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大麻研究中的分子标记应用

来源:画鸵萌宠网
第4期2007年第29卷第4期中国麻业科学PLANTFIBERSCIENCESINCHINA189

文章编号:1673-7636(2007)04-0189-03

大麻研究中的分子标记应用

曾民1,郭鸿彦2,胡学礼2,许燕萍2,杨明2*

(1.云南农业大学农学与生物技术学院,昆明615101;2.云南农业科学院经济作物研究所,昆明

615100)

摘要:本文综述了以PCR技术为基础的RAPD、AFLP、ISSR、STR、IGS等DNA分子标记技术在大麻遗传变异、品种鉴定与来源推断等方面的应用进展,并提出了一些值得注意的问题以及今后可能的发展方向。

关键词:大麻;分子标记中图分类号:S563.3

文献标志码:B

大麻是一种可在世界范围内广泛种植的经济作物,具有多种用途,可综合开发利用,现在得到了越来越广泛的研究及利用。由于大麻植株中存在使人致幻成瘾成分,在世界上许多国家大麻的种(THC)的含量的高低分为工业大植和生产被列为管制范围。大麻根据其致幻成瘾成分四氢大麻酚

麻和毒品大麻。毒品大麻、海洛因和可卡因曾被联合国禁毒公约列为三大毒品。工业大麻和毒品大麻在形态学上很难辨别。而且大麻是雌雄异株异花授粉作物,因而在品种间易混杂和变异。因此正确而快速的辨别大麻品种对于工业大麻产业的良好发展和毒品大麻的稽查工作就显得十分重要了。传统的大麻检测方法包括:化学显色、薄层色谱(TLC)、气谱质谱联用仪(GC-MS)、高压液相色谱(HPLC)、细胞显微法等。然而,这些方法对于少量和微量的大麻样品是很难检测和辨别的。

分子标记是传统的形态学和细胞学标记之后发展起来的一种分子水平上的遗传标记,包括蛋白质标记和基于DNA序列多态性及重复位点多态性的DNA分子标记。现已广泛应用于生物基因组研究,如鉴定生物指纹,探讨基因组起源和生物进化,定位优异基因,指导基因克隆,构建遗传图谱,评价生物多样性,检测群体内遗传变异等方面。近年来,分子标记技术得到了迅速发展,在传统植物研究中也发挥重要作用。大麻是世界上最古老的栽培作物之一,有着上千年的历史。我国是世界上大麻种植历史最长、种质资源最丰富的国家之一,但还没有相应完整的大麻品种鉴定和区分体系。随着分子标记技术的飞速发展,分子标记得以广泛应用于包括大麻多态性分析、品种鉴别、来源推断、基因克隆与定位等方面。本文将分别概述几种分子标记在大麻中的应用现状及前景。

1.1

分子标记技术在大麻研究中的应用现状

通过DNA序列鉴定大麻及加工物

1998年AdrianLinacre发明了一种全新的通过大麻的DNA序列来从其它的植物中检测大麻样品的方法,他根据物种间tRNA序列的相对保守性,利用大麻叶绿体基因组中trnL基因3'端的外显子和trnF基因之间具有一段特异的内含子序列设计了特异的引物,通过PCR扩增能产生一段特异的DNA带,而在其它的植物中这对特异的引物却扩增不出这段特异的DNA带,以此为据可用

这一发现弥补了常规方法对大麻检测的不足(即无法检测微量或少量于区别大麻和其它的植物[14]。

样品),同时也为分子技术在大麻物证检测上应用提供了证据。

1.2RAPD标记在大麻中的应用进展

RAPD是美国的Williams[1]和Welsh[2]两个研究小组于1990年同时发展起来的技术,它以PCR

收稿日期:2007-04-24

基金项目:国家公益性行业科研专项经费项目(nyhyzx07-018);国家科持发展支撑计划项目(2006BAK0903)作者简介:曾民(1980-),男,研究生,研究方向为分子生物学。

*通讯作者:杨明(1966-),男,副研究员。从事大麻遗传育种研究工作。E-mail:yangming66@tom.com190中国麻业科学第29卷

反应为基础,采用10bp的寡核苷酸为引物进行模板DNA多态性的随机扩增和检测。由于RAPD技术不需要事先获得模板DNA序列信息,且所需DNA样品量小、设备及技术简单、周期短、扩增没有特异性、合成一套引物可用于不同物种基因组的分析,因而受到研究者的喜爱。由于对大麻的

DNA序列的认识不够,早期对大麻的分子水平研究多利用RAPD分子标记技术。虽然RAPD技术

存在重复性差和特异性差等方面的问题,但对大麻进行多态性分析及亲缘关系鉴定来说还是不错的方法,并随着分子标记的发展也不断的完善。1996年,Vidyajagadish对来自澳大利亚51个大麻品种(10个堪培拉,8个新南威尔士,25个昆士兰州,8个巴布亚岛)和2个品种的麻蛇草进行

