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        植物油脂DNA 提取方法研究進(jìn)展

        2014-03-27 08:12:36朱立娜陳士華吳興泉
        關(guān)鍵詞:硫氰酸磁珠大豆油

        朱立娜,陳士華,吳興泉

        (河南工業(yè)大學(xué) 生物工程學(xué)院,河南 鄭州 450001)

        0 引言

        近年來,食品安全問題引起人們的廣泛關(guān)注,頻頻爆發(fā)的食品安全事件也使其成為亟需解決的問題.在食用植物油脂領(lǐng)域同樣存在安全問題,例如地溝油、摻偽摻劣油、食用調(diào)和油標(biāo)識(shí)混亂、轉(zhuǎn)基因油脂標(biāo)識(shí)等.在食用植物油脂生產(chǎn)消費(fèi)過程中出現(xiàn)的這些安全問題不僅對(duì)消費(fèi)者的身體健康造成威脅,同時(shí)也損害了消費(fèi)者的合法權(quán)益,破壞消費(fèi)者的消費(fèi)信心,影響了食用油市場(chǎng)的良性發(fā)展.

        以DNA 為靶標(biāo)的分子生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于食用植物油脂的純度測(cè)定、摻偽檢測(cè)、轉(zhuǎn)基因檢測(cè)等,與以脂肪酸、特定代謝物等為靶標(biāo)的其他檢測(cè)方法相比,分子生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)更加穩(wěn)定、可靠.因?yàn)橹舅?、特定代謝物等會(huì)隨著油料作物的生長(zhǎng)環(huán)境、栽培條件等因素的改變而發(fā)生變化,其含量并不恒定,以此為靶標(biāo)會(huì)給檢測(cè)結(jié)果帶來偏差.而DNA 作為生物遺傳物質(zhì)其含量穩(wěn)定不會(huì)受到外界環(huán)境條件的影響,以此為靶標(biāo)的檢測(cè)方法更具有穩(wěn)定性.

        DNA 的富集與有效提取是分子生物學(xué)檢測(cè)技術(shù)在食用植物油脂檢測(cè)中應(yīng)用的前提.由于DNA在食用植物油脂的加工過程中受破壞嚴(yán)重,且含量很低,因此提取難度很大.目前,關(guān)于食用油DNA 的提取方法,已有很多報(bào)道[1-4],但大多為壓榨油脂.與精煉油有所不同,初級(jí)壓榨油不經(jīng)過特殊的加工工藝處理,DNA 保存相對(duì)完整,殘留量相對(duì)較多,因此DNA 提取較精煉油更容易.如Pauli等[5]于粗制的大豆油中提取到DNA,Matteo Busconi等[6]從壓榨橄欖油中提取到DNA 并利用其對(duì)生產(chǎn)品種進(jìn)行了鑒定,覃文等[7]早在2002 年就從市售的食用油中提取到了DNA 并檢測(cè)到了植物內(nèi)源基因.盡管應(yīng)用于植物油脂DNA 提取的方法已有較多報(bào)道,但目前尚未見到對(duì)植物油脂DNA 提取方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、全面評(píng)述的文章.

        將現(xiàn)有的油脂DNA 提取技術(shù)進(jìn)行比較,選擇更高效快速的提取技術(shù)以及對(duì)現(xiàn)有的提取技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化以提高DNA 提取效果已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn).筆者全面介紹了目前應(yīng)用于植物油脂DNA 提取的方法,并進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),以期為開展深入研究提供參考.

        1 植物油脂DNA 提取方法

        1.1 十六烷基三乙基溴化銨(CTAB)法

        1.1.1 CTAB 法原理

        CTAB 法是油脂DNA 提取中應(yīng)用最為普遍的方法,CTAB 不僅可以裂解細(xì)胞,同時(shí)又能很好地去除多酚類、糖類等物質(zhì).CTAB 是一種陽離子去污劑,能夠與核酸形成復(fù)合物,該復(fù)合物在低鹽條件下溶解度降低而沉淀,在高鹽條件下解離,從而使DNA 與多糖等物質(zhì)分開,最后用乙醇沉淀DNA,除去CTAB,獲得純化DNA.

        所用緩沖溶液為Tris-HCl(pH 8.0),緩沖溶液可提供一個(gè)緩沖環(huán)境防止核酸被破壞;EDTA 螯合Mg2+或Mn2+離子,抑制DNase 活性;NaCl 提供一個(gè)高鹽環(huán)境,使DNP 充分溶解于液相中;CTAB 可溶解細(xì)胞膜并結(jié)合核酸,使核酸便于分離.PVP(聚乙烯吡咯烷酮)能與多酚形成一種不溶的絡(luò)合物,也能與多糖結(jié)合,從而有效地去除多酚、多糖類物質(zhì),降低DNA 的污染.

