lr19和Lr24共分离;来自Aegilops umbellulata的Lr9,被定位在染色体6B上,一克隆XksuD27与Lr9共分离,以及与Lr32紧密连锁的两个RFLP标记,遗传距离分别为(3.3土2.6)cM和(6.9土3.6)cM。
2.2 小麦抗叶锈病基因的RAPD标记
NAIK等[12]利用含Lr28的抗叶锈病近等基因系,从80个随机引物中找到了一个能在供体亲本和轮回亲本中揭示多态性的RAPD标记OPJ一 O1。将此387bp的多态性产物克隆、测序,将其设计成更为稳定的STS标记,利用BSA法,对F3群体进行分析,发现387bp的特异性产物只出现在抗性群体中,而在感病群体中表现缺失。证明了RAPD标记OPJ一O1和STS 标记均与Lr28紧密连锁。SIELDLER等[13]利用400个随机引物和14个DNA探针筛选近等基因系Lr9的多态性,并通过F2群体进行遗传连锁分析。结果表明2个RAPD标记和一个RFLP标记可以区分抗感品系,且与Lr9紧密连锁。WILLIAM等[14]利用RAPD技术,从400个随机引物中,找到了3个能在抗病群体和感病群体中揭示多态性的引物0PG-05、0P1-16和OPR-03,将其克隆转化成探针后,对重组群体进行 Southern杂交,确定其中前两个探针与持久抗叶锈病基因相关的数量性状位点(QTL)紧密连锁,其中定位在7BL上的QTL与抗叶锈病基因Lr34 部分同源。SCHACHERMAYR等[15]从395个随机引物中筛选出了3个与小麦抗叶锈病基因Lr9连锁的RAPD标记,将其特异性产物克隆、测序,然后转化成更为稳定的STS标记,F2、F3分离群体检测发现,所有的3个RAPD标记0PA-07、0PJ-l3、OPR-15和一RFLP标记 cMWG684与Lr9紧密连锁。另一RFLP标记PSR546也与Lr9紧密连锁,并与上述四个
DNA标记紧密连锁,遗传距离为(8士2.4)cM,此标记被定位在小麦染色体长臂6BL上。DEDRYVER等[16]利用含Lr24的小麦抗叶锈病近等基因系,在125个随机引物中,只有引物OP-H5能在抗病亲本RL6064中扩
增出一700bp的特异性的条带,而在感病亲本Thatcher中没有。F2群体分离证明,该标记与Lr24完全连锁。将其转变成稳定、可靠的SCAR标记,为分子标记辅助育种提供了有力的工具。
3 其它分子标记
虽然RFLP和RAPD是两种比较普遍的分子标记,但RFLP在小麦中检测的多态性较低,仅为20%--38%。RAPD是方便经济的分子标记,但是重复性和稳定性较差。其它的分子标记,如SSR、ISSR和AFLP的综合信息量大,在作物特别是小麦遗传资源的研究上有着广阔的应用前景。
4 分子标记辅助选择
目前,分子标记技术已开始应用于育种实践,并表现出其独特的优越性。寻找与重要的农艺性状紧密连锁的分子标记,是进行分子标记辅助选择(又称分子育种)和通过作图克隆基因的基础。分子标记辅助选择(Molecular-assisted-selection简称MAS)是生物技术与传统遗传育种相结合而形成的,它可以减少传统的回交育种过程中很难消除的连锁累赘,还可以把不同抗叶锈病基因聚合到同一优良品种中,实现同效基因的累加作用,获得持久抗性。在获得稳定的分子标记的基础上,通过染色体步行(Chromosome walking)等方法分离克隆该基因。
由于分子标记育种技术目前尚不成熟和完善,因此还不能作为一种育种方法单独使用。我国传统育种经验丰富,因此,应注意将分子标记这一先进技术与育种家的丰富经验相结合,使分子标记辅助选择发挥其更大的作用。
E. 基因的遗传标记主要有哪几种类型
遗传标记主要有4种类型,即形态标记(morphological:markers)、细胞学标记(cytological:markers)、生化标记(biochemical:markers)和分子标记(molecular:markers)四种类型。
