DNA指紋圖譜技術(shù)原理及應(yīng)用

什么是DNA指紋圖譜？

DNA?指紋圖譜技術(shù)（DNA-Fingerprinting）是由英國(guó)科學(xué)家?Jeffreys?于?1986?年開(kāi)發(fā)，具有快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，是鑒別品種、品系的有力工具，已廣泛應(yīng)用于很多作物的品種資源多樣性和純度鑒定研究。相較于傳統(tǒng)的分子標(biāo)記，SNPs在基因組中更豐富，具有數(shù)量大、基因組分布廣、穩(wěn)定性和遺傳力高、鑒定簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可用于快速、高通量的基因分型分析。構(gòu)建基于SNP標(biāo)記技術(shù)的DNA指紋圖譜對(duì)于品種特異性和真實(shí)性鑒別、種子純度鑒定具有重要意義。

DNA指紋圖譜技術(shù)原理路線(xiàn)

DNA指紋圖譜的發(fā)展

DNA指紋圖譜具有豐富的多態(tài)性，具有高度的個(gè)體特異性和環(huán)境穩(wěn)定性，可以像人類(lèi)指紋一樣用來(lái)區(qū)分不同的個(gè)體。早期的品種鑒定手段主要依賴(lài)于形態(tài)學(xué)鑒定，這種方法耗時(shí)較長(zhǎng)且易受環(huán)境影響。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，分子標(biāo)記技術(shù)的出現(xiàn)為品種鑒定提供了新的手段。與形態(tài)標(biāo)記相比，基于DNA序列差異的分子標(biāo)記具有不易受環(huán)境影響、數(shù)量多、分布廣、多態(tài)性高、自然材料存在豐富的變異等特點(diǎn)，為育種材料的選擇和鑒定提供了極大的便利。

SNP與其他傳統(tǒng)標(biāo)記相比，其針對(duì)性更強(qiáng)、變異來(lái)源更豐富、潛在數(shù)量更巨大，越來(lái)越多的物種利用SNP分子標(biāo)記鑒定植物的指紋圖譜,?提高植物品種的資源管理與品種保護(hù)利用。如（Tian?et?al.,?2021）利用篩選到的200個(gè)核心SNP位點(diǎn)構(gòu)建了一個(gè)包含20,000個(gè)玉米材料的SNP-DNA指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，為我國(guó)玉米在品種認(rèn)證、純度確定和品種權(quán)利保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用；（Wang?et?al.,?2021）利用SNP標(biāo)記構(gòu)建了216個(gè)雪茄種質(zhì)資源的指紋圖譜，為優(yōu)質(zhì)雪茄種質(zhì)資源的篩選和鑒定、重要基因的挖掘提供了科學(xué)依據(jù)，為今后在分子水平上開(kāi)展雪茄遺傳和育種工作奠定了基礎(chǔ)。此外，SNP?標(biāo)記也在大豆、油菜、香菇、茶樹(shù)、楊梅、西蘭花等品種的DNA指紋圖譜構(gòu)建中得到了應(yīng)用。

DNA指紋圖譜構(gòu)建及應(yīng)用

1.SNP標(biāo)記開(kāi)發(fā)與篩選

目前常用的SNP檢測(cè)與分型的方法主要有全基因組重測(cè)序、簡(jiǎn)化基因組重測(cè)序和基因芯片技術(shù)三種。通過(guò)這些方法開(kāi)發(fā)的SNP經(jīng)過(guò)變異檢測(cè)、注釋和篩選后，得到質(zhì)量高、代表性強(qiáng)、標(biāo)記（組合）的材料區(qū)分度高、在基因組上分布均勻、特異性強(qiáng)的SNP標(biāo)記作為DNA指紋圖譜的候選標(biāo)記。

2.SNP標(biāo)記評(píng)估

遺傳多樣性（Genetic?diversity）指生物種內(nèi)基因的變化，包括種內(nèi)顯著不同的群體之間以及同一種群內(nèi)的遺傳變異。種群內(nèi)的個(gè)體之間往往沒(méi)有完全一致的基因型，而種群就是由這些不同遺傳結(jié)構(gòu)的多個(gè)個(gè)體組成。對(duì)遺傳多樣性的研究可以揭示物種或群體的進(jìn)化歷史（起源的時(shí)間、方式），也能為進(jìn)一步分析其進(jìn)化潛力和未來(lái)命運(yùn)提供重要資料，遺傳多樣性是保護(hù)生物學(xué)研究的核心之一。首先對(duì)篩選得到的SNP位點(diǎn)進(jìn)行遺傳多樣性評(píng)估，例如，在雪茄指紋圖譜構(gòu)建研究中，對(duì)篩選得到的715個(gè)SNP位點(diǎn)進(jìn)行遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，這些位點(diǎn)表現(xiàn)出良好的多態(tài)性和品種鑒定能力，它們MAF和PIC值分別為0.346?~?0.500和0.350?~?0.375，平均值分別為0.45和0.37，其中，PIC值在0.370?~?0.375之間的占70.6%，表明這些標(biāo)記具有較強(qiáng)的多態(tài)性。715個(gè)可變SNP位點(diǎn)的雜合度范圍為0?~?0.64，平均為0.10，對(duì)該種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)其遺傳多樣性范圍從0.45到0.50不等，平均為0.49。結(jié)合MAF、PIC和觀察到的雜合度值，進(jìn)一步篩選分布在24條染色體上、無(wú)基因型數(shù)據(jù)缺失、以純合子變異位點(diǎn)為主，并在盡可能多的個(gè)體中檢測(cè)到的SNP位點(diǎn)，最終得到163個(gè)SNP位點(diǎn)。其次，對(duì)這些標(biāo)記位點(diǎn)通過(guò)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)、群體結(jié)構(gòu)、主成分分析進(jìn)行位點(diǎn)代表性的評(píng)估。

3.DNA指紋圖譜構(gòu)建

篩選適宜的核心標(biāo)記位點(diǎn)，并將其用合適的形式展現(xiàn)出來(lái)至關(guān)重要。利用篩選得到的SNP標(biāo)記進(jìn)行品種材料的鑒定，并構(gòu)建DNA指紋圖譜。例如，玉米DNA指紋圖譜構(gòu)建研究中，利用384個(gè)?SNP?標(biāo)記組合構(gòu)建了?335?個(gè)玉米雜交種的基因型指紋圖譜,?該圖顯示每個(gè)品種的基因型組合均不同,?即?384?個(gè)?SNP?位點(diǎn)能夠有效區(qū)分所測(cè)試的雜交種。

并且還可以應(yīng)用構(gòu)建這些指紋圖譜的標(biāo)記信息的二維碼，其中包含品種名稱(chēng)、類(lèi)型、植物分類(lèi)和基因型數(shù)據(jù)等信息，便于使用手機(jī)獲取信息。

寫(xiě)在最后如同人類(lèi)的指紋作為身份標(biāo)識(shí)一樣，植物的DNA指紋圖譜為其貼上了“分子身份證”，構(gòu)建植物品種DNA指紋圖譜，可以對(duì)品種資源管理和品種保護(hù)利用起到很好的作用。

 

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