RAPD多态性分析,发现大麻品种和蛇麻草品种有很大不同,并且51个大麻品种也被分为巴布亚岛组群、堪培拉组群和第3个组群。从而暗示了不同地区的大麻具有不同的遗传背景,对分子生物

学在大麻品种来源分析上提供了可靠的证据[3]。在2001年,SilviaForapani[4]也证明了这一结论。宋书娟(2001年)利用RAPD标记在大麻中发现了一条820bp的特异带,通过将RAPD分子标记转化为

SCAR分子标记,证实这条带和大麻的性别有关,被认为是用作鉴别大麻性别的特异性分子遗传标

记[5]。2001年,陈其军利用RAPD技术在扩增产物中得到一条约2.5kb雄性多态性片段,也证实为大麻性别相关的连锁的分子标记。对该片段进行了克隆和序列分析,并根据序列分析结果将上述

RAPD分子标记转化为重复性和特异性更好的SCAR分子标记[6]。2002年,苏友波利用RAPD分析

技术对野生型大麻和栽培大麻的基因组进行分析,从280个引物中筛选出42个扩增效果好的引物,为以后RAPD技术在大麻中的研究奠定了基础[7]。

1.3ISSR在大麻上的应用

ISSR分子标记技术是1994年由加拿大蒙特利尔大学Zietkiewicz等[8]发展起来的一种基于微卫星(SSR)序列的分子标记技术。与SSR相比,用于ISSR的引物不需要预先的DNA测序,而是用半随机引物进行扩增,可获得丰富的多态性。2002年,Mareshige利用ISSR技术对用高压液相色谱(HLCP)无法区别的大麻材料做序列分析。通过PCR扩增所产生多态性带型结果的分析说明,通过ISSR技术不但能得到利用HLPC技术所得到的结果,还能做到HLPC技术无法完成的工作(即HLPC技术能区别出THC含量差别的大麻样品,但无法区别出其THC含量相似,其CBD相差较大的大麻样品)。证实了ISSR分子标记技术可用于多个大麻品种间遗传距离的分析和亲缘关系的鉴定,同时也为ISSR分子标记技术在大麻毒品物证检测上的应用提供了有力的证据[9]。1.4AFLP在大麻上的应用

AFLP是1993年由荷兰Keygene公司Zabeau[10]等发明的一种DNA分子标记技术。主要过程是性酶切片段的选择性扩增,AFLP结合了RFLP的稳定性和PCR技术高效性的特点,不需要进行杂交。是一种理想的分子标记。AFLP多态性高,可检测50-100bp的扩增片段。ShannonL.利用AFLP分子标记检测三个纤维大麻品种和一个毒品大麻品种键的遗传差异。通过十对引物共扩增出1206条带,并且其中88%具有多态性。18条特异带可用来区别纤维大麻和毒品大麻。通过实验得出了3点结论:(1)建立了栽培品种的共同特异序列,并可用来与毒品大麻相区别。(2)能够通过

(3)能从合法栽培的大麻中鉴定出潜在的、AFLP分子标记来判断缴获的大麻品种的来源及产地。

非法种植的大麻[11]。这种遗传标记方法已经在加拿大、欧洲被用于法政检测。

1.5在大麻中应用的其它分子标记

(shorttandemrepeat)是人类的短串联重复序列,由2-6个碱基对作为核心单位串联重复形STR

成的一类DNA序列,核心重复单位数目的变化构成了STR基因座的遗传多态性。STR的遗传信息量大,具有高度的多态性,是一种理想的DNA遗传标记,广泛应用于人类学、遗传学和法医学。Hsing-MeiHsieh在2002年利用一个STR序列位点对大麻进行了遗传学分析,证明了大麻的这个STR位点有很高的遗传多态性[12]。同年,SimonGilmore也利用5个引物对93个大麻品种进行了

结果表明,虽然毒品大麻和纤维大麻只有6%的遗传区别,但毒品大麻比纤维大麻STR序列分析[13]。

具有更低的多态性。但这种区别不显著很难用于区别纤维大麻和毒品大麻,无法作为法律检测手第4期曾民等:大麻研究中的分子标记应用191

段。(转录单位间隔区)具有2005年,Hsing-MeiHsieh利用分子标记技术发现了大麻rDNA内的IGS多态性[15]。这种序列也可用做分子标记。

2存在问题与展望

综上所述,分子标记技术在大麻上的应用是随着工业大麻产业的发展,毒品滥用问题的日益严

重,以及用常规方法进行大麻检测存在着严重缺点的情况下发展起来的。由于大麻的栽培历史悠久,且为雌雄异体、异花授粉(通常三公里以内的大麻品种间都有异花授粉的可能),所以大麻品种易混杂变异,使得工业大麻变异为有毒大麻品种或工业大麻品种不纯。在应用于大麻的分子标记中,由于RAPD技术不需要知道基因组的序列、快速、简便、成本相对较低而在大麻中得到广泛应用,但它的重复性和稳定性较差。不过通过将RAPD标记转化为SCAR(SequenceCharacterized

