CN104598773A - 基于RAD-seq开发濒危羊踯躅SSR引物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于RAD-seq开发濒危羊踯躅SSR引物的方法。本发明包括构建羊踯躅基因组文库,经双末端测序及后续处理后获得Raw Data 7.653G,过滤后的Clean data 7.513G;利用cd-hit-est聚类软件对含有酶识别位点的reads进行聚类,将RAD测序时Reads2捕获一致的区域聚在一起;Reads2之间最多允许3个碱基的错配,通过Reads2的序列相似性把RAD-tag相近的reads聚集到一个类中,用VelvetOptimiser组装软件对筛选过后的每类测序数据进行局部组装,最终从中挑取最好的congtig用于SSR收索;contig过滤后共得到11,961个可用于之后设计SSR引物的SSR 片段;用Primer3设计SSR引物,应用本方法成功设计了11,687对SSR引物;从中随机选取60对引物对来源于不同地理分布的6份羊踯躅DNA进行多态性检测。为羊踯躅ssR引物开发提供了新思路。
Description
技术领域
本发明涉及分子生物学及生物信息学,涉及基于限制性酶切位点相关DNA的简化基因组测序技术(Re-striction-site associated DNA sequences, RAD-seq)开发濒危羊踯躅(Rhododendron molle G. Don)SSR引物的方法。
背景技术
羊踯躅(Rhododendron molle G. Don),又名闹羊花、羊不食草、黄杜鹃和八厘麻等,是我国杜鹃花科羊踯躅亚属中仅有的一个原生种。它是世界各国杜鹃花色品种改良的重要基因库和优异亲本,同时羊踯躅全株器官均具有重要的药用价值,具有镇痛、祛风、除湿、治疗温疟、慢性肾小球肾炎等。
上世纪80年代以前,羊踯躅遍及华中、华南。但由于人们多年来的滥挖乱采及生境的破坏使其生殖环节受到影响,羊踯躅野外分布的地区和种群数量急剧减少,有些省份野外已难见其踪影。羊踯躅濒于灭绝的风险日益加剧,亟待加以保护。然而确定濒危羊踯躅优先保护种群和制定有效的取样策略的科学依据有赖于濒危羊踯躅残余居群的遗传结构、遗传多样性、基因流以及生殖适合度等方面的研究结果,这些研究对制定有效地保护策略具有重要意义。但对这些方研究都依赖于现代分子生物学技术,尤其是有效的分子标记。
简单序列重复(Simple sequence repeat, SSR),又称微卫星标记(Microsatellite markers),以其共显性、变异快、重复性好,特异性强,操作便利等特征,在植物种质资源开发、遗传结构分析、遗传图谱构建等方面已被广泛应用,尤其是在濒危物种的保护遗传学方面,SSR已成为最有效的分子标记,是当今研究的热点。如Megan E. 等通过开发SSR分子标记,采用亲本分析方法研究了Eucalyptus grandis的花粉扩散和基因流;Millar M. A.等利用SSR分子标记和亲本分析方法研究了Acacia saligna subsp. Saligna随机花粉扩散和杂交率;Wang J.等开发了Eurycorymbus cavaleriei的SSR分子标记,应用亲本分析方法研究了其迁地保护种群的花粉扩散和基因流。
然而,SSR标记的主要缺点是首先要从该物种中获取重复序列两侧的序列信息,并设计引物,而后才能被利用。目前羊踯躅尚无全基因组序列信息,具有羊踯躅种内多态性的SSR引物尚未见报道。因此开发一套濒危羊踯躅SSR分标记具有重要的理论和实践价值。对于濒危羊踯躅既无参考基因组,也无含有SSR位点的核苷酸序列数据库,开发其SSR标记的常用分子生物学方法是先构建含有SSR位点的文库,随后用含有SSR序列的探针与文库进行Southern杂交,筛选出含有微卫星序列的阳性克隆(或构建富集SSR文库),最后克隆测序并设计SSR引物。该方法开发SSR标记的流程非常复杂、技术要求高、开发效率也非常低,往往只能开发出少量几个的SSR标记,开发成本非常大等。
