基于LTR—FINDER分析葡萄基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子

李衛(wèi)濤 張煥麗 押輝遠(yuǎn)

摘要：運(yùn)用LTR-FINDER對(duì)葡萄（Vitis vinifera）基因組中的19條染色體LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子進(jìn)行分析。結(jié)果表明，葡萄基因組中19條染色體上共檢索到5 470個(gè)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，約占葡萄基因組10.7%。LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子分析為進(jìn)一步開(kāi)展葡萄品種鑒定和遺傳多樣性分析奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：葡萄（Vitis vinifera）；LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子；基因組

中圖分類號(hào)：Q943 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）08-1953-03

葡萄（Vitis vinifera）屬于葡萄科（Vitaceae）葡萄屬（Vitis），為落葉藤本植物。目前全世界葡萄屬植物有70余種，幾乎占到全世界水果產(chǎn)量的1/4。中國(guó)約有38個(gè)葡萄品種，其分布之廣、產(chǎn)量之高、種類之多、特性之豐富，為全世界各國(guó)少有[1]。葡萄營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高，其重要的用途就是釀制葡萄酒。遺傳多樣性在一定程度上決定了物種分布及數(shù)量多樣性，是生物多樣性研究的核心問(wèn)題之一。通過(guò)對(duì)葡萄遺傳多樣性的研究，可以完整地認(rèn)識(shí)葡萄的進(jìn)化過(guò)程或適應(yīng)機(jī)理，種群的地理分布格局、數(shù)量增長(zhǎng)、優(yōu)良品種選育、資源鑒別和利用以及病害檢測(cè)和防治等方面問(wèn)題。

葡萄遺傳多樣性的研究是葡萄資源研究的重要方面。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，葡萄種質(zhì)資源的鑒定和分類研究已經(jīng)從形態(tài)學(xué)[2]、孢粉學(xué)[3]、細(xì)胞學(xué)[4]、酶學(xué)[5]水平發(fā)展到分子生物學(xué)水平上。分子標(biāo)記技術(shù)在植物遺傳多樣性、作物品種純度鑒定、種質(zhì)資源分類、遺傳圖譜構(gòu)建等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[6]。針對(duì)葡萄的分子標(biāo)記主要包括基于分子雜交技術(shù)的RFLP標(biāo)記和基于PCR技術(shù)的第一代分子標(biāo)記RAPD，第二代分子標(biāo)記AFLP、SSR以及第三代分子標(biāo)記STS、EST、SNP等[7]。REMAP和IRAP是基于反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子首先開(kāi)發(fā)出來(lái)的兩種分子標(biāo)記方法[8]。REMAP是根據(jù)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子兩端的LTR保守序列和微衛(wèi)星序列設(shè)計(jì)引物來(lái)檢測(cè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子與簡(jiǎn)單重復(fù)序列之間的多態(tài)性。IRAP是一種檢測(cè)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子插入位點(diǎn)間多態(tài)性的分子標(biāo)記[9]，而LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在植物中拷貝數(shù)多，且散布于各染色體，非常利于分子標(biāo)記[10]。與常規(guī)分子標(biāo)記如AFLP、SSR、RAPD和ISSR相比，反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子標(biāo)記不是在一個(gè)或少數(shù)核苷酸的位置檢測(cè)基因組的微小變異，而是檢測(cè)基因組中大的變異[11]，因而檢測(cè)的多態(tài)性信息含量明顯高于AFLP和SSR，特異性及重復(fù)性優(yōu)于RAPD和ISSR，靈敏性強(qiáng)于傳統(tǒng)分子標(biāo)記，尤其適用于遺傳背景高度同源的基因型鑒別[12]。目前反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子標(biāo)記已經(jīng)在柑橘（Citrus reticulata Blanco）、蘋果（Malus domestica）等種質(zhì)鑒定，大麥（Hordeum vulgare）遺傳圖譜構(gòu)建，水稻（Oryza sativa L.）、香蕉（Musa paradisiaca）、棉花（Gossypium spp.）、油橄欖（Olea europea L.）等遺傳多樣性檢測(cè)，燕麥（Avena sativa L.）[13]輔助選擇育種以及番茄（Solanum lycopersicum）、辣椒（Capsicum annuum）[14]、煙草（Nicotiana tabacum）[9]等茄科作物遺傳多樣性研究等領(lǐng)域得到應(yīng)用，而基于IRAP和REMAP分子標(biāo)記技術(shù)應(yīng)用于葡萄多態(tài)性的研究報(bào)道還比較少見(jiàn)，其主要原因是對(duì)葡萄的LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)。

本研究利用LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子分析軟件LTR-FINDER分析了葡萄基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，為利用IRAP和REMAP分子標(biāo)記研究葡萄多態(tài)性品種鑒定和遺傳多樣性打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