在植物遗传育种研究中可被利用的遗传标记应具备以下几个条件:①多态性高;②遗传稳定,表现共显性;③对农艺性状影响小;④能检测整个基因组;⑤经济方便,容易观察记载。
F. 标记辅助选择的寻找方法
(二)寻找分子遗传标记的主要方法
DNA标记主要分为两类型:Ⅰ型标记物,主要是一些单基因,用于比较各品种同源位点的相对距离及连锁和线性相关性;Ⅱ型标记物,主要是多态性高、信息含量丰富的DNA片段,其中最常用的是微卫星标记。分子标记的种类越来越多,主要种类有限制性片段长度多态笥(RFLP)、随机扩增多态DNA(RAPD)、扩增片段长度多态性(AFLP)、微卫星(Microsatellites)等。目前,世界关于猪的研究中共有标记2505个,含微卫星标记1391个;Ⅰ型标记873个,Ⅱ型标记1632个。
寻找分子遗传标记的主要方法有候选基因法和基因组扫描法。
1. 候选基因法作为某个性状的候选基因通常是一些已知其生物学功能和核酸序列的基因,它们参与性状的生长发育过程。这些基因可能是结构基因、调节基因或是在生化代谢途径中影响性状表达的基因。候选基因法研究要遵循一定的步骤,如候选基因的选择引物设计,基因特定片段的扩增,多态位点的寻找等。候选基因法是利用那些被认为对于一个性状有直接生理功能的基因,去寻找QTL;此外,在其他物种发现的控制一些性状的基因可作为猪的候选基因进行研究。如心脏脂肪酸结合蛋白(H-FABP)基因,影响猪的背膘厚和肌内脂肪含量(Gerbens等,1999;2000;2001);黑素皮质激素受体4(MC4R)基因与猪的采食量、背膘厚及生长速度显着相关(Kim等,1999;2000)。
2. 基因组扫描法 猪的19对染色体上储存了全部的遗传信息。通过建立参考家系,如梅山×欧美猪种、野公猪×大白猪,并且利用它们的杂交后代通过遗传标记去寻找QTL。最有效的设计是F2代分离群进行基因型分析,图4-2就是一个进行单遗传标记和连锁QTL分析的简单示意图。在F1代中遗传标记及其连锁QTL的等位基因为杂合子。F2代分离群中,每个座位的三种可能基因型的比率应为1:2:1,这时比较标记基因型的平均性能,就可以分析连锁QTL的存在。
Anderson等(1994),报道了用野公猪×大白猪建立的参考群的研究结果,利用遗传图谱中105个DNA标记,对分离群F2代200头猪进行连锁分析的研究中发现:第4号染色体存在控制猪生长率和背膘的座位,平均基因效应分别为24g/d和5mm,相当于F2代群体总表型变异的12%和18%。在两个极端纯合子基因型个体间,日增重可以相差50g以上,这造成了猪在上市时体重相差10kg。
(三)MAS育种
在猪育种选择中,对遗传力较低(如繁殖性状)、度量费用昂贵(如抗病性)、表型值在发育早期难以测定(如瘦肉率)或限性表现(如产奶量)的性种效率。据估计,对种公畜先进行标记选择再进行后裔测定,选择反应可友提高10%~15%;同胞选择结合MAS可提高40%左右。综合多个遗传标记与性状信息的选择指数,可使选择反应提高50%~200%。在杂交育种中利用标记选择,可以预测和充分利用杂种优势。分子遗传标记还可应用于早期选择以及筛选和检测很大的群体,以选择出具有所需基因型的群体。
例如猪产仔数这一低遗传 力性状,用传统方法改良进展甚微。Rothschild等在1994年发现雌激素受体(ESR)基因是猪产仔数的主效基因之一,该座位在中国梅山猪合成系中可以控制1.5头总产仔数和1头活产仔数。在中国二花脸杂交群中,中国农业大学不但证实了Rothschild等人的研究结果,同时还发现了另外一个控制猪产仔数的主效基因座位——FSHβ,这个基因座位可以控制2.0头总产仔数和1.5头活产仔数。