AmplifiedRegion)标记会提高其稳定性。RFLP技术程序繁琐且成本高,标记结果也不好,所以很少

用于大麻分子标记。AFLP技术结合了RFLP和PCR各自的优点,不需要Southern杂交,实验结果稳定可靠,但其费用贵,实验涉及面广,技术要求高,一般实验室难以展开。ISSR比RAPD可靠、重复性高、比AFLP方便,成本低,又不象SSR要预先获得序列信息,也适用于大麻。而STR标记目前还不能用于大麻检测。近20年来,虽然在大麻上的分子标记发展迅速,但一般只用于品种间的多态性、遗传差异和用于区别工业大麻和毒品大麻的法政检测,用于提供法律证据。目前,在我国分子标记在大麻上主要用于一些基础的科研工作,在大麻毒品检测方面还以常规检测方法为主,在品种鉴定,亲缘关系分析及来源推断方面还有待进一步研究。参考文献:

[1]WilliamsJGK,Kubelik,LivakJA,etal.DNApolymorphismsampligiedbyarbitraryprimersareusefulasgeneticmarkers[J].NucleicAcidsRes,1990,18,6531-6536.

[2]WelshJ,MocleuandM.FingerprintinggenomesusingPCRwitharbitraryprimers[J].NucleicAcidsRes.1990,18,7213-7218.

[3]VidyaJagadish,JamesRobertson,AdrianGibbsRAPDanalysisdistinguishesCannabissativasamplesfromdifferentsources[J].ForensicScienceInternational1996,79,113-121.

[4]SilviaForapani,AndreaCarboni,ClaudiaPaoletti,V.M.CristianaMoliterni,PaoloRanalli,andGiuseppeMandolino,ComparisonofHempVarietiesUsingRandomAmplifiedPolymorphicDNAMarker[J].CropScience2001,41,1682-1689.

(3):182-184.[5]宋书娟,刘卉,稍宏.大麻性别连锁的特异DNA标记的初步研究[J].中国药物依赖性杂志,2001,10

[6]陈其军,韩玉珍,傅永福,赵德刚,国凤利,孟繁静,刘卫平.大麻性别的RAPD和SCAR分子标记[J].植物生理学报,(2):173-178.2001,27

(5):4-5.[7]苏友波,朱颖,林春,杨明.大麻RAPD分子标记的引物筛选[J].中国麻业,2002

[8]ZietkieqicgE,RafalskiA,LabudaD.Genome,fingerprintingbysimplesequencerepeat(SSR)[J].Theor.Appl.Genet,2000,101,241-248.

[9]MareshigeKojoma,OsamuLida,YukikoMakino,SetsukoSeklta,MotoyoshiSatake.DNAFingerprintingofCannabissativeUsingIn-ter-SimpleSequenceRepeat(ISSR)Amplification.

[10]ZabeauM,VosP.Selectiverestrictionfragmentamplification,ageneralmethodforDNAfingerprints[M].EuropeanPatentApplicationPubl,1993.

[11]ShannonL,Datwyler,Ph.DandGeorgeD,Weiblen,Ph.D,GeneticVariationinHempandMarijuanaaccordingtoAmplifiedFrag-mentLengthPolymorphisms[J].ForensicScience,2006(51):371-375.

[12]Hsing-MeiHsieh,Rur-jyunHou,Li-ChinTsai,Chih-ShengWei,Su-WenLiu,Li-HungHuang,Yi-ChenKuo,AdrianLinacre,JamesChun-ILee,AhighlypolymorphicSTRlocusinCannabissativa[J].ForensicScienceInternational2003,131,53-58.

[13]SimonGilmore,RodPeakall,JamesRobertson.Shorttandemrepeat(STR)DNAmarkerarehypervariableandinformativeinCannabissativa:implicationsforforensicinvestigations[J].ForensicScienceInternational2003,131,65-74.

[14]AdrianLinacre,JamesThorpe.DetectionandidentificationofcannabisbyDNA[J].ForensicScienceInternational,1998,9171-76.[15]Hsing-MeiHsieh,Chia-LingLiu,Li-ChinTsai,Rur-JyunHou,Kuo-LanLiu,AdrianLinacre,JamesChun-ILee.Characteriza-tionofthepolymorphicrepeatsequencewithintherDNAIGSofCannabissativa[J].ForensicScienceInternational2005,152,23-28.

ResearchAdvanceofMolecularMarkerinCannabissativaL.

ZENGMin1,GUOHong-yan2,HUXue-li2,XUYan-ping2,YANGMing2

(1.FacultyofAgronomy&Bio-technic,YunnanAgricultureUniversity,Kunming650201,China;2.EconomicCropInstitute,YunnanAcademyofAgriculturalSciences,Kunming650205,China)

Abstract:Inrecentyears,theDNAmolecularmarkers,forinstanceRAPD,AFLP,ISSR,STRandIGSwhichbasedonPCRtechnologybegantobeusedinCannabissativastudy.ThisarticleanalysedtheprinciplesofDNAmolecularmarkersandtheapplicationintheresearchongeneticvariations.

Keywords:CannabissativaL.;molecularmarker

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