小麦染色体物理图谱的发展及应用

刘 冰， 刘仁泽， 郝梦琪， 郭长虹， 郭东林

(哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江省分子细胞遗传与遗传育种重点实验室,黑龙江哈尔滨 150025)



小麦染色体物理图谱的发展及应用

刘 冰， 刘仁泽， 郝梦琪， 郭长虹， 郭东林*

(哈尔滨师范大学生命科学与技术学院，黑龙江省分子细胞遗传与遗传育种重点实验室,黑龙江哈尔滨 150025)

摘要介绍了小麦染色体物理图谱的绘制及发展，并综述了小麦染色体物理图谱的作用，在此基础上对其应用前景进行了展望。

关键词小麦；染色体；物理图谱

Development and Application of Wheat Chromosome Physical Map

LIU Bing,LIU Ren-ze,HAO Meng-qi,GUO Dong-lin*et al(Key Laboratory of Molecular Cytogenetics and Genetic Breeding of Heilongjiang Province,College of Life Science and Technology,Harbin Normal University,Harbin,Heilongjiang 150025)

AbstractThe drawing method and the development were introduced, and the role of wheat physical map was reviewed, on this basis the application prospect was forecasted.

Key wordsWheat; Chromosome; Physical map

普通小麦是六倍体作物，由A、B、D 3个染色体组构成，基因组庞大且非常复杂。为了解决此难题，近年来利用特异BAC文库等技术分别绘制了多条小麦染色体的物理图谱。小麦染色体物理图谱能够提供功能基因的位置，并为最终获得小麦的物理图谱及测序奠定基础。基因组测序为作物改良提供了遗传工具[1]，如大麦的部分基因组序列已经获得，但重复基因间区域并不完全[2]。水稻[3]、高粱[4]及短柄草[5]的基因组已被完整测序，可被用来推断小麦的基因序列。但由于普通小麦为六倍体，基因组较大，含有的重复序列较多，基因组测序受到限制[6-7]。绘制基因组物理图谱是基因组测序的基础，可以通过对基因进行标记，成功地将其排序，进而绘制出物理图谱。物理图谱的成果以及最终的完整基因组序列，对图位克隆和检测基因的正确位置非常必要。物理图谱有助于迅速锁定控制小麦产量和数量的基因，从而进行作物品质的改良。笔者综述了小麦染色体物理图谱的绘制、发展及其应用，并对其应用前景进行了展望。

1小麦染色体物理图谱的绘制方法

绘制小麦染色体物理图谱的方法很多，如序列标签位点作图(STS)、限制性作图、荧光原位杂交、基于克隆的基因组作图等，在使用中这几种方法各有优缺点。

STS是一段短的DNA序列，易于识别，这类分子标记包括SSR、SCAR、EST、SNP等，能针对大基因组绘制最详尽的图谱，是目前构建详细的大基因组物理图谱的主流技术[8-10]。限制性作图是指将限制性内切酶位点标定在DNA分子的相对位置，具有作图快速、简便等特点，能提供详细的定位信息，但规模受限于限制性片段的大小，不能用于较大基因组[11]。荧光原位杂交技术是一种重要的非放射性原位杂交技术，具有快速、安全、灵敏度高以及探针可长期保存等特点，但操作困难且一次定位的标记较少[12]。基于克隆的基因组作图中大分子DNA克隆载体包括酵母人工染色体YAC、细菌人工染色体BAC及P1人工染色体PAC，但克隆重叠群构建费时费力且指纹作图有时会出现错误[13]。

