Phát triển các biến thể đơn nucleotide (SNP) trong Phaseolus vulgaris và các loài Phaseolus liên quan

Molecular Breeding - Tập 33 - Trang 531-544 - 2013
D. Goretti1, E. Bitocchi1, E. Bellucci1, M. Rodriguez2,3, D. Rau2, T. Gioia4, G. Attene2,3, P. McClean5, L. Nanni1, R. Papa1,6
1Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari ed Ambientali, Università Politecnica delle Marche, Ancona, Italy
2Dipartimento di Agraria, Università degli Studi di Sassari, Sassari, Italy
3Centro per la Conservazione e la Valorizzazione della Biodiversità Vegetale (CBV), Università degli Studi di Sassari, Surigheddu, Alghero, Italy
4Scuola di Scienze Agrarie, Forestali, Alimentari ed Ambientali, Università degli Studi della Basilicata, Potenza, Italy
5Department of Plant Sciences, North Dakota State University, Fargo, USA
6Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura, Cereal Research Centre (CRA-CER), Foggia, Italy

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, các marker SNP mới đã được phát triển cho đậu phổ biến (Phaseolus vulgaris L.) và các loài Phaseolus liên quan. Chiến lược áp dụng trình bày những khía cạnh mới và thú vị, chẳng hạn như việc lựa chọn các mẫu vật được sử dụng, nhằm nắm bắt một phần lớn sự đa dạng di truyền hiện có trong đậu phổ biến, đặc biệt tập trung vào các vật liệu hoang dã và thuần hóa từ Mesoamerica và việc xác định các locus cho việc giải trình tự. Thực tế, các cặp mồi cho 34 locus đã được thiết kế với chiến lược chính là tìm kiếm các gene đồng bản sao đơn trong các loài đậu (để sử dụng cho các loài đậu khác và các phân tích so sánh). 10 locus còn lại được chọn là gần với các locus đặc điểm số lượng (QTL) về thuần hóa hoặc được phát hiện là có khả năng chịu tác động chọn lọc trong quá trình thuần hóa trong các nghiên cứu trước. Để cung cấp một nền tảng phân loại gen hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho các nhà di truyền và các nhà lai tạo, chúng tôi đã sử dụng dữ liệu giải trình tự để phát triển 60 marker SNP mới cho phương pháp KASPar. Mẫu vật tương tự cũng được phân loại gen bằng các marker SNP đã phát triển cho đậu phổ biến trong các nghiên cứu khác cho cùng một phương pháp. Điều này cho phép kiểm tra sự thiên lệch hệ thống dựa trên các tiêu chí được lựa chọn để chọn các kiểu gen mà sự đa dạng di truyền được khảo sát trong quá trình phát hiện SNP. Cuối cùng, chúng tôi cho thấy rằng hầu hết các marker SNP hoạt động tốt trong một tập hợp các mẫu vật của các loài khác thuộc chi Phaseolus. Các nguồn gen được phát triển sẽ rất hữu ích không chỉ cho việc lai tạo, mà còn cho việc quản lý bảo tồn đa dạng sinh học và các nghiên cứu tiến hóa về các loài đậu.

Từ khóa

#đậu phổ biến #biến thể đơn nucleotide #SNP #di truyền học #thuần hóa #đa dạng di truyền #Phaseolus

