华中农业大学植科院博士生资格考试复习资料Word下载.docx
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双向凝胶电泳联合质谱的原理是第一向基于蛋白质的等电点不同用等电聚焦分离,第二向则按分子量的不同用SDS-PAGE分离,把复杂蛋白混合物中的蛋白质在二维平面上分开。
胶染色后可以利用凝胶图像分析系统成像,然后通过分析软件对蛋白质点进行定量分析,并且对感兴趣的蛋白质点进行定位。
通过专门的蛋白质点切割系统,可以将蛋白质点所在的胶区域进行精确切割。
接着对胶中蛋白质进行酶切消化,酶切后的消化物经脱盐/浓缩处理后就可以通过点样系统将蛋白质点样到特定的材料的表面(MALDI-TOF)。
最后这些蛋白质就可以在质谱系统中进行分析,从而得到蛋白质的定性数据,通过与已有的数据库进行比对确定候选蛋白。
鸟枪法LC-MS质谱鉴定的基本原理是,蛋白质混合物经过简单或不经过SDS-PAGE分离就被酶切消化成肽段混合物,肽段混合物经过高效液相色谱分离形成较简单的组分,然后将其导入高分辨率质谱仪中进行质量分析。
肽段在质谱仪中经离子化后,带上一定量的电荷,通过质量分析器的分析,可检测个肽段的质量与电荷的比值。
通过与数据库匹配进行肽段鉴定,最后再从鉴定的肽段推导可能的蛋白。
抗体芯片方法抗体芯片是蛋白芯片的一种。
它的基因原理是首先制备目标蛋白的特异性的抗体,将不同的蛋白样品用荧光分子标记,再与抗体芯片杂交,杂交信号强弱反应了蛋白的表达水品高低。
这三种技术可用于分析作物的不同品种,或不同生理、病理条件下蛋白组的表达差异,有助于鉴定出影响作物品质、抗逆性、产量等形状的重要的蛋白用于植物育种中。
三下一代测序技术的种类、原理
进入21世纪后,以Roche公司的454技术、Illumina公司的Solexa技术和ABI公司的SOLiD技术为标志的第二代测序技术诞生了。
1)、454技术原理
①待测DNA文库的构建。
把待测序列用喷雾法(nebulization)打断成300-800bp的小片段并在小片段两端加上不同的接头,或将待测序列变性后用杂交引物进行PCR扩增,连接载体,构建单链DNA(ssDNA)文库。
②EmulsionPCR。
将这些ssDNA与水油包被的直径大约28μm的磁珠在一起孵育、退火,由于磁珠表面含有与接头互补的寡聚核苷酸序列,因此ssDNA会特异地连接到磁珠上。
同时孵育体系中含有PCR反应试剂,因此可以保证每一个与磁珠结合的小片段都会在各自的孵育体系内独立扩增,扩增产物仍可以结合到磁珠上。
反应完成后,破坏孵育体系并富集带有DNA的磁珠。
经过扩增反应,每一个小片段都将被扩增大约100万倍,从而达到下一步测序反应所需的模板量。
③测序。
预先用Bacillus
stearothermophilus聚合酶和单链结合蛋白处理带有DNA的磁珠,然后将磁珠放置在一种叫做PicoTiterPlate(PTP)的平板上。
PTP板上含有很多直径约为44μm的小孔,每个小孔仅能容纳一个磁珠,通过这种方法固定每个磁珠的位置以监测接下来的测序反应。
测序反应采用焦磷酸测序法,将一种含有比PTP板上小孔直径更小的磁珠放入小孔,启动测序反应。
测序反应以磁珠上大量扩增的ssDNA为模板,每次反应加入一种dNTP进行合成反应。
如果这种dNTP能与待测序列配对,则会在合成后释放焦磷酸基团。
释放的焦磷酸基团会与反应体系中的ATP硫酸化酶反应形成ATP。
生成的ATP和荧光素酶共同氧化反应体系中的荧光素分子并发出荧光。
测序反应产生的荧光信号由放置在PTP板另一侧的CCD照相机记录,再经过计算机分析转换为测序结果。
由于每种dNTP在反应中产生的荧光颜色不同,因此可以根据荧光的颜色来确定被测分子的序列。
2)Illumina公司的Solexa技术
①待测DNA文库的构建把待测序列打断成200-500bp的小片段,并在小片段两端加上不同的接头,连接载体,构建ssDNA文库。
②DNA与流动槽(flowcell)的附着将这些ssDNA随机地附着在流动槽表面的channel上。