2小麦染色体物理图谱的发展

自1989年第1张RFLP小麦遗传连锁图谱[14]出现后，许多学者相继报道了小麦的遗传图谱，如Hohmann等[15]构建了小麦细胞遗传阶梯图。

随着科学技术的不断发展，三大粮食作物中水稻和玉米的基因组测序工作分别于2002和2009年完成。在水稻和玉米基因组被破解多年后，最复杂、最困难的小麦基因组测序工作也有了突破性进展。2008年，Paux等[16]首次绘制了一个以BAC文库为基础的含有995个碱基的小麦3B染色体物理图谱，随后小麦其他多条染色体的物理图谱也陆续被报道。2010年，马金彪[17]绘制了小麦条锈菌转录基因物理图谱，对已经构建好的小麦与小麦条锈菌亲和性cDNA文库进行大规模测序，获得了5 796条高质量的EST序列。2013年，Breen等[18]绘制了小麦1AS染色体的物理图谱，在1AS特异BAC文库的25 918个高通量指纹图谱的集合中，715个物理重叠群覆盖了99%的染色体臂；Lucas等[19]创建了小麦1AL染色体的BAC文库，获得了累积长度为7.57 Mb的13 345个有用序列，代表了1.43%的小麦1AL染色体，约占A基因组的14%；Raats等[20]对小麦1BS染色体实物图进行最后组装和分析，绘制了小麦1BS染色体物理图谱；Philippe等[21]使用高通量基因检测，绘制了高密度标记的小麦1BL染色体物理图谱，获得了关于染色体进化的新见解。2014年，国际小麦基因组测序协会对中国春小麦的每个染色体臂进行了分离、测序及组装，绘制出普通小麦的基因组草图，这张草图为小麦物理图谱的绘制做出了重要贡献。2015年，Akpinar等[22]绘制了高品质的5DS染色体物理图谱，揭示了基因组的重排。

3小麦染色体物理图谱的作用

3.1小麦染色体物理图谱及相应资源为图位克隆提供帮助小麦1BS染色体物理图谱对应基因组的资源包括：①深覆盖BAC文库；②高通量的BAC指纹数据集；③组装的BAC重叠群；④UniGene表达序列标签(EST序列)集群；⑤基于序列标记的数据集，包括1BS序列、BAC末端序列和遗传标记[20]。1BS物理图谱的绘制及相应资源不仅为基因和数量性状位点的图位克隆提供了帮助，而且提供了一个独特的基因空间组织见解。

小麦具有复杂的多倍体基因组，高品质的小麦基因组序列有17 Gb。为了克服这些困难，小麦基因组学使用了以BAC文库、个别染色体测序为基础的物理图谱绘制方法。绘制物理图谱最重要的一个资源是BAC文库(Bacterial Artificial Chromosome，细菌人工染色体)。国际小麦基因组测序联盟(IWGSC)通过流式细胞技术分析染色体和染色体臂，构建特定BAC文库。通过BAC文库建立了3B染色体的物理图谱。在小麦3B染色体物理图谱的绘制过程中，Etienne[16]等用一个特异的染色体BAC文库将82%的染色体装配到含有1 443个分子标记的1 036个重叠群中，为遗传和基因组研究提供了重要资源。该物理图谱为其他小麦染色体创建了范例，并说明了在较大的、复杂的六倍体小麦染色体中构建物理图谱的可能性。BAC文库在小麦基因克隆、基因组及基因区物理图谱的构建以及比较基因组学等方面的研究中具有重要意义[23]。BAC文库不仅在小麦染色体物理图谱绘制中应用广泛，在其他作物中也有应用，如拟南芥[24]、水稻和玉米[25-26]。

小麦1D染色体的高密度图谱已被构建，其中包含57个微卫星标记和白粉病抗性基因Pm24，有12个标记位点与Pm24紧密连锁。其中，有24个被标记到1D染色体的短臂基因组区末端，33个被标记到1D染色体的长臂基因组区。与Pm24相邻的位点为Xgwm789 (Xgwm603) 和Xbarc229。Xgwm1291与Pm24分离，Xgwm1291被标记到1D染色体的短臂。由此可推断Pm24位于小麦的一个高度重组区，这为Pm24的图位克隆提供了基础[27]。

3.2小麦染色体物理图谱是染色体完整测序的基础对A组染色体的理解能够更好地促进小麦和未来全基因组测序的发展。在小麦1AL染色体物理图谱的绘制中，Lucas等[19]获得了累积长度为7.57 Mb的13 345个有用序列，这些序列的GC含量为44.7%，估计90%的染色体含有重复序列。从这些序列数据中鉴别出大量可利用的分子标记(362个SSR标记和6 948个ISBP标记)，对于构建染色体图谱和分子标记辅助育种具有重要意义。Lucas等[19]创建了小麦1AL染色体BAC文库，在开发的44个ISBP标记中，有23个是可用的，BAC末端序列数据使基因和染色体的鉴定成为可能。