在第二代测序基础上发展起来的Restriction-site associated DNA sequencing (RAD-seq) 技术是一项基于全基因组酶切位点的简化基因组测序技术。该方法技术流程简单,不受有无参考基因组的限制,可大大简化基因组的复杂性,减少实验费用,通过一次测序就可以获得数以万计的多态性标记。本发明利用该技术开发一批羊踯躅SSR标记。这些SSR标记对研究濒危羊踯躅残余居群的遗传结构、遗传多样性、基因流以及生殖适合度等将提供强有力的技术支撑,对该物种的群体基因组学、系统发生学及比较基因组学研究等也将起重要推动作用。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术中存在的不足,提供一种高通量测序发展起来的开发简化基因组测序(RAD-seq)技术开发羊踯躅SSR标记的方法,提供一批可用于群体基因组学、系统发生学及比较基因组学等研究的SSR引物。
本发明是一种基于RAD-seq开发濒危羊踯躅SSR引物的方法,其具体特征和实现步骤如下:
(1)DNA提取及文库构建:采用改良的CTAB法提取羊踯躅的基因组DNA,检测合格的DNA样品通过酶切、随机打断,经末端修复、加A尾、加测序接头、纯化、PCR扩增、通过琼脂糖凝胶电泳回收300-700 bp序列等步骤完成基因组文库制备;
(2)库检及上机测序:文库构建好以后,用Qubit2.0进行初步定量,用Agilent 2100检测insert size,然后用Q-PCR方法对有效浓度进行准确定量(有效浓度>2nM);库检合格后,利用Illumina HiSeq/MiSeq (Illumina HiSeqTM2500/MiseqTM)进行双末端测序,每端测序100 bp,获得原始测序序列(Sequenced Reads)-Raw Data,经测序质量分布检查、和过滤等步骤得到得到clean reads;
(3)RAD-Tag捕获及统计:采用Perl pipeline软件,对Celan reads 进行去除重复处理后,统计含有 EcoRI 识别序列(AATTC)的 reads 数,以及 EcoRI 捕获的 reads 数占总 reads 数的比例,得到 RAD-tag 相关统计信息,本发明RAD-Tag捕获率在98.48%~98.48%之间,所有样本的数据量足够,测序质量合格,GC分布正常;
(4)聚类:利用cd-hit-est聚类用的软件,对样本含有酶识别位点的reads进行聚类,将RAD测序时Reads2捕获一致的区域聚在一起;
(5)组装与评估:根据聚类结果,用VelvetOptimiser组装软件对筛选过后的每类测序数据进行局部组装,得到最后的组装序列,并对100 bp以下的contig进行过滤;
(6)SSR检测:采用SSR search 软件对contig序列进行SSR检测过滤去掉距离过近的简单重复序列;
(7)采用软件Primer3进行SSR引物设计,并鉴定SSR引物的多态性;
本发明的技术效果是:应用本方法成功设计了11,687对SSR引物。从中随机选取60对引物对来源于不同地理分布的6份羊踯躅DNA进行验证,其中多态引物共有13对,利用这13对SSR引物可以研究濒危羊踯躅的遗传多样性、群体基因组学、系统发生学及比较基因组学等研究。本发明方法高效、准确、快捷且成本低廉,为羊踯躅ssR引物开发提供了新思路。
附图说明
图1为本发明的羊踯躅基因组文库构建的原理及过程。
图2为本发明中RAD-seq的测序深度分布图,图中横坐标表示测序深度。图中的虚线和右侧纵坐标表示大于或等于该深度的位点占全基因组的百分比,图中实线和左侧的纵坐标轴表示对应深度的位点占全基因组的百分比。
图3为本发明中部分SSR重复基元类型和数量。图中纵坐标轴表示SSR数量,横坐标轴表示SSR重复基元类型。
图4为本发明中利用部分SSR引物对来源于我国4个地理分布(江西金溪和安徽金寨各2份、湖南邵东和福建政和各1分)共6份羊踯躅DNA进行多态性检测的聚丙烯酰胺凝胶电泳结果。
具体实施方式
本发明是这样实现的,所述方法包括以下步骤:
1. DNA提取及质量检测:采用改良的CTAB法提取羊踯躅的基因组DNA,采用琼脂糖凝胶电泳和Nanodrop检测DNA的纯度和完整性,利用Qubit检测基因组DNA的浓度。
2. 文库构建:检测合格的DNA样品通过酶切、随机打断,经末端修复、加A尾、加测序接头、纯化、PCR扩增、通过琼脂糖凝胶电泳回收300-700 bp序列等步骤,即完成基因组文库制备。文库构建原理图见附图1.