Tài liệu tham khảo

Akey JM, Zhang K, Xiong M, Jin L (2003) The effect of single nucleotide polymorphism identification strategies on estimates of linkage disequilibrium. Mol Biol Evol 20:232–242 Altschul SF, Madden TL, Schäffer AA, Zhang J, Zhang Z, Miller W, Lipman DJ (1997) Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of protein database search programs. Nucleic Acids Res 25:3389–3402 Bellucci E (2006) Development of molecular markers and analysis of a BAC library for evolutionary genomics studies in common bean (Phaseolus vulgaris L). PhD Thesis, Università Politecnica delle Marche, Ancona, Italy Bitocchi E, Nanni L, Bellucci E, Rossi M, Giardini A, Spagnoletti Zeuli P, Logozzo G, Stougaard J, Mcclean P, Attene G, Papa R (2012) Mesoamerican origin of the common bean (Phaseolus vulgaris L.) is revealed by sequence data. Proc Natl Acad Sci USA 109:E788–E796 Bitocchi E, Bellucci E, Giardini A, Rau D, Rodriguez M, Biagetti E, Santilocchi R, Spagnoletti Zeuli P, Gioia T, Logozzo G, Attene G, Nanni L, Papa R (2013) Molecular analysis of the parallel domestication of the common bean in Mesoamerica and the Andes. New Phytol 197:300–313 Blair MW, Cortés AJ, Penmetsa RV, Farmer A, Carrasquilla-Garcia N, Cook DR (2013) A high-throughput SNP marker system for parental polymorphism screening, and diversity analysis in common bean (Phaseolus vulgaris L.). Theor Appl Genet 126:535–548 Broughton WJ, Hernandez G, Blair MW, Beebe S, Gepts P, Vanderleyden J (2003) Beans (Phaseolus spp.)—model food legumes. Plant Soil 252:55–128 Choi HK, Luckow MA, Doyle J, Cook DR (2006) Development of nuclear gene-derived molecular markers linked to legume genetic maps. Mol Gen Genomics 276:56–70 Clark AG, Hubisz MJ, Bustamante CD, Williamson SH, Nielsen R (2005) Ascertainment bias in studies of human genome-wide polymorphism. Genome Res 15:1496–1502 Cortés AJ, Chavarro MC, Blair MW (2011) SNP marker diversity in common bean (Phaseolus vulgaris L.). Theor Appl Genet 123:827–845 Debouck DG, Toro O, Paredes OM, Johnson WC, Gepts P (1993) Genetic diversity and ecological distribution of Phaseolus vulgaris in northwestern South America. Econ Bot 47:408–423 Delgado-Salinas A, Bibler R, Lavin M (2006) Phylogeny of the genus Phaseolus (Leguminosae): a recent diversification in an ancient landscape. Syst Bot 31:779–791 Desiderio F, Bitocchi E, Bellucci E, Rau D, Rodriguez M, Attene G, Papa R, Nanni L (2013) Chloroplast microsatellite diversity in Phaseolus vulgaris. Front Plant Sci 3:312 Doyle JJ, Doyle JL (1987) A rapid DNA isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue. Phytochem Bull 19:11–15 Edgar RC (2004) MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Res 32:1792–1797 Frascaroli E, Schrag TA, Melchinger AE (2013) Genetic diversity analysis of elite European maize (Zea mays L.) inbred lines using AFLP, SSR, and SNP markers reveals ascertainment bias for a subset of SNPs. Theor Appl Genet 126:133–141 Gaitán-Solís E, Choi IY, Quigley C, Cregan P, Tohme J (2008) Single nucleotide polymorphisms in common bean: their discovery and genotyping using a multiplex detection system. Plant Genome 1:125–134 Galeano CH, Fernandez AC, Gomez M, Blair MW (2009a) Single strand conformation polymorphism based SNP and Indel markers for genetic mapping and synteny analysis of common bean (Phaseolus vulgaris L.). BMC Genomics 10:629 Galeano CH, Gomez M, Rodriguez LM, Blair MW (2009b) CEL I nuclease digestion for SNP discovery and marker development in common bean (Phaseolus vulgaris L.). Crop Sci 49:381–394 Galeano CH, Cortés AJ, Fernández AC, Soler A, Franco-Herrera N, Macunde G, Vanderleyeden J, Blair MW (2012) Gene-based single nucleotide polymorphism markers for genetic and association mapping in common bean. BMC Genet 13:48 Hall TA (1999) BioEdit: a user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT. Nucleic Acids Symp Ser 41:95–98 Hayama R, Coupland G (2004) The molecular basis of diversity in the photoperiodic flowering responses of Arabidopsis and Rice. Plant Physiol 135:677–684 Hougaard BK, Heegaard Madsen L, Sandal N, Marcio de Carvalho M, Fredslund J, Schauser L, Nielsen AM, Rohde T, Sato S, Tabata S, Bertioli DJ, Stougaard J (2008) Legume anchor markers link syntenic regions between Phaseolus vulgaris, Lotus japonicus, Medicago truncatula and Arachis. Genetics 179:2299–2312 Hyten D, Song Q, Zhu Y, Choi IY, Nelson RL, Costa JM, Specht JE, Shoemaker RC, Cregan PB (2006) Impacts of genetic bottlenecks on soybean genome diversity. Proc Natl Acad Sci USA 103:16666–16671 Hyten DL, Song Q, Fickus EW, Quigley CV, Lim JS, Choi IY, Hwang EY, Pastor-Corrales M, Cregan PB (2010) High-throughput SNP discovery and assay development in common bean. BMC Genomics 11:475 Kami