流动槽是一种含有8个channel的微纤维板,它的表面固定有很多接头,能支持ssDNA在其表面进行桥式扩增。
③BridgePCR向反应体系中添加未标记的核苷酸和酶,进行BridgePCR扩增反应。
BridgePCR以流动槽表面固定的接头为模板,经扩增将桥型ssDNA扩增成桥型dsDNA。
④dsDNA的变性将桥型dsDNA变性成ssDNA,继续扩增。
经过不断的扩增变性循环,每一种ssDNA都在各自的位置集中成束(cluster),每一个束含有单个模版分子的500-1000个克隆拷贝,从而达到能支持下一步测序反应所需信号强度的模板量。
⑤测序测序方法采用边合成边测序的方法(SBS)。
向反应体系中同时添加DNA聚合酶、接头引物和带有碱基特异荧光标记的4种dNTP。
由于这些dNTP的3´
羟基被化学方法保护,因而每轮合成反应都只能添加一个dNTP。
在dNTP被添加到合成链上后,所有未使用的游离dNTP和DNA聚合酶会被洗脱。
加入激发荧光所需的缓冲液,用激光激发荧光信号,用光学设备完成荧光信号的记录,再通过计算机分析转化为测序结果。
当荧光信号的记录完成后,加入化学试剂淬灭荧光信号并去除dNTP的3’羟基保护基团,以便进行下一轮测序反应。
3)ABI公司的SOLiD技术
①待测DNA文库的构建把待测序列打断成很小的片段,并在小片段两端加上不同的接
头,连接载体,构建ssDNA文库。
与454技术的EmulsionPCR类似,将带接头的ssDNA固定在磁珠表面,进行PCR扩增,并对扩增产物进行3’端修饰。
③连接酶测序。
将3’端修饰的磁珠沉积于上样玻片(slide),进行连接酶测序。
在沉积过程中可对磁珠密度进行调节,以达到最大通量。
体系中加入DNA连接酶、通用测序引物n和具有3’-XXnnnzzz-5’结构的八聚核苷酸。
在这个八聚核苷酸中,第1和第2位(XX)上的碱基是确定的,并根据种类的不同在第6-8位(zzz)上加了不同的荧光标记。
这种由两个碱基决定的测序方法被称为两碱基测序(twobaseencoding)。
当八聚核苷酸由于第1和第2位配对而被连接酶连接上时,会发出荧光。
在记录下荧光信息后,通过化学方法在第5和第6位之间进行切割,淬灭荧光信号,以进行下个位置的测序。
通过这种方法,每次测序的位置都相差五位,即第一次测第1和第2位,第二次测第6和第7位……在测到末尾后,将新合成的链变性、洗脱。
而后用通用测序引物n-1进行第二轮测序。
第三代测序技术
Helicos公司的Heliscope单分子测序仪基于边合成边测序的思想,将待测序列随机打断成小片段并在3'
末端加上Poly(A),用末端转移酶在接头末端加上Cy3荧光标记。
用小片段与表面带有寡聚Poly(T)的平板杂交。
然后,加入DNA聚合酶和Cy5荧光标记的dNTP进行DNA合成反应,每一轮反应加一种dNTP。
将未参与合成的dNTP和DNA聚合酶洗脱,检测上一步记录的杂交位置上是否有荧光信号,如果有则说明该位置上结合了所加入的这种dNTP。
用化学试剂去掉荧光标记,以便进行下一轮反应。
经过不断地重复合成、洗脱、成像、淬灭过程完成测序。
四转基因技术的研究进展
五基于转录本分析植物基因表达的技术和应用
RNA-seq技术见下载的两篇文献
六群体改良
1群体改良的原理,意义,轮回选择的目的,意义,步骤,作用。
群体改良原理:
1)Hardy-Weinberg定律(基因平衡定律):
在一个完全随机交配的群体内,如果没有其它因素干扰时,则基因和基因型的频率保持恒定,各世代不变。
在一个有性生殖的自然种群中,在符合以下5个条件的情况下,各等位基因的频率和等位基因的基因型频率在一代一代的遗传中是稳定不变的:
1,种群大;
2,种群中个体间的交配是随机的;
3,没有突变发生;
4,没有新基因加入;
5,没有自然选择。
2)选择与重组是群体改良的动力。
从育种角度来看,选择和基因重组是群体基因和基因型频率改变主要动力和因素。
利用群体进化的法则,通过异源种质的合成,自由交配、鉴定选择等手段,促进基因重组,不断打破优良基因与不良基因的连锁,提高群体优良基因频率和基因型频率,提高育种效率和育种水平。