        1.1.2 CTAB 法在植物油脂DNA 提取中的應(yīng)用

        CTAB 提取法能夠有效地去除多糖及酚類物質(zhì),更適用于提取富含酚類及糖類物質(zhì)的植物材料的DNA.為了縮短提取流程,提高提取質(zhì)量,更適合于植物油脂中DNA 的提取,研究人員對(duì)CTAB 法進(jìn)行了改良[8].通過向CTAB 提取緩沖液中加入PVP 和巰基乙醇,經(jīng)酚/三氯甲烷抽提,最后用異丙醇和醋酸銨沉淀油脂中的DNA,取得了不錯(cuò)的效果[9].Innocenzo Muzzalupo 等[4]利用改良CTAB 法從橄欖油中提取出了純度較高的DNA,其改良方法中添加了蛋白酶K,并且在緩沖液中加入2%的β-巰基乙醇,這樣可使蛋白質(zhì)充分降解,也可去除殘留的酚類物質(zhì),保護(hù)DNA 的完整性,使其能夠成功應(yīng)用到后續(xù)的PCR 檢測(cè)技術(shù)當(dāng)中.Matteo Busconi 等[6]采用提高CTAB 濃度的方法,并使用三氯甲烷/辛醇代替三氯甲烷/異戊醇來抽提,提高了橄欖油中DNA 的提取效率.

        1.1.3 CTAB 法的特點(diǎn)

        CTAB 法操作相對(duì)于其他DNA 手提方法簡(jiǎn)單,且成本較低,所使用的試劑及儀器很容易操作和獲得,實(shí)驗(yàn)室普遍適用.但是此方法耗時(shí)較長(zhǎng),容易在提取過程中對(duì)DNA 造成破壞及損失,而且提取過程中所用試劑部分有毒,例如:三氯甲烷、酚等,因此,在食用油DNA 提取方面,CTAB 法存在一定的缺陷,具有局限性.

        1.2 十二烷基磺酸鈉(SDS)法

        1.2.1 SDS 法原理

        SDS 是一種陰離子去污劑,高溫條件下可以裂解細(xì)胞、使蛋白質(zhì)變性、染色體離析,同時(shí)可與多糖、蛋白質(zhì)等物質(zhì)形成復(fù)合物,使核酸釋放出來.通過降低溫度,提高鹽濃度,使SDS-蛋白質(zhì)復(fù)合物溶解度減小,以此來實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)、多糖物質(zhì)的沉淀,進(jìn)而用酚/氯仿抽提上清液,乙醇沉淀DNA.

        常規(guī)SDS 提取液由Tris-HCl、EDTA、NaCl、SDS和巰基乙醇配制而成.最初SDS 法主要應(yīng)用在植物DNA 的提取上,后來經(jīng)過改進(jìn),現(xiàn)在其應(yīng)用范圍更廣,且DNA 的提取質(zhì)量和效率也在不斷提高.

        1.2.2 SDS 方法在植物油脂DNA 提取中的應(yīng)用

        依據(jù)植物油脂特殊的性質(zhì)及特點(diǎn),對(duì)SDS 方法進(jìn)行改良,可以提取到質(zhì)量較高的DNA.Maja Hellebrand 等[10]應(yīng)用SDS 法從菜籽油中成功地提取到DNA,他們?cè)陬A(yù)處理過的菜籽油中加入SDS 緩沖液的同時(shí)加入蛋白酶K,經(jīng)酚/氯仿抽提后用乙醇沉淀DNA,取得了良好的效果.姚菲等[11]也運(yùn)用改良的SDS 法在茶籽油中成功提取到了茶籽DNA,在預(yù)熱的巰基乙醇和SDS 緩沖液中加入鉀鹽提高鹽濃度,以便使SDS-蛋白質(zhì)復(fù)合物溶解度更小,以此來沉淀蛋白質(zhì)、多糖等物質(zhì),最后用氯仿/異戊醇抽提,乙醇漂洗、TE 溶解富集DNA.

        1.2.3 SDS 法的特點(diǎn)

        SDS 法操作相對(duì)溫和簡(jiǎn)單,也可以提取到較完整的DNA,但所提DNA 雜質(zhì)較多,質(zhì)量不高,也有報(bào)道稱CTAB 法所提DNA 的品質(zhì)要高于SDS 法[12-14].

        1.3 高鹽低pH 法

        1.3.1 高鹽低pH 法原理

        高鹽低pH 法利用高鹽沉淀蛋白質(zhì),低pH 介質(zhì)能夠有效防止細(xì)胞破碎及沉淀大量材料時(shí)的電離化作用及酚化合物的進(jìn)一步氧化,從而保證所提DNA 的質(zhì)量.