J, Becerra-Velásquez V, Debouckand DG, Gepts P (1995) Identification of presumed ancestral DNA sequences of phaseolin in Phaseolus vulgaris. Proc Natl Acad Sci USA 92:1101–1104 Kimura M, Crow JF (1964) The number of alleles that can be maintained in a finite population. Genetics 49:725–738 Kruglyak L (1997) The use of a genetic map of biallelic markers in linkage studies. Nat Genet 17:21–24 Kuhner MK, Beerli P, Yamato J, Felsenstein J (2000) Usefulness of single nucleotide polymorphism data for estimating population parameters. Genetics 156:439–447 Kumar S, Banks TW, Cloutier S (2012) SNP discovery through next-generation sequencing and its applications. Int J Plant Genomics 2012:1–15 Kwak M, Velasco D, Gepts P (2008) Mapping homologous sequences for determinacy and photoperiod sensitivity in common bean (Phaseolus vulgaris). J Hered 99:283–291 Librado P, Rozas J (2009) DnaSP v5: a software for comprehensive analysis of DNA polymorphism data. Bioinformatics 25:1451–1452 Marshall O (2004) PerlPrimer: cross-platform, graphical primer design for standard, bisulphate and real-time PCR. Bioinformatics 20:2471–2472 McConnell M, Mamidi S, Lee R, Chikara S, Rossi M, Papa R, McClean P (2010) Syntenic relationships among legumes revealed using a gene-based genetic linkage map of common bean (Phaseolus vulgaris L.). Theor Appl Genet 121:1103–1116 Moragues M, Comadran J, Waugh R, Milne I, Flavell AJ, Russell JR (2010) Effects of ascertainment bias and marker number on estimations of barley diversity from high-throughput SNP genotype data. Theor Appl Genet 120:1525–1534 Nei M (1978) Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a small number of individuals. Genetics 89:583–590 Nielsen R (2000) Estimation of population parameters and recombination rates from single nucleotide polymorphisms. Genetics 154:931–942 Papa R, Bellucci E, Rossi M, Leonardi S, Rau D, Gepts P, Nanni L, Attene G (2007) Tagging the signatures of domestication in common bean (Phaseolus vulgaris) by means of pooled DNA samples. Ann Bot 100:1039–1051 Peakall R, Smouse PE (2006) Genalex 6: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Mol Ecol Notes 6:288–295 Putterill J, Robson F, Lee K, Simon R, Coupland G (1995) The CONSTANS gene of Arabidopsis promotes flowering and encodes a protein showing similarities to zinc finger transcription factors. Cell 80:847–857 Rafalski A (2002) Applications of single nucleotide polymorphisms in crop genetics. Curr Opin Plant Biol 5:94–100 Ramirez M, Graham MA, Blanco-Lopez L, Silvente S, Medrano-Soto A, Blair MW, Hernández G, Vance CP, Lara M (2005) Sequencing and analysis of common bean ESTs. Building a foundation for functional genomics. Plant Physiol 137:1211–1227 Rosenblum EB, Novembre J (2007) Ascertainment bias in spatially structured populations: a case study in the eastern fence lizard. J Hered 98:331–336 Rossi M, Bitocchi E, Bellucci E, Nanni L, Rau D, Attene G, Papa R (2009) Linkage disequilibrium and population structure in wild and domesticated populations of Phaseolus vulgaris L. Evol Appl 2:504–522 Rozen S, Skaletsky HJ (2000) Primer3 on the WWW for general users and for biologist programmers. In: Krawetz S, Misener S (eds) Bioinformatics methods and protocols: methods in molecular biology. Humana Press, Totowa, NJ, pp 365–386 Samach A, Onouchi H, Gold SE, Ditta GS, Schwarz-Sommer Z, Yanofsky MF, Coupland G (2000) Distinct roles of CONSTANS target genes in reproductive development of Arabidopsis. Science 288:1613–1616 Schlötterer C (2004) The evolution of molecular markers—just a matter of fashion? Nat Rev Genet 5:63–69 Schlotterer C, Harr B (2002) Single nucleotide polymorphisms derived from ancestral populations show no evidence for biased diversity estimates in Drosophila melanogaster. Mol Ecol 11:947–950 Sokal RR, Rohlf FJ (1995) Biometry: the principles and practice of statistics in biological research. WH Freeman and Co, New York Tajima F (1983) Evolutionary relationship of DNA sequences in finite populations. Genetics 105:437–460 Tamura K, Dudley J, Nei M, Kumar S (2007) MEGA4: molecular evolutionary genetics analysis (MEGA) software, version 4.0. Mol Biol Evol 24:1596–1599 Vigouroux Y, McMullen M, Hittinger CT, Houchins K, Schulz L, Kresovich S, Matsuoka Y, Doebley J (2002) Identifying genes of agronomic importance in maize by screening microsatellites for evidence of selection during domestication. Proc Natl Acad Sci USA 99:9650–9655 Watterson GA (1975) On the number of segregating sites in genetical models without recombination. Theor Popul Biol 7:256–276 Zhu YL, Song QJ, Hyten DL, Van Tassell CP, Matukumalli LK, Grimm DR, Hyatt SM, Fickus EW, Young ND, Cregan PB (2003) Single-nucleotide polymorphisms in soybean. Genetics 163:1123–1134