DNA分子遗传标记在中药中的应用(课堂PPT).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,DNA,分子遗传标记在中药中的应用,1,DNA,分子遗传标记,广义的分子标记（,molecular marker,）是指可遗传的并可检测的,DNA,序列或蛋白质。常用的是狭义的分子标记概念，即,DNA,分子标记。,DNA,分子标记主要分为以下三类,一、限制性片段长度多态性（,RFLP,）：是发展最早的分子标记技术，以分子杂交为核心技术。,二、,DNA,序列测定,2,三、基于,PCR,的分子标记：根据引物的选择可分为随机引物扩增和特定序列位点扩增。,随机扩增多态性,DNA,（,Random amplified polymorphic DNA,RAPD,）。随机引物扩增,PCR,（,Arbitrary Primer-PCR,AP-PCR,）,3,2,、,DNA,扩增产物指纹分析（,DNA amplification fingerprinting,DAF,）,:,与,RAPD,技术不同的是引物浓度更高，长度更短（,5,8,个,bp,），只有,2,个温度循环（在,RAPD,中是,3,个温度循环），一般用聚丙烯酰胺凝胶电泳。,3,、特征扩增区段测序（,Sequence-characterized amplified regions,，,SCAR,）：先做,RAPD,分析，然后克隆目标,RAPD,片段进行测序，根据,RAPD,片段两末端的序列设计特定引物（一般比,RAPD,引物长，,24bp,），再进行,PCR,扩增，可把与原,RAPD,片段相对应的单一位点鉴定出来，可重复性高。,4,RFLP,技术及其应用,RFLP(Restriction Fragment Length Polymorphism,，限制性内切酶切片段长度多态性,),是,70,年代发展起来的,DNA,片段分析技术。该技术不仅在生物学、医学、农学的许多领域都有了成功的应用，而且在中药材品种基源及其地理品系、栽培品系的质量评价方面也有许多应用。,5,基本原理,生物在进化过程中，由于种种原因引起基因突变和,DNA,分子结构重排，造成了分子内核苷酸排列顺序的改变，当这种改变涉及到限制性酶切位点时，酶切后产生的,DNA,片段长度将发生变化，限制性片段的长度在不同个体间呈多态性现象，即称为限制性片段长度多态,(Restriction Fragment Length Polymorphism,简称,RFLP),6,Restriction Fragment Length Polymorphism(RFLP),Enzymes cut DNA at specific sequences,Restriction sites are often palindromes:,6-cutter GAATTC4-cutter TCGA,CTTAAGAGCT,7,8,DNA,多态性根据其产生的两种基本方式,碱基对突变类型,(,基因点突变,),即限制性内切酶识别位点上发生了单个碱基替换,(,转换或颠换,),，使原有切点消失或产生新的切点。,结构重排型，这是由,DNA,内部发生较大的顺序变化所引起的。,9,10,RFLP,与镰状细胞贫血,11,基本实验步骤,靶,DNA,的准备,核酸探针的标记,杂交显示,12,RFLP,的优点及局限性,优点：,(1),普遍存在,(2),稳定性,(3),共显性,(4),探针与限制酶的组合数量无限,局限性：,（,1,）用,RFLP,仅能检测出影响到限制性内切酶识别位点的突变,（,2,）步骤多，工作量大，而且接触的放射性污染也多,（,3,）,RFLP,分析技术要求,DNA,无显著降解，因此只适用于新鲜的材料，难适用于干燥药材的鉴别,（,4,）限制性内切酶价格较贵,13,RFLP,用于亲缘关系分析,“Ladder”,14,RFLP,在中药材鉴别中的应用,（一）近缘种的鉴别,如：海马的,PCR-RFLP,分析,（,二）药用植物亲缘关系的研究,如：羽扇豆属植物系统发育关系及与生,物碱分布的关系,15,RAPD,技术及其应用,RAPD(Random Amplified Polymorphic DNA,，随机扩增多态性,DNA)技术是,1990,年由杜邦公司,Williams,和,Welsh,两个研究小组同时发展起来的一项,DNA,多态检测技术。该技术高效、灵敏、简便、快速，一经出现就被普遍用于物种种属分类、亲缘关系分析、物种起源鉴定、目的基因筛选、农作物育种等研究领域。