群体改良意义:
创造新的种质资源;
选育优良的综合品种;
改良外来种质的适应性。
2自花授粉作物群体改良方法
对自花授粉作物或常异花授粉作物进行群体改良工作的关键在于实行生殖控制,即将自花授粉作物异交化,或提高常异花授粉作物的异交程度。
可通过导入雄性核不育基因建立异交群体。
3提高群体改良效率的方法
轮回选择的目的:
为育种家提供改良的种质,提高育种群体中的有利基因频率。
轮回选择的意义:
通过循环式多次交替进行选择和杂交改进作物群体遗传结构,以提高群体中有利基因频率的育种方法。
改良的群体可直接用于生产,也可从中选出具有更多有利基因的品种、自交系或综合
种。
轮回选择的方法:
混合轮回选择法;
改良穗行选择法;
自交后代选择法;
半同胞轮回选择;
全同胞轮回选择。
轮回选择的步骤:
确定或合成一个原始杂种群体;
从原始群体中选择具有目标性状的个体;
当选的优良个体互交,重组,形成一个新群体;
再从新群体中进行鉴定和选择,进行另一个新的轮回周期。
轮回选择的作用:
提高群体内数量性状有利基因频率;
打破不利的基因连锁,增加有利基因重组的机会,使有益基因聚合;
使群体不断得到改良并保持较高的遗传变异水平,增强适应性,以供进一步选择之用;
作为育种工作的战略思想,把短期的和中期、长期的育种目标结合起来
七传统育种方法的缺陷,利用转基因和基因组学如何克服传统育种的缺陷
传统育种的主要缺陷:
1)农艺性状的转移很容易受到种间生殖隔离的限制,不同物种间的优良基因,很难加以利用。
2)通过有性杂交进行基因转移,不能准确地对某个基因进行操作和选择,易受不良基因连锁的影响。
3)利用有性杂交转移基因的成功与否一般需要依据表观变异或生物测定来判断,检出效率易受环境因素的影响。
4)利用传统育种所获得的抗性,易受品种和地域环境的影响。
即在北方培育的抗逆新品种,种植到南方,可能其抗逆性表现不明显。
转基因育种具有明显的优势:
1)生物育种所利用基因资源不受物种的限制,不同植物之间、乃至微生物、动物界的基因都可以加以应用。
因此极大丰富了可利用的基因资源,为新品种的培育提供无限可能。
2)生物育种能准确地对某个基因进行操作和选择,也可同时转入多个基因。
3)转基因育种有的放矢,利于目标性状品种的检测。
4)对于功能明确,具有实用价值的基因,利用转基因技术进行育种,可使其功能在同一物种的不同品种间得到稳定表现,即所获得的性状不易受品种差异及地域环境差异的影响。
分子标记辅助选择育种以及全基因组策略
分子标记辅助选择(MAS,marker—assistedselection)是随着现代分子生物学技术的迅速发展而产生的新技术,它可以从分子水平上快速准确地分析个体的遗传组成,从而实现对基因型的直接选择,进行分子育种。
目前,MAS技术应用主要集中在基因聚合(Genepyramiding)、基因渗入(Genetransgression)、根据育种计划构建基因系等方面。
分子标记辅助选择分为前景选择和背景选择。
前景选择是对目的基因的选择,要求标记与目标基因紧密链锁,或者是直接标记目的基因,这样可以确保前景选择的可靠性。
背景选择是指对基因组中除了目标基因的其他部分及遗传背景进行选择,其选择的对象几乎包括了整个基因组。
传统育种存在的缺陷:
种间农艺性状的转移容易受到种间生殖隔离的限制;
通过杂交进行转移优良基因的时候,容易受到连锁累赘的影响;
优良基因转移成功与否依赖于表型的鉴定,受到环境的影响大
转基因育种:
转基因技术可针对目标性状精确改良,不仅省时而且可打破物种的界限,充分利用遗传资源
分子标记辅助选择育种:
MAS育种的本质是通过与目标性状紧密连锁的(或目标性状基因序列本身的)分子标记进行选择从而达到选择目标性状的目的。
与目标性状相关联的QTL/基因分离出以后,可通过标记辅助回交将其转育至优良背景中,即在标记辅助回交过程中,利用已知的标记选择含有最大比例的轮回亲本基因组和最小限度的供体染色体片段的回交后代。
以往回交育种过程中,回复轮回亲本基因组需要回交8代,而标记辅助回交可将回交代数减少至3代就可获得理想个体。
