分子标记的优势是什么?

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理想的遗传标记形式。它是基于蛋白质和核酸分子的突变来检测生物的遗传结构及其变异。分子标记技术本质上是通过检测生物个体的基因或基因型的变异来反映生物个体之间的差异。每种分子标记都有自己的特点和具体的应用范围,但总的来说,与形态学标记和生化标记相比,DNA分子标记有许多独特的优势:①不受组织类型和发育阶段的影响。植物的任何组织都可以用于任何发育阶段的分析。②不受环境影响。因为环境只影响基因表达(转录和翻译),而不改变基因结构,也就是DNA的核苷酸序列。③标记数量多,覆盖全基因组。④多态性高,自然等位变异多。⑤许多标记是* * *显性的,可以区分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样本在合适的条件下可以长期保存,非常有利于溯源或仲裁鉴定。因此,DNA分子标记可以弥补和克服形态鉴定、同工酶和蛋白质电泳鉴定中的许多缺陷和问题,从而在品种鉴定中显示出广阔的应用前景。

1.1 ?1代分子标记

1.1.1 ?RFLP标签技术。

Botesin在1980提出的限制性片段长度多态性(RFLP)可作为遗传标记,开创了DNA多态性直接应用的新阶段,是最早的分子标记技术。RFLP是检测限制性内切酶消化后形成的特定DNA片段的大小,反映DNA分子上不同限制性位点的分布。因此,DNA序列的微小变化,甚至是65,438+0个核苷酸的变化,也能引起限制性内切酶切割位点的丢失或产生,导致限制性内切酶片段长度的变化。

优点:RFLP标记的等位基因具有* * *显性的特点,结果稳定可靠,重复性好,特别适合构建遗传连锁图谱。

缺点:在RFLP分析中,需要该位点的DNA片段作为探针,放射性同位素和核酸杂交技术既不安全也不容易自动化。此外,RFLP对DNA多态性检测不敏感,在RFLP连锁图上有许多大的空间区域。

1.1.2 ?RAPD标记技术。

为了克服RFLP技术的缺点,Williams在1990建立了随机扩增多态性DNA (RAPD)技术。由于其独特的检测DNA多态性的方式,RAPD技术迅速渗透到基因研究的各个领域。RAPD是一种基于PCR的分子标记技术。基本原理是用一个随机引物(8 ~ 10碱基)通过PCR反应随机扩增DNA片段,然后用凝胶电泳分离扩增片段,研究DNA多态性。对于任何特定的引物,在基因组DNA序列中都有其特定的结合位点。一旦基因组在这些区域有DNA片段插入、缺失或碱基突变,这些特异性结合位点的分布就可能发生变化,从而导致扩增产物的数量和大小发生变化,表现出多态性。

优点:与RFLP相比,RAPD技术简单,检测快速,DNA消耗少,实验设备简单,无需DNA探针,设计引物时无需预克隆、标记或序列分析,不受物种特异性和基因组结构的影响。一套合成的引物可用于不同生物的基因组分析,一条引物可扩增多个片段,不需要同位素,安全性好。

缺点:当然RAPD技术受多种因素影响,实验的稳定性和重复性较差。首先是显性遗传,不能识别杂合子位点,使得遗传分析相对复杂。在基因作图和连锁遗传作图中,由于显性覆盖,计算基因座间遗传距离的准确性属于特异性和基因组结构。一套引物可以用于不同生物的基因组分析,一条引物可以扩增多个片段,而且不需要同位素,安全。当然,RAPD技术受多种因素影响,实验的稳定性和可重复性较差。首先是显性遗传,不能识别杂合子位点,使得遗传分析相对复杂。在进行基因作图和连锁遗传作图时,由于显性覆盖,计算基因座间遗传距离的准确性会降低。其次,RAPD对反应条件非常敏感,包括模板浓度和Mg2+浓度,因此实验的可重复性较差。

1.3 ?AFLP标记技术

?扩增片段长度多态性(AFLP)又称选择性限制性片段扩增2 (SRFA),由荷兰KEYGENE公司的Zabean和Vos于1993年发明,并已申请专利。AFLP是近年来发展迅速的一种分子标记技术。它将基因组DNA经成对限制性内切酶消化后的片段与一个接头(与限制性位点互补)连接起来,通过5’端与接头互补的半特异性引物扩增大量DNA片段,从而形成指纹的分子标记技术。AFLP指纹是孟德尔显性和隐性遗传。

优点:兼有RAPD和RFLP的优点,稳定性高。用少量的选择性引物可以在短时间内检测到大量的基因座,每对引物检测到的许多基因座或多或少随机分布在多条染色体上。每条染色体上AFLP标记的数量与染色体长度呈正相关(r = 0。501),而一对引物涉及的染色体数与标记数呈正相关(r = 0。因此,可以通过少量高效的引物组合获得覆盖全基因组的AFLP标记。目前,AFLP作为一种高效的指纹技术,在遗传育种研究中发挥了其优势。

缺点:但也有研究认为AFLP对基因组纯度和反应条件要求较高。此外,当用于遗传作图时,少数标记与图谱的紧密度不同。此外,基于RAPD和RFLP技术,建立了scar(序列表征扩增区)、caps(裂解扩增多态性序列)和daf (DNA am 2扩增指纹)。这些技术的出现,进一步丰富和完善了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 ?第二代分子标记