近年，,RAPD,技术又进入了中药材的鉴别研究领域，并得到广泛应用，已成为目前用于中药材鉴定报道最多的分子遗传标记技术。,16,RAPD,技术基本原理,RAPD,的核心技术是,PCR,反应，但又不同于经典的,PCR,。它是以任意序列的寡核苷酸为引物进行,PCR,扩增，,Williams,称之为,RAPD,，引物通常为,10,个碱基；,Welsh,称之为,AP-PCR(Arbitrary Primer PCR),，引物为,20,30,个碱基。对于任一引物，如在一定范围内模板,DNA,上有与之互补的反向重复序列时，就可扩增出此范围的,DNA,片段。,17,RAPD:randomly amplified polymorphic DNA,18,基本实验步骤,模板,DNA,的制备,PCR,扩增，通常,RAPD,扩增条件为：,93,预变性,200s,，开始如下循环：,94,变性,lmin,，,36,退火,1min,，,72,延伸,2min,；经过,40,个循环后，,72,延伸,5min,，循环结束后反应产物置于,4,保存。,扩增产物,20,l,反应产物走凝胶电泳，经溴化乙锭染色检测扩增的情况,RAPD,图谱的数据处理,19,RAPD,分析的优越性和不足,优越性：,(1),无需预知被研究的生物基因组核苷酸顺序，也无需专门设计,RAPD,扩增反应的引物，引物随机合成或是任意选定的,长度一般为,9-10,个寡核苷酸；,(2),扩增没有特异性；,(3),退火温度较低，一般为,36,，这能保证短核苷酸引物与模板的稳定配对，同时也允许了适当的错误配对，以扩大引物在基因组,DNA,中配对的随机性。,(4),简便易行，省力省时。,（,5,）检测灵敏方便；,（,6,）所需样品,DNA,量极少，仅为,10ng,为,RFLP,的,1/l000,l/2000,7,）能自动化。,20,不足：,（,1,）重复性不高。,RAPD,在扩增反应时使用的是低温复性,(,通常为,36),特异性不高,引物与模板间有较高的错配率,结果容易受到多种因素的影响,不同的实验室这间有时不能重复；,（,2,）对模板,DNA,质量要求高，操作要求严格，检验成本相对较高；,（,3,）由于存在共迁移，分子量相同的片段可能不是同源的；另外一条带中可能含有不同的扩增产物；,（,4,）,RAPD,标记难以区分开杂合子和纯合子基因型，不能有效的鉴定出杂合子。,21,M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516,不同,Mg,2+,和,dNTP,浓度对,RAPD带型的影响,22,1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112M,不同,Taq,和,Primer,浓度对,RAPD,带型的影响,23,M 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13,M 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25,不同循环量和模板,DNA,浓度对,RAPD,带型的影响,24,M 1 2 3 4 5 6 CK 7 8 9 10 11 12,不同复性温度对,RAPD,带型的影响,25,图,4,不同复性温度对,RAPD,带型的影响,Fig 4 Effect on RAPD profiles in different annealing temperature,M 1 2 3 4 5 6 CK 7 8 9 10 11 12,不同复性温度对,RAPD,带型的影响,26,RAPD,分析在中药研究中的应用,道地药材的评价,例：当归药材道地性的,RAPD,分析,野生与栽培种及不同农家品种,亲缘关系分析,例：人参及山参,RAPD,指纹,动物药的鉴定,例：蛇类药材分子遗传标记鉴别的研究,27,AFLP,技术及其应用,扩增酶切片段多态性,(Amplified Restriction FragmentPolymorphism),是一种基于,PCR,的,DNA,指纹技术，,AFLP,是近几年来继,RFLP,、,RAPD,之后发展最快的,DNA,分子标记技术。被誉为新一代的分子标记技术，近年来已得到广泛的应用。,28,AFLP,基本原理,AFLP,的基本原理是对基因组,DNA,限制性酶切片段,进行选择性扩增。