3. 库检:文库构建好以后,用Qubit2.0进行初步定量,将文库稀释至1ng/ul,随后用Agilent 2100检测insert size,然后用Q-PCR方法对有效浓度进行准确定量(有效浓度>2nM)。
4. 上机测序:基因组文库检测合格后,把不同文库按照有效浓度及目标下机数据量的需求pooling后进行Illumina HiSeq/MiSeq (Illumina HiSeqTM2500/MiseqTM)进行双末端测序,每端测序100bp。获得原始图像数据文件经CASAVA碱基识别(Base Calling)分析转化为原始测序序列(Sequenced Reads),我们称之为 Raw Data或Raw Reads。原始数据经测序质量分布检查、测序错误率分布检查、GC含量分布检查、测序数据过滤等步骤得到得到clean reads。
5. RAD-Tag捕获及统计:经统计本次测序共产生 Raw data 7.653G,过滤后的 Clean data 7.513G, 各样本的 Raw data 在7653.467 M~7653.467 M之间, 测序质量高(Q20 >= 93.73%、Q30 >= 88.33%),GC含量在39.69%~39.69%之间, RAD-Tag捕获率在98.48%~98.48%之间。综上表明,所有样本的数据量足够,测序质量合格,GC分布正常,建库测序非常成功。
6. 聚类:方了便于后续序列组装,利用cd-hit-est聚类用的软件,对样本含有酶识别位点的reads进行聚类,将RAD测序时Reads2捕获一致的区域聚在一起。Reads2 之间最多允许 3 个碱基的错配,通过Reads2的序列相似性把RAD-tag相近的reads聚集到一个类中
7. 组装与评估:根据聚类结果,用VelvetOptimiser组装软件对筛选过后的每类测序数据进行局部组装, Velvet优化程序参数设置:“VelvetOptimiser.pl -s 17 -e 31 -x 2” ,得到最后的组装序列,并对100bp以下的contig进行过滤。contig组装是利用reads1根据不同kmer来进行组装,每个kmer组装出一个contig,最终再从中挑取最好的congtig,即是最终的组装结果中的contig。结果统计显示总contig数为498252,碱基总数为171534174,平均contig长度为344bp,N50长度为470bp,GC%为39.9%。
经比对发现,本发明有效测序数据的reads总条数为60,104,136条,所有样本的比对率在76.36%~76.36%之间, 对组装基因组(排除N区)的平均覆盖深度在26.16X~26.16X之间,1X覆盖度(至少有一个碱基的覆盖)在93.7%以上。比对结果正常,可用于后续的变异检测及相关分析,见附图2。
8. SSR检测:检测DNA序列中简单重复序列使用SSR search 软件。该检测软件分为3个模块。第一个模块是用于检测DNA序列所有简单重复序列, 第二个模块是对第一个模块的结果进行过滤去掉距离过近的简单重复序列, 第三个模块是运用primer3(一款在 Linux或Unix系统下设计引物的软件)进行引物设计。
经对组装出的contig检测重复单元在2-6bp之间,前后有100bp序列,重复序列长度大于12bp的序列。contig过滤后共得到11,961个可用于之后设计SSR引物的SSR 片段。获得引物的片段数量为11,687个。SSR引物设计条件如下:(1) 引物最适长度为24。(2) 引物最短长度为20。(3) 引物最长长度为28。(4) 引物最适退火温度为63。(5) 引物最低退火温度为60。(6) 引物最高退火温度为65。(7) 一对引物退火温度差的最大值为1。羊踯躅2-6bp SSR变异类型的频率分布见附图3
9. SSR标记的多态性检测:11,687对SSR引物。从中随机选取60对引物对来源于不同地理分布的6份羊踯躅DNA进行PCR扩增,如图4,检测与验证SSR标记开发的有效性与多态性,采用8%非变性聚丙烯酞胺凝胶电泳检测。检测结果发现,60对引物中55对SSR引物在100~300bp检测到清晰条带,表明引物设计成功率较高,其中多态的引物共有13对(表1),利用这13对SSR引物可以区分不同地理来源及各居群羊踯躅的遗传结构和多样性。
表1 羊踯躅多态性SSR引物汇总表
Claims (1)
1. 一种基于RAD-seq开发濒危羊踯躅SSR引物的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)DNA提取及文库构建:采用改良的CTAB法提取羊踯躅的基因组DNA,检测合格的DNA样品通过酶切、随机打断,经末端修复、加A尾、加测序接头、纯化、PCR扩增、通过琼脂糖凝胶电泳回收300-700 bp序列等步骤完成基因组文库制备;
(2)库检及上机测序:文库构建好以后,用Qubit2.0进行初步定量,用Agilent 2100检测insert size,然后用Q-PCR方法对有效浓度进行准确定量(有效浓度>2nM);库检合格后,利用Illumina HiSeq/MiSeq (Illumina HiSeqTM2500/MiseqTM)进行双末端测序,每端测序100 bp,获得原始测序序列(Sequenced Reads)-Raw Data,经测序质量分布检查、和过滤等步骤得到得到clean reads;
(3)RAD-Tag捕获及统计:采用Perl pipeline软件,对Celan reads 进行去除重复处理后,统计含有 EcoRI 识别序列(AATTC)的 reads 数,以及 EcoRI 捕获的 reads 数占总 reads 数的比例,得到 RAD-tag 相关统计信息,本发明RAD-Tag捕获率在98.48%~98.48%之间,所有样本的数据量足够,测序质量合格,GC分布正常;
(4)聚类:利用cd-hit-est聚类用的软件,对样本含有酶识别位点的reads进行聚类,将RAD测序时Reads2捕获一致的区域聚在一起;
(5)组装与评估:根据聚类结果,用VelvetOptimiser组装软件对筛选过后的每类测序数据进行局部组装,得到最后的组装序列,并对100bp以下的contig进行过滤;
(6)SSR检测:采用SSR 搜索软件对contig序列进行SSR检测,过滤去掉距离过近的简单重复序列;
(7) 采用软件Primer3进行SSR引物设计,随机合成部分SSR引物、鉴定其在不同羊踯躅中的多态性。
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