ДНК-фингерпринтинг и анализ генетического разнообразия у растений

Основные преимущества ДНК-маркеров по сравнению с белковыми маркерами (аллоферментными) и морфологическими признаками заключаются в следующем: непосредственный анализ генотипа, независимо от влияния окружающей среды (взаимодействия генотип-среда) и факторов индивидуального развития; практически любой подходящий участок ДНК можно использовать для проведения соответствующего анализа (например, высоковариабельные участки для выявления родственных связей или идентификации сортов, а высококонсервативные участки ДНК с низкой изменчивостью для филогенетических исследований); неограниченные возможности оценки полиморфизма; продолжительность хранения растительного материала или выделенной ДНК без потери их свойств. На сегодня разработано большое число молекулярных методов, каждый из которых может предоставить исследователю целый ряд подходящих маркеров для решения конкретных практических и фундаментальных задач в любой области биологии.

Чувствительность и воспроизводимость различных маркерных систем

Молекулярные методы, используемые для анализа генетического разнообразия и генетической изменчивости, существенно различаются по чувствительности, достоверности и воспроизводимости результатов, поэтому предметом особого внимания любого исследования должен быть выбор методологии, способной адекватным образом решать поставленные задачи (70-75). Так, для описания видов целесообразно анализировать хлоропластную ДНК, для идентификации индивидуальных генотипов применять один из методов ДНК-фингерпринтинга. Наивысшей степенью по различительной способности (хотя в некоторых случаях это зависит от того, что служит гибридизационной пробой) характеризуются блот-гибридизационные методы ДНК-фингерпринтинга, затем следует ПЦР-анализ; заключают этот список методы анализа аллоферментов и/или запасных белков семян.

Себестоимость и перспективы использования молекулярных методов анализа в гене-тикеиселекции

Исходя из требуемых условий и существующих современных стратегий, получение мультиаллельных, кодоминантных, локус-специфичных ДНК-маркеров для идентификации и стандартной паспортизации генотипов растений возможно только в молекулярно-биологических лабораториях, оснащенных современным оборудованием. Стоимость проведения анализа может варьировать в зависимости от континента, страны и даже региона страны, в которых проводят эксперимент (табл.).

Себестоимость различных молекулярных методов анализа полиморфизма у высших растений (евро на один образец в одном эксперименте)

Приведенная стоимость не является абсолютной и представляет собой усредненное значение затрат, необходимых на анализ одного образца в множественном эксперименте, имеющем не менее трех повторностей.

Блот-гибридизационные методы ДНК-фингерпринтинга являются наиболее дорогостоящими. Мы не учитывали издержки на содержание лабораторного оборудования, радиоизотопных комнат, стоимость коммунальных услуг и прочие накладные расходы, а также затраты на получение и скрининг кДНК библиотек, получение отдельных клонов, которые, как правило, служат пробами при блот-гибридизации. Однако при использовании методов, не требующих радиоизотопных комнат (например, ПЦР и нерадиоактивного блот-гибридизационного ДНК-фингерпринтинга), существенно снижаются затраты. С развитием наукоемких техногенных методов и технологий стоимость проведения ДНК-фингерпринтинг-анализа будет снижаться и, вполне верояно, что в ближайшем будущем сравнится по себестоимости с методами белкового анализа.

В настоящее время мультиаллельные однолокусные гибридизационные пробы, ПЦР-амплифицированные микросателлиты и однолокусные последовательности, специфично амплифицированные с помощью праймеров, специально подобранных по нуклеотидной последовательности, применяют при оценке геномов человека, мыши, модельных объектов и экономически наиболее важных видов животных, растений и микроорганизмов. Получение таких маркеров для любого нового вида может быть значительно облегчено, если будут подобраны гетерологичные пробы или праймеры (выделенные из организмов родственных видов), способные давать столь же специфичный и информативный результат. Исследования в этом направлении проводятся в основном на животных и уже отмечены некоторые успехи. Например, клонированный полиморфный однолокусный минисателлит, выделенный у воробья, использовали для блот-гибридизационного анализа ДНК различных видов птиц (76); однолокусную специфичную минисателлитную пробу MS 51 из генома человека -- для ДНК-фингерпринтинга у животных (77); гетерологичные праймеры -- для амплификации микросателлитов у китов, овец и крупного рогатого скота (78, 79).