虽然,MAS可提高选择的有效性和年遗传改进量,但MAS的效能亦受到很多因素的影响,除性状的遗传力、选择强度、被选群体大小之外,决定因素是遗传标记与QTL的连锁程度。Zhang(1992)指出,利用与QTL十分紧密连锁的遗传标记,可将每个QTL特异地检测出,最终对遗传标记的选择会相当于对QTL本身的选择。因此,要提高MAS的效能,必须获得与QTL紧密连锁的遗传标记。目前,通过建立猪资源家系,已经将一些与生长、胴体、肉质和繁殖等相关的QTL定位在某些微卫星附近,如3号染色体上微卫星Sw2427—Sw251区域与猪的日增重、4号染色体上S0101—S0107区域与背膘腹脂、7号染色体上S0064—S0066区域与胴体组成和初生重有着很大的相关性。可以预见,随着更多与QTL紧密连锁遗传标记的发现,MAS在实际育种中将会得到更我更有效的应用。
G. 什么是分子标记分子标记的种类
分子标记的概念有广义和狭义之分。广义的分子标记是指可遗传的并可检测的DNA序列或蛋白质。狭义分子标记是指能反映生物个体或种群间基因组中某种差异的特异性DNA片段。
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的反映。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分子标记具有的优越性有:大多数分子标记为共显性,对隐性的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。随着分子生物学技术的发展,DNA分子标记技术已有数十种,广泛应用于遗传育种、基因组作图、基因定位、物种亲缘关系鉴别、基因库构建、基因克隆等方面。
H. DNA分子标记的种类有哪些,各有何特点
主要介绍以下四种:
1 RFLP :该技术由Grodzicker等于1974年创立特定生物类型的基因组DNA经某一种限制性内切酶完全酶解后,会产生分子量不同的同源等位片段,或称限制性等位片段RFLP标记技术的基本原理就是通过电泳的方法分离和检测这些片段凡是可以引起酶解位点变异的突变,如点突变(新产生和去除酶切位点)和一段DNA的重新组织(如插入和缺失造成酶切位点间的长度发生变化)等均可导致限制性等位片段的变化,从而产生RFLP该技术包括以下基本步骤:DNA提取;用DNA限制性内切酶消化;凝胶电泳分离限制性片段;将这些片段按原来的顺序和位置转移到易操作的滤膜上;用放射性同位素或非放射性物质标记的DNA作探针与膜上的DNA杂交(称 Southern杂交);放射性自显影或酶学检测显示出不同材料对该探针的限制性酶切片段多态性
RFLP标记的主要特点有:(1)遍布于整个基因组,数量几乎是无限的;(2)无表型效应,不受发育阶段及器官特异性限制;(3)共显性,可区分纯合子和杂合子;(4)结果稳定可靠;(5)DNA需要量大,检测技术繁杂,难以用于大规模的育种实践中
2 RAPD :由Williams等于1990年创立其基本原理与PCR技术一致
PCR技术是一种体外快速扩增特异基因或DNA序列的方法,由Mullis等于1985年首创该技术在试管中建立反应体系,经数小时后,就能将极微量的目的基因或某一特定的DNA片段扩增数百万倍其原理与细胞内发生的DNA复制过程相类似,首先是双链DNA分子在邻近沸点的温度下加热时便分离成两条单链DNA分子,然后DNA聚合酶以单链DNA为模板,并利用反应混合物中的四种脱氧核苷三磷酸(dNTPs)合成新生的DNA互补链,以上过程为一个循环,每一个循环的产物可以作为下一个循环的模板,经过20-30个循环后,介于两个引物间的特异DNA片段以几何数得以大量复制
RAPD标记技术就是用一个(有时用两个)随机引物(一般8-10个碱基)非定点地扩增基因组DNA,然后用凝胶电泳分开扩增片段遗传材料的基因组DNA如果在特定引物结合区域发生DNA片段插入缺失或碱基突变,就有可能导致引物结合位点的分布发生相应的变化,导致PCR产物增加缺少或发生分子量变化若PCR产物增加或缺少,则产生RAPD标记
