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        通用引物多重PCR技術檢測3種病原微生物

        2011-03-31 03:28:30許文濤元延芳梁志宏翟志芳張雅楠羅云波黃昆侖
        食品科學 2011年10期
        關鍵詞:李斯特條帶病原

        商 穎,許文濤,,元延芳,梁志宏,石 慧,翟志芳,張雅楠,羅云波,,黃昆侖,,*

        (1.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院,北京 100083;2.農業(yè)部轉基因生物食用安全監(jiān)督檢驗測試中心(北京),北京 100083)

        通用引物多重PCR技術檢測3種病原微生物

        商 穎1,許文濤1,2,元延芳2,梁志宏2,石 慧1,翟志芳1,張雅楠2,羅云波1,2,黃昆侖1,2,*

        (1.中國農業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院,北京 100083;2.農業(yè)部轉基因生物食用安全監(jiān)督檢驗測試中心(北京),北京 100083)

        為尋找快速且準確的病原微生物檢測方法,在普通多重PCR(polymerase chain reaction)技術的基礎上研究一種新的通用引物多重PCR(universal primers-multiplex PCR,UP-M-PCR)技術。利用該技術對食品中主要的3種致病菌——大腸桿菌、單增李斯特菌和沙門氏菌進行同時檢測,經過單重PCR驗證、二重以及三重UP-PCR反應條件和體系優(yōu)化。結果表明,該方法的最低檢測限為0.5pg目標DNA,復合引物和通用引物的加入量分別為2nmol/L和300nmol/L。此方法檢測靈敏度高、病原菌檢測限低,可在實踐中應用。

        大腸桿菌;單增李斯特菌;沙門氏菌;通用引物;多重PCR

        食品是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎,食品安全關系到人體健康和國計民生,食源性致病菌檢驗更是食品安全檢驗的重中之重。近些年來,世界范圍內大規(guī)模的生物性污染引起的食源性疾病爆發(fā)事件屢屢發(fā)生,如日本的出血性大腸埃希菌O157:H7污染、法國的李斯特菌中毒、美國的沙門氏菌屬污染等,食品安全已成為世界性公共衛(wèi)生問題,而以上3種菌也是存在于食物中并且導致食源性疾病的最主要病原菌[1]。

        目前對食源性致病菌的檢測仍主要依靠傳統(tǒng)的細菌培養(yǎng)、血清學、生化鑒定等方法,這些方法不但檢測周期長,而且操作繁瑣復雜,特異性、靈敏度均較低,無法對人工難以培養(yǎng)的病原細菌進行檢測[2-3],以上缺點都限制了傳統(tǒng)檢測方法的應用。隨著現(xiàn)代免疫學和分子生物學理論和技術的不斷發(fā)展,聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)技術因其特異性強、靈敏度高、操作簡單,而被廣泛應用于食品病原細菌的檢測中。由于單一PCR檢測成本高,食品樣品中往往存在的病原細菌種類很多,有可能涉及不同種和型別的細菌,人們進而開發(fā)了多重PCR技術[4-6]。多重PCR是在常規(guī)PCR基礎上改進并發(fā)展起來的一種新型PCR擴增技術,是在同一反應體系中加入多對引物同時擴增多條目的DNA片段的方法[7-8]。但是,通常情況下由于引物的性質差異,每個特異性引物的擴增效率不同,擴增產物比例不一致,使得有些目的基因得不到清晰的擴增條帶,有時也會出現(xiàn)假陽性[9]。

        本研究在普通多重PCR的基礎上,建立起一種通用引物——多重PCR技術(universal primer-multiplex PCR,PU-M-PCR),此技術可以克服普通多重PCR擴增效率不一致等的缺點,提高檢測靈敏度,降低檢測成本和檢測限,從而為簡便、快速、準確的檢測病原微生物提供一種新方法。

        1 材料與方法

        1.1 菌株以及培養(yǎng)

        沙門氏菌Salmonella spp.(strains CGMCC 1.0090和CGMCC 1.1552) 中國科學院微生物所;單增李斯特菌L. monocytogenes(strains CMCC 55004和CMCC 55007) 中國獸醫(yī)藥品監(jiān)察所;非致病性大腸桿菌E. coli (BL21)和E. coli (JM109) 本實驗室分離;E. coli O157:H7 EDL933中國預防醫(yī)學科學院流行病微生物學研究所景懷奇研究員饋贈。

        菌株凍干粉的活化條件:LB培養(yǎng)基(10g/L胰蛋白胨、5g/L酵母浸粉、10g/L NaCl和15g/L瓊脂)或胰酶解大豆酪蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基(胰酶解大豆酪蛋白肉湯、18g/L瓊脂)、37℃過夜培養(yǎng)。

        活化后細菌的培養(yǎng)條件:選取單菌落于50mL LB液體培養(yǎng)基或500mL胰酶解大豆酪蛋白肉湯培養(yǎng)基,200r/min搖床培養(yǎng)20~22h。