,先将基因组,DNA,用限制性酶消化，产生粘性末端。然后使用人工合成的双链接头（,artificial adapter,）,与基因组,DNA,的酶切片段相连接形成扩增反应的模板。接头和与接头相邻的酶切片段的几个碱基序列作为引物的结合位点。,AFLP,反应的结果是主要扩增那些由上述两种酶,共同酶切的片段。,29,基本实验步骤,模板的制备：即,DNA,酶切及人工接头的连接（,Restriction of the DNA and ligation of oligonucleotide adapters,）,限制性片段的选择性扩增（,Selective amplification of sets of restriction fragments,）,扩增产物凝胶电泳分析（,Gel analysis of the amplified fragments,）,30,AFLP,的实验过程,31,AFLP,反应流程：,AFLP,反应程序主要包括模板,DNA,制备，酶切片段扩增及凝胶电泳分析这,3,个基本步骤。各步骤具体的过程有：,首先要制备高分子量,(HMW),基因组,DNA,，选择,6,个碱基识别位点的限制性内切酶,(,通常是,EcoRI,或,PstI,或,SacI),。,酶切后的限制性片段在,T4,连接酶的作用下与特定的接头相连接，形成带有接头的特异性片段。,DNA,片段的预扩增。,在,Taq,聚合酶的作用下，完成,AFLP,的选择性扩增。,PCR,产物变性后在含尿素的聚丙烯酰胺变性胶上电泳。,多态性比较分析，特异片段回收克隆分析。,32,为什么用双酶解,?,适合,PCR,扩增的效率与变性胶的分辨率,减少,PCR,扩增的片段,从而减少使用选择性碱基的数目,使标记单链成为可能,增加,PCR,扩增的灵活性,增加使用引物的灵活性,33,为什么要预扩增,?,减少选择性碱基的错配,降低背景噪音,34,35,AFLPs,36,37,38,荧光标记全自动,AFLP,For ABI 377 DNA Sequencer and AFLP Kits,39,AFLP,技术特点,扩增效率高，多态性比例高,AFLP,标记稳定可靠，不受基因组来源和复杂度的影响，没有种属特异性,AFLP,技术较简便易行，不需要,Southern,杂交，不需要预先知道,DNA,的顺序信息，对模板浓度的变化不敏感，允许一定程度的共扩增，且只需要极少量的,DNA,材料,AFLP,是一项专利技术，受专利权保护，其分析试剂盒价格偏高,40,AFLP,的重复性问题,Jones et al.,（,1997,）同一实验在欧洲的,8,个实验室重复，,172,条带只有,1,条在一次实验中没有，重复率,99.4%,，与,SSR,的水平相当,。（,Jones,C.J.et al.1997.Reproducibility testing of RAPD,AFLP and SSR markers in plants by a network of European laboratories.Mol.Breed.3:381-390),41,AFLP,在分子中药中的应用,AFLP,技术可产生丰富而稳定的遗传标记，它可以用于药用植物遗传分析的各个方面，如分类、系统发育、品种鉴别、遗传图谱构建及目的基因的定位等,例：,AFLP,法构建人参、西洋参基因组,DNA,指纹图谱,42,微卫星标记分析（,SSR,）,微卫星中重复单位的数目存在高度变异，这些变异表现为微卫星数目的整倍性变异或重复单位序列中的序列有可能不完全相同，因而造成多个位点的多态性。如果能够将这些变异揭示出来，就能发现不同的,SSR,在不同的种甚至不同个体间的多态性。,SSR,标记又称为,sequence tagged microsatellite site,简写为,STMS,，是目前最常用的微卫星标记之一。由于基因组中某一特定的微卫星的侧翼序列通常都是保守性较强的单一序列，因而可以将微卫星侧翼的,DNA,片段克隆、测序，然后根据微卫星的侧翼序列就可以人工合成引物进行,PCR,扩增，从而将单个微卫星位点扩增出来。由于单个微卫星位点重复单元在数量上的变异，个体的扩增产物在长度上的变化就产生长度的多态性，这一多态性称为简单序列重复长度多态性,(SSLP),，每一扩增位点就代表了这一位点的一对等位基因。由于,SSR,重复数目变化很大，所以,SSR,标记能揭示比,RFLP,高得多的多态性。