RAPD标记的主要特点有:(1)不需DNA探针,设计引物也无须知道序列信息;(2)显性遗传(极少数共显性),不能鉴别杂合子和纯合子;(3)技术简便,不涉及分子杂交和放射性自显影等技术;(4)DNA样品需要量少,引物价格便宜,成本较低;(5)实验重复性较差,结果可靠性较低
3 AFLP :由Zabeau和Vos于1993年发明AFLP标记是选择性扩增基因组DNA酶切片段所产生的扩增产物的多态性,其实质也是显示限制性内切酶酶切片段的长度多态性,只不过这种多态性是以扩增片段的长度不同被检测出来该技术结合了RFLP的稳定性和PCR技术的简便高效性,同时又能克服RFLP带型少信息量小以及RAPD技术不稳定的缺点其基本技术原理和操作步骤如下:首先用限制性内切酶酶解基因组DNA,形成许多大小不等的随机限制性片段;接着在这些片段的两端连接上特定的寡聚核苷酸接头(Oligo nuleotide adapter);然后根据接头序列设计引物,由于限制性片段太多,全部扩增则产物难以在胶上分开,为此在引物的3端加入1-3个选择性碱基,这样只有那些能与选择性碱基配对的片段才能与引物结合,成为模板被扩增,从而达到对限制性片段进行选择扩增的目的;最后通过聚丙烯酰胺凝胶电泳,将这些特异性的扩增产物分离开来
AFLP标记的主要特点有:(1)由于AFLP分析可以采用的限制性内切酶及选择性碱基种类数目很多,所以该技术所产生的标记数目是无限多的;(2)典型的AFLP分析,每次反应产物的谱带在50-100条之间,所以一次分析可以同时检测到多个座位,且多态性极高;(3)表现共显性,呈典型孟德尔式遗传;(4)分辩率高,结果可靠;(5)目前该技术受专利保护,用于分析的试剂盒昂贵,实验条件要求较高
4 SSR(SSLP) :由Moore等于1991年创立SSR即微卫星DNA,是一类由几个(多为1-5个)碱基组成的基序(motif)串联重复而成的DNA序列,其长度一般较短,广泛分布于基因组的不同位置,如(CA)n(AT)n(GGC)n等重复不同遗传材料重复次数的可变性,导致了SSR长度的高度变异性,这一变异性正是SSR标记产生的基础尽管微卫星DNA分布于整个基因组的不同位置,但其两端序列多是保守的单拷贝序列,因此可以根据这两端的序列设计一对特异引物,通过PCR技术将其间的核心微卫星DNA序列扩增出来,利用电泳分析技术就可获得其长度多态性,即SSR标记
SSR标记的主要特点有:(1)数量丰富,广泛分布于整个基因组;(2)具有较多的等位性变异;(3)共显性标记,可鉴别出杂合子和纯合子;(4)实验重复性好,结果可靠;(5)由于创建新的标记时需知道重复序列两端的序列信息,因此其开发有一定困难,费用也较高.
I. 法庭科学中常用的DNA遗传标记有哪些类型
目前法医dna分析使用的dna遗传标记主要有:短串联重复序列(STR)、单核苷酸多态(SNP)和微小插入缺失(Indel)三种。其中STR是目前应用最多的标记。
J. 遗传标记有哪些
遗传标记是指在遗传分析上用作标记的基因,也称为标记基因。在重组实验中多用于测定重组型和双亲型。作为标记基因,其功能不一定研究得很清楚,但应突变性状是明确的,所以容易测定。对于微生物,虽多用与生化性状有关的基因,但对高等生物则多用与形态性状有关的基因,也有用着丝粒作为遗传标记的。在微生物遗传学中,遗传标记还区分为选择性标记(或称选择性基因)和非选择性标记(或称选择性基因)二类。
遗传标记指可追踪染色体、染色体某一节段、某个基因座在家系中传递的任何一种遗传特性。它具有两个基本特征,即可遗传性和可识别性,因此生物的任何有差异表型的基因突变型均可作为遗传标记。
遗传标记包括形态学标记、细胞学标记、生物化学标记、免疫学标记和分子标记五种类型。