        1.2 基因組DNA提取

        表1 引物序列Table1 Primer sequences used in this study

        純菌培養(yǎng)物基因組提?。?mL菌懸液(OD>1.8) 8000r/min離心5min,1.5mL PBS緩沖液洗滌沉淀并且重懸,反復兩次。采用優(yōu)化的CTAB法提取細菌基因組DNA[10-11]。

        將基因組DNA溶于300μL TE緩沖液;采用Wizard DNA Purification Kit(美國普洛麥格公司)對DNA進行純化;純化后,用 Pico Green試劑對DNA進行熒光定量。特異性和靈敏性測試時,用雙蒸水稀釋目的基因組。

        1.3 引物序列

        大腸桿菌、單增李斯特菌和沙門氏菌的特異引物分別為Ecoli 670-F/R、LM404-F/R、Sal284-R/F[12-14]。UPM-PCR體系中,用于檢測大腸桿菌、單增李斯特菌和沙門氏菌的復合引物在以上3種特異性引物5′端接上一段新序列——CCTTCCTTCCTTCCCCCC,此序列即為本研究新PCR體系中的通用引物UP。各引物序列如表1所示。

        1.4 復合引物單重PCR特異性驗證

        復合引物是在普通特異性引物的5′端接上一段序列,其特異性與普通引物特異性是否一致,以及擴增產物片度大小是否相同有待于對比。在此部分的研究中同時進行兩組對比實驗,其中反應體系中,一組的引物為普通引物,另一組為復合引物,其余試劑均相同。熱循環(huán)程序為:94℃變性5min;94℃、30s,56℃、30s,72℃、50s,35個循環(huán);最后72℃延伸10min。PCR反應產物用2%(質量濃度)的瓊脂糖凝膠電泳分離。

        1.5 通用引物多重PCR(UP-M-PCR)反應原理及反應條件

        與普通多重PCR體系相比,UP-M-PCR體系中除了含有3對目的基因復合特異性引物之外,還含有一對通用引物UP。在PCR反應的前10個循環(huán),復合引物主要發(fā)揮作用,進行擴增,而通用引物UP由于沒有目標模板,無法進行擴增。當特異性引物用盡,擴增產物得到一定程度的積累,通用引物開始以得到的產物為模板,進行序列擴增。本研究對此方法的可行性進行驗證。

        UP-M-PCR體系中,復合引物的特異性根據(jù)溫度溶解曲線-SYBR GREENⅠPCR方法測試[11],并且采用單重、二重、三重PCR對3種引物的比例進行優(yōu)化。由于PCR反應中,鎂離子的濃度是影響擴增特異性的一個重要因素[15-17],因此,在UP-M-PCR體系中MgCl2含量為1.8mmol/L,比單重PCR含量稍高。優(yōu)化后的體系為1.8mmol/L MgCl2、200μmmol/L dNTPs和1.5U DNA聚合酶、300nmol/L通用引物、2nmol/L每個復合引物。模板加入量從500、50、5、0.5、0.05pg依次進行測試,反應總體系為30μL,剩余體積用雙蒸水補齊。

        采用梯度PCR進行退火溫度的優(yōu)化,退火溫度范圍為56~64℃。最終熱循環(huán)程序為:94℃變性5min;94℃、30s,60℃、30s,72℃、50s,35個循環(huán);最后72℃延伸10min。

        普通多重PCR中不含通用引物,除了特異引物的含量為300nmol/L,其他試劑量與UP-M-PCR體系相同。熱循環(huán)程序為:94℃變性5min;94℃、30s,56℃、30s,72℃、50s,35個循環(huán);最后72℃延伸10min。PCR反應產物用2%的瓊脂糖凝膠電泳分離。

        2 結果與分析

        2.1 復合引物特異性驗證

        由于復合引物是在普通引物的5′端加了一段通用引物序列,因此通用引物擴增得到的產物片段較普通引物擴增的產物片段大36bp,所以2、3、4泳道的條帶較5、6、7泳道的條帶位置略低。此部分研究的結果如圖1所示,每一對引物都得到相應特異性的擴增條帶,且目的條帶的亮度相似。說明復合引物與普通引物對目的片段的特異性一致。

        圖1 復合引物特異性驗證Fig.1 Verification of the specificity of composite specific primers

        2.2 通用引物單重PCR可行性驗證

        此部分的研究中,一組單重PCR反應體系中只加入復合引物,另一組反應體系除了加入復合引物外,還加入了通用引物,結果如圖2、3所示。由圖可知,當復合引物加入量降低到2nmol/L時,已經得不到擴增條帶。而當復合引物量為2nmol/L,同時加入300nmol/L通用引物,得到的條帶依然非常清晰,與圖2第2泳道得到的擴增產物量相當。因此,為了優(yōu)化UP-M-PCR反應體系,復合引物和通用引物的加入量即可分別定為2nmol/L和300nmol/L。