,43,SSR,位,点标记的优点,约,50%,呈多态性,共显性,数目多且在基因组中均匀分布,多数位点呈选择中性，符合群体遗传学了理论,技术上适合用,PCR,分析半自动化，结果可靠,部分降解的,DNA,样品也可用,适合于等位酶变异小的居群水平的研究,44,SSR,位点标记的缺点,可用的位点数目少,设计引物的费用高，耗时长,物种专一性,在说明群体分化和物种分化时可能产生错误,45,SSR,标记的应用领域,遗传图谱的构建,连锁分析特殊的基因（如感病基因）,姻亲分析样品鉴定（如父本分析、血缘分析、等号样品分析、杂种分析）,物种和居群的遗传多样性,群体遗传学分析（如有效群体大小、群体遗传结构、群体分化、迁移与基因流动）,传粉生物学与散布生物学（如花粉和种子的散布、交配系统）,保护生物学,46,Comparison among genetic markers,47,由微卫星衍生的微卫星标记,微卫星引物,PCR(MP-PCR),也叫单引物扩增,RCP(single amplification PCR,简写为,SPAR),该方法是利用单个微卫星的人工合成寡核苷酸片段为引物进行,PCR,扩增。可以想象，如果两个反向排列的微卫星出现于同一可扩增的范围内，这两个反向排列的微卫星间的序列就可扩增出来，因而该方法称为微卫星引物,PCR,。,用此方法扩增出来的是两个反向排列的微卫星之间的序列，并非微卫星位点本身。实践证明，用该方法对三核苷酸、四核苷酸、五核苷酸重复的微卫星位点的扩增效果较好，而对二核苷酸位点重复的扩增效果较差,。,48,ISSR(Intersimple sequence repeat),这是,Zietkiewitcz,等,(1994),发展起来的又一种微卫星基础上的分子标记。,与,SSR,标记相反该法是直接利用同位素标记的,SSR,序列为引物，用,PCR,的方法扩增两个,SSR,之间的单拷贝序列。,为增加特异性，设计引物时在引物的,5,端和,3,端分别引入,1,2,个选择性碱基，引物长度,16,18bp,，扩增产物通过放射自显影显现，这样其扩增物就是,MP-PCR,扩增产物中的一部分，提高了实验结果的可重复性。,ISSR,引物的开发不象,SSR,引物一样需测序获得,SSR,两测的单拷贝序列，开发费用降低。与,SSR,标记相比，,ISSR,引物可以在不同的物种间通用，不象,SSR,标记一样具有较强的种特异性；与,RAPD,和,RFLP,相比，,ISSR,揭示的多态性较高，可获得几倍于,RAPD,的信息量，精确度几乎可与,RFLP,相媲美，检测非常方便，因而是一种非常有发展前途的分子标记，已用于遗传作图、品种鉴定等研究。,49,DNA,测序技术及其应用,DNA,测序原理,及方法,优点及不足,优点：,DNA,测序技术重现性好、结果准确清楚，而且可以利用已测物种的,DNA,序列建立,“,对照序列,”,文库，避免设立对照品。新测定的,DNA,序列也可加入此对照文库中，供他人参考；,不足：,操作相对复杂，成本高，不易普及,50,在中药研究中用于测序的基因,叶绿体基因组,线粒体基因组,核糖体基因,51,DNA,分子遗传标记在中药鉴定中的应用,1,在植物进化、分类、鉴定中的应用,应用分子遗传标记技术来研究种间、属间的,DNA,变异情况，从而揭示物种的亲缘关系，为物种鉴定及系统学研究提供依据。,52,采用,RAPD,分子标记方法比较,4,种甘草属植物,光果甘草,、,乌拉尔甘草,、,刺甘草,和,刺果甘草,的遗传关系。,通过,DNA,扩增的,RAPD,指纹图谱分析，结果发现富含甘草甜素的光果甘草和乌拉尔甘草之间遗传关系非常相近。,53,这两者与不含甘草甜素或含量极低的刺甘草和刺果甘草的遗传关系则较远，与,植物分类学研究相吻合,。,54,2,在中药材鉴别中的应用,通常,PCR,扩增的模板,DNA,都来自新鲜的动植物组织材料，因,DNA,分子遗传标记方法用于生药鉴别中，首先要解决的问题是能否从干的或陈旧的生药样品中提得生药本身的,DNA,，并能用于,PCR,扩增，这方面已有成功的报道。,55,用,RAPD,方法对人参、三七及,4,种人参伪品的,DNA,进行,PCR,扩增，所得,DNA,指纹图谱可用于区别人参属的,3,种生药及伪品。,56,3,在道地生药鉴定中的应用,一个物种的种内多样性是道地药材品质形成的生物学基础。,道地生药与非道地生药的本质,区别,是作用物质基础有效成分的差异，其形成主要受遗传因子和环境因子的影响。,57,应用,DNA,遗传标记技术，比较道地生药与非道地生药的基因差异，将有助于阐明道地生药的成因。,58,