С помощью специально подобранных по нуклеотидной последовательности праймеров, дававших однолокусные последовательности, специфично амплифицирующиеся на ДНК салата-латука, амплифицировали гомологичные нуклеотидные фрагменты у различных представителей рода Asteracea (80). Полученные маркеры могут быть как полиморфными, так и неполиморфными для родственных видов (81). Независимо от этого дополнительные исследования покажут, можно ли использовать гетерологичные пробы/праймеры для межвидового ДНК-фингерпринтинга. Однако нет сомнения в том, что необходимо еще проделать большую и кропотливую работу по разработке совершенных молекулярных маркеров для выявления генетической изменчивости и оценки генетического разнообразия на молекулярном уровне.

Литература

К о н а р е в А.В. Адаптивный характер молекулярного полиморфизма и его использование в решении проблем генетических ресурсов растений и селекции. Аграрная Россия, 2002, 3: 4-11.

G a r v i n D.F., B r o w n A.H.D., R a m a n H. e.a. Genetic mapping of the barley Rrs14 scald resistance gene with RFLP, isozyme and seed storage protein markers. Plant Breeding., 2000, 119: 193-196.

B a h r m a n N., D a m e r v a l C. Linkage relationships of loci controlling protein amount in maritime pine (Pinus pinaster Ait.). Heredity, 1989, 63: 267-274.

G e r b e r S., R o d o l p h e F., B a h r m a n N. e.a. Seed-protein variation in maritime pine (Pinus pinaster Ait.) revealed by two-dimensionalelactrophoresis: genetic determination and construction of a linkage map. Theor. Appl. Genet., 1993, 85: 521-528.

P l o m i o n C., B a h r m a n D., D u r e l C.E. e.a. Genomic mapping in Pinus pinaster (maritime pine) using RAPD and protein markers. Heredity, 1995a, 74: 661-668.

P l o m i o n C., O' M a l l e y D.M., D u r e l C.E. Genomic analysis in maritime pine (Pinus pinaster). Comparison of two rapid maps using selfed and open-pollinated seeds of the same individual. Theor. Appl. Genet., 1995b, 90: 1028-1034.

M a y B. Starch gel electrophoresis of allozymes. In: Molecular Genetic Analysis of Populations: A Practical Approach /Ed. A.R. Hoelzel. IRL Press, Oxford, 1992: 1-27.

L e w o n t i n R.C., H u b b y J.L. A molecular approach to study of genetic heterozygosity in natural populations. II. Amount of variation and degree of heterozygosity in natural populations of Drosophila pseudoobscura. Genetics, 1966, 54: 595-609.

M u r p h y R.W., S i t e s J.W. Jr., B u t h D.G. e.a. Proteins I: isozyme electrophoresis. In: Molecular Systematics /Eds. D.M. Hillis, C. Moritz. Sinauer Associates, Sunderland, MA, 1990: 45-126.

T a n k s l e y S.D., R i c k C.M. Isozymic gene linkage map of the tomato: application in genetics and breeding. Theor. Appl. Genet., 1980, 57: 161-170.

B e r n a t z k y R., T a n k s l e y S.D. Toward a saturated linkage map in tomato based on isozymes and random cDNA sequences. Genetics, 1986, 112: 887-898.

T a n k s l e y S.D. Molecular markers in plant breeding. Plant Mol. Biol. Rept., 1983, 1: 3-8.

T a n k s l e y S.D., J o n e s R.A. Application of alcohol dehydrogenase allozymes in testing the purity of F₁ hybrids of tomato. Hort. Science, 1979, 16: 179-181.

R i c k C.M., D e V e r n a J.W., C h e t e l a t R.T. e.a. Meiosis in sesquidiploid hybrids of Lycopersicon esculentum and Solanum lycopersicoides. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 1986, 83: 3580-3583.

Z a m i r D., T a n k s l e y S.D., J o n e s R.A. Haploid selection for low temperature tolerance of tomato pollen. Genetics, 1982, 101: 129-137.

Z a m i r D., T a n k s l e y S.D., J o n e s R.A. Genetic analysis of the origin of plants regeneration from anоther tissues of Lycopesicon esculentum Mill. Plant Sci. Letters, 1981, 21: 223-227.

P o g s o n G.H., M e s a K.A., B o u t i l i e r R.G. Genetic populationstructure and gene flow in the Atlantic cod Cadus morhua: a comparison of allozyme and nuclear RFLP loci. Genetics, 1995, 139: 375-385.