与传统育种比的有点①传统育种过程是对农艺性状进行选择的过程,这些性状多为数量性状,受多位点控制,且受环境影响大。
而MAS是在DNA水平的选择,不受环境影响;
②MAS不受作物发育阶段影响,可在作物的任何生长发育阶段(甚至种子阶段)进行操作,不必等到成熟时或发病时选择,大大加速了育种进程;
③分子标记选择的判别方式为“是”与“否”,与离散的、模糊的数量性状选择相比,该优势更为突出。
尤其是功能标记可对目标基因或数量性状位点进行直接选择,不受育种过程中目标性状QTL/基因与标记间遗传重组的影响,由此可大大提高选择的效率和准确性。
分子设计育种:
在分子标记辅助育种的基础上,随着近年来大量基因组序列数据、高通量基因型和植物表型鉴定技术的发展,众多重要性状功能基因的发掘,以及对分子标记与目标性状关系的深入了解进一步催生了设计育种的概念,即育种家可以根据需要,在电脑上进行模拟,从而设计出理想基因型的品种。
分子设计育种在新基因挖掘、定向引入/改良目标性状、创制新种质材料、改造亲本材料、缩短育种年限、提高选择准确度、提高杂种优势利用率等方面具有传统育种方法不可比拟的优越性。
智能不育杂交制种技术:
隐性核不育的不育性稳定且任何自交系/品种均可作为其恢复系,因难以保持和扩繁而无法在杂交育种中直接应用。
智能不育杂交制种技术利用现代生物技术,将玉米花粉育性恢复基因、花粉失活基因和红色荧光蛋白标记基因组合在一起构建遗传转化载体,通过转基因技术导入到玉米隐性核雄性不育系中,该转基因株系自交后,产生50%的不育系种子(非红色荧光种子)和50%的保持系种子(红色荧光种子),通过机械色选技术有效地将两部分种子分离,正常颜色种子可以繁殖为不育系,用于玉米杂交育种和杂交制种;
红色荧光种子自交可源源不断地产生其本身和正常颜色不育系种子,从而实现一系两用的目的。
智能不育技术有如下几个方面的优势:
①智能不育系不育性稳定,不受环境影响,保障了杂交种纯度及制种安全;
②配组自由,可以大大提高杂种优势的资源利用率;
③智能不育系不育性状遗传行为简单,不受遗传背景影响,易于开展优良性状的聚合育种,快速选育出优质、高产、多抗、广适的杂交组合,有利于扩大杂交种适应区域;
④育性恢复基因与花粉失活基因紧密连锁,不仅阻断了转基因成分通过花粉漂移,而且实现了用转基因手段生产非转基因不育系种子和杂交稻种子。
八关联分析原理及基本步骤,在育种中的应用,常见问题及解决方法
全基因组关联分析(Genome-wideassociationstudy;
GWAS)是应用基因组中数以百万计的单核苷酸多态性(singlenucleotideploymorphism,SNP)为分子遗传标记,进行全基因组水平上的对照分析或相关性分析,通过比较发现影响复杂性状的基因变异的一种新策略。
随着基因组学研究以及基因芯片技术的发展,人们已通过GWAS方法发现并鉴定了大量与复杂性状相关联的遗传变异。
近年来,这种方法在农业动物重要经济性状主效基因的筛查和鉴定中得到了应用。
全基因组关联方法首先在人类医学领域的研究中得到了极大的重视和应用,尤其是其在复杂疾病研究领域中的应用,使许多重要的复杂疾病的研究取得了突破性进展,因而,全基因组关联分析研究方法的设计原理得到重视。
人类的疾病分为单基因疾病和复杂性疾病。
单基因疾病是指由于单个基因的突变导致的疾病,通过家系连锁分析的定位克隆方法,人们已发现了囊性纤维化、亨廷顿病等大量单基因疾病的致病基因,这些单基因的突变改变了相应的编码蛋白氨基酸序列或者产量,从而产生了符合孟德尔遗传方式的疾病表型。
复杂性疾病是指由于遗传和环境因素的共同作用引起的疾病。
目前已经鉴定出的与人类复杂性疾病相关联的SNP位点有439个。
全基因组关联分析技术的重大革新及其应用,极大地推动了基因组医学的发展。
动物重要经济性状即复杂性状GWAS分析方法的原理是,借助于SNP分子遗传标记,进行总体关联分析,在全基因组范围内选择遗传变异进行基因分型,比较异常和对照组之间每个遗传变异及其频率的差异,统计分析每个变异与目标性状之间的关联性大小,选出最相关的遗传变异进行验证,并根据验证结果最终确认其与目标性状之间的相关性。
GWAS的具体研究方法与传统的候选基因法相类似。