從NCBI（http：//www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/mapview/map_search.cgi？taxid=29760）獲取葡萄基因組序列，根據(jù)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子基本特征，運(yùn)用LTR-FINDER（http：//tlife.fudan.edu.cn/ltr_finder/）分析葡萄基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，完成基因組LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子測(cè)序。LTR-FINDER程序參數(shù)按照默認(rèn)值進(jìn)行設(shè)置。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄基因組LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的分布特征

通過(guò)LTR-FINDER分析，得到LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在葡萄染色體上的分布情況見(jiàn)表1（堿基長(zhǎng)度均不包括其中的gap長(zhǎng)度）。由表1可知，葡萄基因組中19條染色體LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的比例含量最高的染色體是11號(hào)染色體（14.6%），比例含量最低的染色體是6和8號(hào)染色體（均為6.5%），基因組轉(zhuǎn)座子平均含量為10.7%。LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子頻數(shù)最高的染色體是6號(hào)染色體（114 398 bp），頻數(shù)最低的染色體是11號(hào)染色體（59 326 bp），19條染色體上平均轉(zhuǎn)座子的頻數(shù)為77 897 bp。LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子數(shù)目最多的染色體是14號(hào)染色體（386個(gè)），數(shù)目最少的染色體是6號(hào)染色體（188個(gè)），19條染色體上總的轉(zhuǎn)座子數(shù)目是5 470個(gè)。

2.2 葡萄及常見(jiàn)禾本科植物基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量比較

將葡萄基因組LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量與其他物種進(jìn)行比較（表2）。由表2可知，葡萄基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量雖然達(dá)到了10.7%，但相對(duì)于禾本科植物，其含量仍較低。植物L(fēng)TR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在基因進(jìn)化中主要通過(guò)引起基因突變、基因組重排、改變基因組大小等方式起作用，這些活動(dòng)可以造成一系列的遺傳學(xué)效應(yīng)。離子束輻射、電離輻射、組織培養(yǎng)可以激活反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的活性，增強(qiáng)反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座活性[15]。因此，葡萄LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子約占其基因組10.7%，含量相對(duì)較低，基因組相對(duì)穩(wěn)定，可以通過(guò)電離輻射等方式誘導(dǎo)葡萄基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座，引起基因組染色體的不穩(wěn)定性，從而造成表型變化，為作物育種提供新的途徑和物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的活動(dòng)也可能是造成葡萄品種多樣性的遺傳學(xué)基礎(chǔ)。

3 小結(jié)與討論

隨著生物基因組學(xué)和生物信息學(xué)的發(fā)展，正在改變對(duì)可轉(zhuǎn)座元件（Transposable element，TE）包括LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的研究方式。近年來(lái)，基因組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展給LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子研究提供了廣闊的研究方向。如何從海量的序列基因組數(shù)據(jù)中有效而迅速地發(fā)現(xiàn)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子已經(jīng)成為亟待解決的問(wèn)題。21世紀(jì)初LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的發(fā)現(xiàn)和研究一直是試驗(yàn)方法手工驗(yàn)證，如印記、原位雜交和聚合酶鏈?zhǔn)綌U(kuò)增等。目前研究者已經(jīng)積累了大量的LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，為構(gòu)建計(jì)算機(jī)模型建立了良好的基礎(chǔ)[16，17]。

可轉(zhuǎn)座元件是植物基因組的重要成分甚至是主要成分，它們的活動(dòng)為植物基因組結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)化提供了重要機(jī)制，并參與塑造基因組的組織結(jié)構(gòu)與大小，影響基因的調(diào)控與變異。研究LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在葡萄基因組中的分布及特征對(duì)葡萄的深入研究起到重大作用。據(jù)研究報(bào)道，水稻、玉米和小麥中轉(zhuǎn)座子的含量分別為18.0%[16]，50.0%～80.0%[17]和90.0%[18]，LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在植物基因組中拷貝數(shù)多，成簇分布。本研究中發(fā)現(xiàn)葡萄基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子平均含量達(dá)到10.7%，大約每77 897個(gè)堿基序列上就有一個(gè)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，說(shuō)明葡萄基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子含量較為豐富。實(shí)際上本研究只是針對(duì)葡萄基因組上全長(zhǎng)LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子進(jìn)行分析，而反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在進(jìn)化過(guò)程中會(huì)大片段地缺失從而產(chǎn)生不完整，形成非全長(zhǎng)的LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，如片段LTRs、solo LTRs。因此，葡萄基因組中LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的成分要高于10.7%。葡萄基因組中有著豐富的LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，符合IRAP和REMAP分子多態(tài)性技術(shù)研究的基本條件，可以利用基于LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的分子多態(tài)性技術(shù)研究葡萄的遺傳多態(tài)性，從而對(duì)葡萄的遺傳進(jìn)化和遺傳作圖及種質(zhì)資源利用等研究提供更好的分子生物學(xué)方法。

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