C h a r c o s s e t A., G a l l a i s A. Application of markers in selection. In: Molecular Markers in Plant Genetics and Biotechnology /Ed. D. De Vienne. Science Publishers, Inc. Enfield, NH, 2003: 153-176.

V a l l e j o s C.E. Enzyme activity staining. In: Isozymes in Plant Genetics and Breeding /Eds. S.D. Tanksley, T.J. Orton. Elsevier, Amsterdam, 1983: 36-73.

J e f f r e y s A.J., W i l s o n V., T h e i n S.L. Individual-specific «fingerprints» of human DNA. Nature, 1985, 316: 76-79.

K o r n b e r g J.R., Y a n g - F e n g T., S c h r e c k R. e.a. Using fluorescence in situ hybridization (FISH) in genome mapping. Trends Biotechnol., 1992, 10: 27-32.

С м и т К.Л., К л к о С.Р., К а н т о р Ч.Р. Пульс-электрофорез и методы работы с большими молекулами ДНК. В сб.: Анализ генома. Методы /Под ред. К.Е. Дейвис. М., 1990: 58-94.

L i n n S., A r b e r W. Host specificity of DNA produced by Escherichia coli, X. In vitro restriction of phage for replicative form. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 1968, 59: 1300-1306.

S m i t h H.O., W i l c o x K.W. A restriction enzyme from Hemophilus influenzae. I. Purification and general properties. J. Mol. Biol., 1970, 51: 379-391.

B o t s t e i n D., W h i t e R.L., S k o l n i k M. e.a. Construction of a genetic linkage map in man using restriction fragment length polymorphisms. Am. J. Hum. Genet., 1980, 32: 314-331.

T a u t z D., R e n z M. Simple sequences are ubiquitous repetitive components of eukaryotic genomes. Nucl. Acids Res., 1984, 12: 4127-4138.

L i t t M., L u t y J.A. A hypervariable microsatellite revealed by in vitro amplification of a dinucleotide repeat within the cardiac muscle actin gene. Am. J. Hum. Genet., 1989, 44: 397-401.

S o u t h e r n E.M. Base sequence and evolution of guinea-pig satellite DNA. Nature, 1970, 227: 794-798.

C a r l s o n M., B r u t l a g D. Cloning and characterization of a complex satellite DNA from Drosophila melanogaster. Cell, 1977, 11: 371-381.

M i k l o s G.L.G., J o h n B. Heterochromatin and satellite DNA in man: properties and prospects. Am. J. Human Genet., 1979, 31: 264-280.

N a k a m u r a Y., J u l i e r C., W o l f f R. e.a. Characterization of a human 2midisatellite”sequence. Nucl. Acids Res., 1987, 15: 2537-2547.

T a u t z D. Notes on the definition and nomenclature of tandemly repetitive DNA sequences. In: DNA Fingerprinting: State of the Science /Eds. S.D.J. Pena, R. Chakraborty, J.T. Epplen e.a. Birkhдuser, Basel, 1993: 21-28.

Z e h D.W., M a y C.A., C o f f r o t h M.A. e.a. Mbo I and Macroalthica -- quality of DNA fingerprints is strongly enzyme-dependent in an insect (Coleoptera). Mol. Ecol., 1993, 2: 61-63.

W e i s i n g K., K a e m m e r D., W e i g a n d F. e.a. Oligonucleotide fingerprinting reveals various probe-dependent levels of informativeness in chickpea (Cicer arietinum). Genome, 1992, 35: 436-442.

K u h n l e i n U., Z a d w o r n y D., D a w e Y. e.a. Assessment of inbreeding by DNA fingerprinting: development of a calibration curve using defined strains of chickens. Genetics, 1990, 125: 161-165.

S a i k i R.K., S c h a r f S., F a l o o n a F. e.a. Enzymatic amplification of beta-globin genomic sequences and restriction site analysis for diagnosis of sickle cell anemia. Science, 1985, 230: 1350-1354.

K o l c h i n s k y A., K o l e s n i k o v a M., A n a n i e v E. «Portraying» of plant genomes using polymerase chain reaction amplification of ribosomal 5S genes. Genome, 1991, 34: 1028-1031.

W e l s h J., M c C l e l l a n d M. Fingerprinting genomes using PCR with arbitrary primers. Nucl. Acids Res., 1990, 18: 7213-7218.

W e l s h J., M c C l e l l a n d M. Genomic fingerprinting produced by PCR with consensus tRNA gene primers. Nucl. Acids Res., 1991, 19: 861-866.