最早主要是用单阶段方法,即选择足够多的样本,一次性地在所有研究对象中对目标SNP进行基因分型,然后分析每个SNP与目标性状的关联,统计分析关联强度。
目前GWAS研究主要采用两阶段或多阶段方法。
在第一阶段用覆盖全基因组范围的SNP进行对照分析,统计分析后筛选出较少数量的阳性SNP进行第二阶段或随后的多阶段中采用更大样本的对照样本群进行基因分型,然后结合两阶段或多阶段的结果进行分析。
这种设计需要保证第一阶段筛选与目标性状相关SNP的敏感性和特异性,尽量减少分析的假阳性或假阴性,并在第二阶段应用大量样本群进行基因分型验证。
虽然GWAS结果在很大程度上增加了对复杂性状分子遗传机制的理解,但也显现出很大的局限性。
首先,通过统计分析遗传因素和复杂性状的关系,确定与特定复杂性状关联的功能性位点存在一定难度。
通过GWAS发现的许多SNP位点并不影响蛋白质中的氨基酸,甚至许多SNP位点不在蛋白编码开放阅读框(openreadingframe,ORF)内,这为解释SNP位点与复杂性状之间的关系造成了困难。
但是,由于复杂性状很大程度上是由数量性状的微效多基因决定的,SNP位点可能通过影响基因表达量对这些数量性状产生轻微的作用,它们在RNA的转录或翻译效率上发挥作用,可能在基因表达上产生短暂的或依赖时空的多种影响,刺激调节基因的转录表达或影响其RNA剪接方式。
因此,在找寻相关变异时应同时注意到编码区和调控区位点变异的重要性。
其次,等位基因结构(数量、类型、作用大小和易感性变异频率)在不同性状中可能具有不同的特征。
在GWAS研究后要确定一个基因型-表型因果关系还有许多困难,由于连锁不平衡的原因,相邻的SNP之间会有连锁现象发生。
同样,在测序时同样存在连锁不平衡现象,而且即使测序的费用降到非常低的水平,要想如GWAS研究一般地获得大量样本的基因组数据还是非常困难的。
但是,随着基因组研究和基因芯片技术的不断发展和完善,必将迎来GWAS的广泛应用。
关联分析以连锁不平衡为基础鉴定某一群体内性状与遗传标记或候选基因间的关系。
连锁不平衡是不同基因座位上等位基因的非随机组合。
当位于某一座位的特定等位基因与同一条染色体另一座位的某一等位基因同时出现的几率大于群体中因随机分布而使两个等位基因同时出现的几率时,就称这两个座位处于LD状态。
与连锁分析相比,关联分析优点有三,
(1)花费的时间少,一般以现有的自然群体为材料,无需构建专门的作图群体。
(2)广度大,可以同时检测同一座位的多个等位基因。
(3)精度高,可达到单基因的水平
关联分析的基本步骤:
群体选择;
估算群体结构;
性状考察;
多态性检测;
统计分析.
关联分析的应用:
1关联分析进行功能基因的验证,对那些很难通过遗传转化验证基因功能的基因位点,
2关联分析进行功能标记的开发,从而用于标记辅助选择。
开发过程:
在多个材料中对目
标性状进行调查,对目标基因进行序列分析,结合性状和基因序列信息进行基于连锁不平衡的关联分析,开发最优等位基因的功能标记
3关联分析进行数量性状的研究,全基因组关联分析可定位到更多的QTLs,候选基因关联分析可用于寻找最优的等位基因型
影响关联分析的因素
1标记数量,在全基因组扫描中,用标记对目标性状表型变异有贡献的所有座位进行扫描,需要大量分子标记。
解决办法:
1利用LD程度高的群体进行全基因组关联分析,可减少使用的标记数量。
2连锁分析和关联分析相结合,根据连锁分析的结果,选择效应值比较大的QTL位点,利用更多的标记对自然群体进行LD分析,对目标位点进行精细定位,然后根据已知基因组的信息选择适当的候选基因进行关联分析。
2群体结构,指的是一个群体内存在多个亚群。
亚群的混合使整个群体的LD强度增强,可能导致不连锁的多态性基因位点与性状的关联,从而得出假阳性结果。
利用大量的不连锁、随机分别的SSR或RFLP标记对群体进行分析,再用统计方法消除群体结构和假阳性
3LD衰减距离,LD衰减距离越小,用更多的分子标记分析
九高通量基因型
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