        圖2 復合引物單重PCR結果Fig.2 Composite specific primers in single PCR

        圖3 通用引物單重PCR可行性驗證結果Fig.3 Feasibility of universal primers in single PCR

        2.3 通用引物多重PCR可行性驗證

        圖4 通用引物二重PCR可行性驗證結果Fig.4 Feasibility of universal primers in duplex PCR

        在反應體系中逐漸減少復合引物的加入量,以優(yōu)化反應條件。結果如圖4所示,其中706bp和440bp為大腸桿菌O157和單增李斯特菌的特異性條帶。由圖可知,當兩對復合引物的加入量都在2nmol/L時,已得不到目的條帶;相反,當復合引物的加入量為2nmol/L,同時加入300nmol/L通用引物,依然可以得到非常清晰的目的條帶。此結果與2.2節(jié)得到的結果一致。

        2.4 UP-M-PCR特異性和靈敏度

        為研究同時加入3對復合引物是否會產生非特異條帶,進行4組多重UP-PCR。每組PCR反應體系包括3對復合引物各2nmol/L、通用引物300nmol/L、模板為3種致病菌基因組DNA的混合物。結果如圖5所示,其中706、440bp和320bp分別為大腸桿菌O157、單增李斯特菌和沙門氏菌的特異性條帶,每對引物的特異性很高,在整個體系中引物對之間同時存在,沒有出現(xiàn)非特異性條帶。

        圖5 UP-M-PCR特異性驗證結果Fig.5 Specificity of the developed UP-M-PCR method

        圖6 UP-M-PCR靈敏度驗證Fig.6 Sensitivity of the developed UP-M-PCR method

        靈敏度測試結果如圖6所示,擴增效率隨模板量減少而降低,同時條帶的清晰度也隨之下降,當模板量減少至0.05pg時,已得不到目的條帶。所以,UP-MPCR的檢測限為0.5pg目標DNA。

        3 討 論

        通用引物三重PCR體系中,反應的前10個循環(huán),復合特異性引物主要發(fā)揮作用,進行擴增,而通用引物UP由于沒有目標模板,無法進行擴增。當特異性引物用盡,擴增產物得到一定程度的積累,通用引物開始以得到的產物為模板,進行序列擴增,最終產生3個不同長度的目的片段。體系中,復合引物的加入量從200nmol/L減少到2nmol/L時,若不加通用引物,隨著引物量的減少,擴增條帶的清晰度依次降低,直至最后擴增不到擴增條帶。雖然復合引物的加入量僅為2nmol/L,但通過加入通用引物UP,依然可以得到非常清楚的擴增條帶。因此,復合引物的最佳反應濃度為2nmol/L,約為普通多重PCR反應體系中濃度的1%,而通用引物的濃度為正常濃度300nmol/L。因此,UP-MPCR體系中,總的引物含量較普通三重PCR體系更少,僅為其1/4,不僅可以節(jié)約復合引物消耗,而且通過通用引物消除不用復合引物之間的擴增性質差異。

        在對微生物的檢測中,提高靈敏度和降低檢測限一直是學者們關系的問題,在本研究中,通過對模板加入量的研究得到:當混合模板中,其中有一種目標DNA減少到0.5pg時,依然可以擴增到清晰的條帶,而且無非特異性條帶出現(xiàn)。此方法技術降低了檢測限,提高了檢測的靈敏度,為簡便、快速、準確的檢測病原微生物提供和開辟了一種新方法和手段。對保障食品安全與國民健康具有重要意義。

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        Employing Universal Primers-Multiple PCR to Detect Three Pathogenic Microorganisms

        SHANG Ying1,XU Wen-tao1,2,YUAN Yan-fang2,LIANG Zhi-hong2,SHI Hui1,ZHAI Zhi-fang1,ZHANG Ya-nan2,LUO Yun-bo1,2,HUANG Kun-lun1,2,*
        (1. College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China;2. Supervision, Inspection & Testing Center of Genetically Modified Food Safety, Ministry of Agriculture, Beijing 100083, China)

        A fast, accurate and novel universal primers-multiplex PCR (UP-M-PCR) method was developed to detect three common pathogenic microorganisms in food matrices simultaneously: Escherichia coli, Listeria monocytogenes and Salmonella spp. The specificity of the constructed complex primers was verified by single-PCR, and the duplex and triplex-PCR reaction systems and conditions were optimized. The developed method had a limit of detection of 0.5 pg target DNA. The additions of the complex specific primers and universal primers were 2 nmol/L and 300 nmol/L, respectively. The new UP-M-PCR method has the advantages of high sensitivity and low detection limit and can thus be applied in practice.

        Escherichia coli;Listeria monocytogenes;Salmonella spp.;universal primer;multiplex PCR (polymerase chain reaction)

        Q789;R446.5

        A

        1002-6630(2011)10-0103-04

        2010-06-22

        國家“863”計劃項目(2006AA10Z440);國家自然科學基金項目(30800770);科技部轉基因生物重大專項(2008ZX08012-001)

        商穎(1986—),女,碩士研究生,研究方向為食品安全。E-mail:cauxwt@yahoo.cn

        *通信作者:黃昆侖(1968—),男,教授,博士,研究方向為食品安全。E-mail:hkl009@163.com

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