W e i n i n g S., L a n g r i d g e P. Identification and mapping of polymorphisms in cereals based on the polymerase chain reaction. Theor. Appl. Genet., 1991, 82: 209-216.

U n k l e s S.E., D u n c a n J.M., K i n g h o r n J.R. Zinc fingerprinting for Phytophtora species -- ZIF markers. Curr. Genet., 1992, 22: 317-318.

A r n h e i m N., E r l i c h H. Polymerase chain reaction strategy. Ann. Rev. Biochem., 1992, 61: 131-156.

PCR Technology: Principles and Applications for DNA Amplifications /Ed. H.A. Erlich. Stockton Press, New York, 1989.

E r l i c h H.A., G e l f a n d D.H., S n i n s k y J.J. Reсent advances in the polymerase chain reaction. Science, 1991, 252: 1643-1651.

PCR Protocols. A Guide to Methods and Applications /Eds. M.A. Innis, D.H. Gelfand, J.J. Sninsky e.a. Academic Press, San Diego, 1990.

PCR: A Practical Approach /Eds. M.J. McPherson, P. Quirke, G.R. Taylor. IRL Press, Oxford, 1991.

L i e c k f e l d t E., M e y e r W., B ц r n e r T. Rapid identification and differentiation of yeasts by DNA and PCR fingerprinting. J. Basic Microbiol., 1993, 33: 413-426.

M e y e r W., M i t c h e l l T.G., F r e e d m a n E.Z. e.a. Hybridization probes for conventional DNA fingerprinting can be used as single primers in the PCR to distinguish strains of Cryptococcus neoformans. J. Clin. Microbiol., 1993, 31: 2274-2280.

M a t s u y a m a T., M o t o h a s h i R., A k i h a m a T. DNA fingerprinting in Citrus cultivars. In: Techniques on Gene Diagnosis and Breeding in Fruit Trees /Eds. T. Hayashi, M. Omura, N.S. Scott. Fruit Tree Research Station, Ibaraki, 1993: 26-30.

N e u h a u s D., K ь h l H., K o h l J.G. e.a. Investigation on the genetic diversity of Phragmites stands using genomic fingerprinting. Aquat. Bot., 1993, 45: 357-364.

Z i e t k i e w i c z E., R a f a l s k i A., L a b u d a D. Genome fingerprinting by simple sequence repeats (SSR)-anchored PCR amplification. Genomics, 1994, 20: 176-183.

C a e t a n o - A n o l l e s G., B a s s a m B.J., G r e s s h o f f P.M. DNA amplification fingerprinting using very short arbitrary oligonucleotide primers. Bio/Technology, 1991, 9: 553-557.

C a e t a n o - A n o l l e s G., B a s s a m B.J., G r e s s h o f f P.M. DNA amplification fingerprinting with very short primers. In: Application of RAPD Technology tо Plant Breeding /Ed. M. Neff. ASHS Publisher, St. Paul, 1993: 18-25.

W i l l i a m s J.G.K., K u b e l i k A.R., L i v a k K.J. e.a. DNA polymorphisms amplified by arbitrary primers are useful as genetic markers. Nucl. Acids Res., 1990, 18: 6231-6235.

W i l l i a m s J.G.K., H a n a f e y M.K., R a f a l s k i J.A. e.a. Genetic analysis using random amplified polymorphic markers. Methods Enzymol., 1993, 218: 704-740.

M a x a m A.M., G i l b e r t W. A new method for sequencing DNA. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 1977, 74: 560-564.

S a n g e r F., N i c k l e n S., C o u l s o n A.R. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 1977, 74: 5463-5467.

A n s o r g e W., S p r o a t B.S., S t e g e m a n n J. e.a. A non-radioactive automated method for DNA sequence determination. J. Biochem. Biophys. Methods, 1986, 13: 323-325.

S m i t h L.M., S a n d e r s J.Z., K a i s e r R.J. e.a. Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis. Nature, 1986, 321: 674-679.

M u r r a y K.K. DNA sequencing by mass spectrometry. J. Mass Spectrom, 1996, 31: 1203-1215.

S o u t h e r n E.M. Detection of specific sequences among DNA fragments separated by gel electrophoresis. J. Mol. Biol., 1975, 98: 503-517.

W a l l a c e R.B., S c h o l d M., J o h n s o n M.J. e.a. Oligonucleotide directed mutagenesis of the human в-globin gene: a general method for producing specific point mutations in cloned DNA. Nucleic Acids Res., 1981, 9: 3647-3656.