1A染色体短臂是较小的小麦染色体臂之一，通过细胞学估计，1A染色体短臂只有275 Mb。1A染色体短臂上含有一些抗性基因，如基因Pm3和Lr10，也有一些与品质相关的基因，如低分子量谷蛋白基因和分蘖抑制基因。此外，还含有至少3个抗性家族衍生物的基因(RGAs)。在小麦1AS染色体物理图谱绘制中，为了辅助图位克隆和基因组测序，Breen等[18]使用基因芯片、PCR标记筛选和BAC末端序列，基于水稻和高粱的同线性，重排了160个物理重叠群，占1AS染色体臂的35.3%。来源于微阵列杂交的BAC文库末端序列和信息被用来锚定1AS BAC文库重叠群中的Illumina序列。1AS物理图谱不仅为未来的遗传图谱项目提供了框架，还成为染色体完整测序的基础。

3.3高分子量物理图谱为小麦基因组进化提供全新见解5DS 物理图谱由164个重叠群组成，其中45个重叠群被组建成21个超重叠群。58个重叠群大小都大于1 Mb，该图谱有1 864个分子标记，密度是10.5个标记/Mb。5DS的基因空间分析表明，组建到端粒部分的基因按梯度增多，在0.67~0.78缺失区域中的基因密度最高为5.17个基因/Mb，是其他区域的1.4~1.6倍。在小麦5DS染色体物理图谱及小麦D基因组的演变研究中， Akpinar等[22]通过使用基因映射标记数据、SSR、表达序列标签、COS标记及被报道的图谱数据对5DS物理图谱重叠群进行排序，提出了染色体特异性的观点，揭示了基因组的重排。

在小麦1BL染色体物理图谱的绘制中， Philippe等[21]开发出新的分子标记并将它们锚定到1BL物理重叠群上，使用高效的装配工具和高通量平台，绘制小麦1BL染色体物理图谱。起源于小麦中国春的1BL染色体，其特定的BAC文库中含有92 160个克隆，共有65 413个高密度的指纹图谱被包含在内，并被用于构建物理图谱。

小麦的组1和组3染色体分别起源于A5和A1染色体，这是由初始A5染色体复制造成的。小麦3号染色体的祖先直接从A1染色体进化而来且未发生重排，小麦1号染色体的祖先起源于A5染色体中A10染色体的插入部分[28]。在水稻中，12个保留了相同结构的染色体被作为祖基因组，其中与小麦3号染色体和1号染色体有共线性的分别是1号染色体和5号染色体。Murat等[29]鉴定了63个起源于A5染色体祖先的基因，这些基因在水稻、短柄草、高粱中被保存下来。在128个水稻基因和来源于所有小麦染色体序列的Illumina重叠群中，小麦1BL和3BL染色体上的12个基因被鉴定出来，此结果支持了小麦比水稻有更多重排的说法，也表明小麦并不是草染色体改造的良好模式作物[30-31]。该高分子量物理图谱不仅为1BL的测序提供了有效工具，还为小麦基因组进化提供了全新见解。

4展望

物理图谱与遗传图谱相比具有很多优点，其不需要等位基因的多态性，还可以准确地在DNA水平上描述出可识别标记的准确位置及其相互之间的距离。高分辨率的物理图谱可以证实标记在染色体上的实际分布情况和标记间真实的物理距离，既能为基因克隆提供有效信息，也能为近缘物种间比较基因组的研究提供重要工具。物理图谱的绘制已成为基因组学研究的活跃领域，物理图谱在绘制过程中与各种基因组的资源和数据相互整合，如遗传连锁图、分子细胞遗传图、DNA序列图、EST数据等，将提高物理图谱在基因组学研究中的使用价值和应用范围。随着分子细胞学和细胞遗传学的不断进步，相关科学技术的不断发展，小麦多条染

色体物理图谱的成功绘制，小麦的遗传育种应用前景将会更加广阔。小麦物理图谱也将逐步代替以往所使用的非整倍体，确定小麦染色体标记的位置和特征，更有助于提高对相关重组的理解。

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收稿日期2015-12-28

作者简介刘冰(1990- )，女，黑龙江宝清人，硕士研究生，研究方向：植物遗传学与基因工程。*通讯作者，教授，博士，硕士生导师，从事植物遗传学研究。

基金项目国际科技合作项目(2009DFA32470)；国家重点基础研究计划(973计划)前期项目(2011CB111505)；黑龙江省教育厅科研项目(12521143)。

中图分类号S 188+.1

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)03-126-02