2.1 ?SSR标记技术。

真核生物基因组中存在许多非编码重复序列,如重复单元长度为15 ~ 65个核苷酸的微卫星DNA(重复单元长度为2 ~ 6个核苷酸的小卫星DNA。微卫星和微卫星DNA分布在全基因组的不同位点。由于重复单元的大小和顺序不同,拷贝数也不同,构成了丰富的长度多态性。摩尔在1991年结合PCR技术创立了SSR(简单序列重复)标记技术。SSR又称微卫星DNA,是一种由若干个模体(多为1 ~ 5)串联重复组成的DNA序列,其中最常见的是二核苷酸重复序列,即(CA) n和(TG) N,每个微卫星DNA的核心序列结构相同,重复单元数为10 ~ 60,其高度多态性主要来源于串联的数目。不同遗传物质的重复次数不同导致SSR长度的高度变异性,这是SSR标记的基础。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。由于核心序列重复次数不同,扩增出不同长度的PCR产物,是检测DNA多态性的有效方法。微卫星序列具有高度多态性,在群体中具有* * *显性,是一种很好的分子标记。目前,微卫星标记已被用于构建人类、小鼠、大鼠、水稻、小麦、玉米等物种的染色体遗传图谱。

优点:这些微卫星标记已广泛应用于基因定位与克隆、疾病诊断、遗传分析或品种鉴定、作物育种、进化研究等领域。此外,SSR标记不仅可以鉴别纯合子和杂合子,而且结果更加可靠,方法简单,省时省力。

2.2 ?ISSR标记技术。

ISSR是一种新的分子标记技术。1994年,Zietkiewicz发展了SSR技术,建立了锚定微卫星寡核苷酸技术。他们使用锚定的微卫星寡核苷酸作为引物,即在SSR的5’端或3’端添加2 ~ 4个随机选择的核苷酸,可以引起特定位点的退火,从而导致与锚定引物互补的重复序列之间基因组片段的PCR扩增。这种标记也被称为ISSR

序列重复)、assr(锚定简单序列重复)或AMP2PCR。在使用的双翼引物中,一个可以是ASSR引物,另一个可以是随机引物。如果一个是5’端有锚的ASSR引物,另一个是随机引物,称为RAMP技术[19]。ISSR2PCR扩增使用的引物通常是16 ~ 18碱基序列,由1 ~ 4碱基串联重复序列和几个非重复锚定碱基组成,从而保证引物与基因组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非常普遍,进化和突变的速度非常快,所以锚定引物的ISSR2PCR可以检测基因组中很多位点的差异。与SSR-2 PCR相比,ISSR-2 PCR使用的引物不需要事先进行DNA测序,这也是为什么有些ISSR引物在特定的基因组DNA中可能没有配对区域,没有扩增产物,通常是显性标记,孟德尔遗传,具有良好的稳定性和多态性。

1.3 ?第三代分子标记

3.1 ?SNP标记技术。

单核苷酸多态性(单核苷酸?多态性,SNP)被称为第三代DNA分子标记,是指同一位点不同等位基因之间单个核苷酸的差异,包括单个碱基的缺失或插入,更常见的是单个核苷酸的取代,常发生在嘌呤碱基(A和G)和嘧啶碱基(C和T)之间。SNP标记可以帮助区分两个个体之间遗传物质的差异,被认为是最有前途的遗传标记。目前,已经在人类染色体上定位了2 000多个标记,在拟南芥中开发了236个SNP标记。大约30%的SNP标记含有限制性位点的多态性。

优点:检测SNP最好的方法是DNA芯片技术。最新报道的微芯片电泳可以高速检测临床样本中的SNP,比毛细管电泳和平板电泳分别快10和50倍。SNP与1代的RFLP和2代的SSR有两方面的不同:一是SNP不再以DNA片段的长度变化作为检测手段,而是直接以序列变异作为标记;其次,SNP标记分析完全抛弃了经典的凝胶电泳,取而代之的是最新的DNA芯片技术。

3.2 ?EST标记技术。

表达序列标签(EST)是由美国国立卫生研究院(NIH)的生物学家Venter在1991中提出的。随着人类基因组计划的开展,EST技术被广泛应用于发现新的人类基因、绘制人类基因组图谱和识别基因组序列编码区等研究领域,进而被广泛应用于植物基因组研究。EST是指在不同组织的cDNA文库中随机克隆测序,获得部分cDNA序列。一个EST对应于某个mRNA的cDNA克隆序列,长度一般为150 ~ 500 bp,只包含基因编码区。

优点:EST可以代表一个生物体在某一时刻的一个表达基因,因此被称为“表达序列鉴定”;然而,ESTs的数量显示了它所代表的基因的拷贝数。一个基因表达的次数越多,它的cDNA克隆就越多。因此,通过对cDNA克隆进行测序和分析,可以知道基因的表达丰度。目前一般采用试剂盒来构建cDNA文库,DNA测序技术的快速发展使得进一步降低大规模DNA测序的成本成为可能。