Л ы с о в Ю.П., Ф л о р е н т ь е в В.Л., Х о р л и н А.А. и др. Определение нуклеотидной последовательности ДНК используя гибридизацию с олигонуклеотидами: новый метод. Докл. АН СССР, 1988, 303: 1508-1511.

D r m a n a c R., L a b a t I., B r u k n e r I. e.a. Sequencing of megabase plus DNA by hybridization: theory of the method. Genomics, 1989, 4: 114-128.

M e l a m e d e R.J. Automatable process for sequencing nucleotide. U.S. Patent 4863849, Assignee: New York Medical College, Valhalla, N.Y.

G a r c i a C.A., A h m a d i a n A., G h a r i z a d e h B. e.a. Mutation detection by pyrosequencing: sequencing of exons 5-8 of the p53 tumor suppressor gene. Gene, 2000, 253: 249-257.

A h m a d i a n A., G h a r i z a d e h B., G u s t a f s o n A.C. e.a. Single-nucleotide polymorphism analysis by pyrosequencing. Anal. Biochem., 2000, 280: 103-110.

R a f a l s k i J.A. Novel genetic mapping tools in plants: SNPs and LD-based approaches. Plant Science, 2002, 162: 329-333.

B r o w n A.H.D., M a r s h a l l D.R., M u n d a y J. Adaptedness of variants at an alcohol dehydrogenase locus in Bromus mollis L. (soft brome grass). Aust. J. Biol. Sci., 1976, 29: 389-396.

W o l f f K., R o d s t a d S.H., S c h a a l B.A. Population and species variation of minisatellite DNA in Plantago. Theor. Appl. Genet., 1994, 87: 733-740.

F o o l a d M.R., J o n e s R.A., R o d r i g u e z R.L. RAPD markers for constructing interspecific tomato genetic map. Plant Cell Rep., 1993, 12: 293-297.

W i l l i a m s C.E., S t. C l a i r D.A. Phenetic relationships and levels of variability detected by restriction fragment length polymorphism and random amplified polymorphic DNA analysis of cultivated and wild accessions of Lycopesicon esculentum. Genome, 1993, 36: 619-630.

B r o u n P., T a n k s l e y S.D. Characterization of tomato DNA clones with sequence similarity to human minisatellites 33.6 and 33.15. Plant Mol. Biol., 1993, 23: 231-242.

V o s m a n B., A r e n s P., R u s - K o r t e k a a s W. e.a. Identification of highly polymorphic DNA regions in tomato. Theor. Appl. Genet., 1992, 85: 239-244.

A r n o l d M.L. Iris nelsonii (Iridaceae): origin and genetic composition of a homoploid hybrid species. Am. J. Bot., 1993, 80: 577-583.

H a n o t t e O., C a i r n s E., R o b s o n T. e.a. Cross-species hybridization of a single-locus minisatellite probe in passerine birds. Mol. Ecol., 1992, 1: 127-130.

S i n g e r E.N., J e f f r e y s A.J. Application of human minisatellite probes to the development of informative DNA fingerprints and the isolation of locus-specific markers in animals. In: DNA Fingerprinting: State of the Science /Eds. S.D.J. Pena, R. Chakraborty, J.T. Epplen e.a. Birkhдuser, Basel, 1993: 421-428.

S c h l ц t t e r e r C., A m o s B., T a u z D. Conservation of polymorfic simple sequence loci in cetacean species. Nature, 1991, 31: 63-65.

M o o r e S.S., S a r g e a n t L.L., K i n g T.J. e.a. The conservation of dinucleotide microsatellites among mammalian genomes allows the use of heterologous PCR primer pairs in closely related species. Genomics, 1991, 10: 654-660.

K e s s e l i R.V., P a r a n I., M i c h e l m o r e R.W. Efficient mapping of specifically targeted genomic regions and the tagging of these regions with reliable PCR-based genetic markers. In: Application of RAPD Technology to Plant Breeding /Ed. M. Neff. ASHS Publishers, St. Paul, MN, 1993: 31-36.

E s t o u p A., S o l i g n a c M., H a r r y M. e.a. Characterization of (GT)_n and (CT)_n microsatellites in two insect species: Apis mellifera and Bombus terrestris. Nucl. Acid Res., 1993, 21: 1427-1431.

Размещено на Allbest.ru