        高鹽低pH 法的緩沖液通常由NaAC、EDTA、NaCl、PVP、SDS、β-巰基乙醇組成,pH 值為5.5.其酸性條件可避免多酚類物質(zhì)電離化及進(jìn)一步氧化,PVP 可結(jié)合酚類物質(zhì)防止DNA 褐化;高濃度Na+有利于SDS 與蛋白質(zhì)及多糖形成復(fù)合物,然后經(jīng)離心除去,從而徹底去除蛋白質(zhì)和多糖.DNA 存于上層水相,最后用異丙醇抽提去除殘留酚類、蛋白質(zhì)物質(zhì),乙醇漂洗TE 溶解回收DNA.

        1.3.2 改良的高鹽低pH 法

        高鹽低pH 法所提的DNA 相對(duì)分子質(zhì)量較高,不但適用于PCR 反應(yīng),且可用于RLFP 分析.姚菲等[11]在2012 年利用高鹽低pH 法從茶籽油中成功提取到了茶籽DNA.很多研究針對(duì)該方法進(jìn)行改良,通過改變提取緩沖液中β-硫基乙醇的終濃度,增加用酚、氯仿快速抽提的過程,獲得了良好的提取效果[15-16],得到的DNA 可滿足酶切、PCR等分子生物學(xué)分析.

        1.3.3 高鹽低pH 法的特點(diǎn)

        高鹽低pH 法在DNA 提取中應(yīng)用也較廣泛,此方法所用的試劑僅有無機(jī)鹽和異丙醇,而醋酸鉀等又是常用的無機(jī)鹽試劑.而且高鹽低pH 法無需反復(fù)抽提,因此所需材料相對(duì)較少.但高鹽低pH 法無法在多糖物質(zhì)或者次級(jí)代謝產(chǎn)物含量高的組織中提取到高質(zhì)量的DNA,所提取的DNA 中蛋白質(zhì)污染嚴(yán)重、重復(fù)性也不好,因此其應(yīng)用也存在局限性.

        1.4 異硫氰酸胍(GuSCN)法

        1.4.1 異硫氰酸胍(GuSCN)法原理

        異硫氰酸胍是一種蛋白質(zhì)變性劑,它可以迅速破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu),釋放核酸,高濃度的異硫氰酸胍溶液還會(huì)使核酸酶變性,防止核酸降解.異硫氰酸胍裂解液(GuSCN 5 mol/L,Tris-HCl 0.1 mol/L,EDTA 0.02 mol/L,pH 8.0)可裂解細(xì)胞,釋放核酸,Tris-HCl 提供緩沖環(huán)境,防止核酸被破壞,EDTA 結(jié)合二價(jià)金屬離子,抑制核酸酶活性.

        1.4.2 異硫氰酸胍法在植物油脂DNA 提取中的應(yīng)用

        異硫氰酸胍法不但適用于普通動(dòng)植物DNA 提取,還適用于經(jīng)過加工的食用油DNA 提取.Simona Pafundo 等[17]使用Nucleospin Plant 試劑盒(該試劑盒的裂解液中的主要成分之一為異硫氰酸胍)提取橄欖油中的DNA,并將提取的DNA 成功用于AFLP 分析.聞偉剛等[18]在2005 年運(yùn)用此方法從市售的大豆油中提取DNA,他們用異硫氰酸胍裂解液與大豆油混勻乳化,取水相,加蛋白質(zhì)沉淀劑離心沉淀蛋白質(zhì),氯仿抽提,異丙醇去酚類雜質(zhì),離心棄上清,乙醇漂洗收集DNA,但結(jié)果發(fā)現(xiàn)異硫氰酸胍裂解液與大豆油互溶,因此,其不能用于大豆油DNA 的提取.

        1.5 試劑盒法

        試劑盒法提取油脂DNA 已經(jīng)越來越普遍,也是操作最簡(jiǎn)便、最省時(shí)省力的方法.例如油類DNA提取試劑盒,核酸共沉劑法[19]等,特別是QIamp DNA stool kit(QIagen)、Gene Elute Plant Kit(Sigma)、Nucleospin Food 和Nucleospin Plant(Macherey Nagel)已經(jīng)獲得了很好的應(yīng)用效果.Wizard Genomic DNA Purification Kit(Promega 公司)試劑盒方法,其主要成分為異硫氰酸胍.金紅等[20]在2004 年采用DNA 提取試劑盒(中國(guó)農(nóng)科院生物技術(shù)研究所)提取大豆色拉油DNA,結(jié)果證明充分乳化、反復(fù)沉淀以富集小片段DNA、延長(zhǎng)醇沉淀時(shí)間等措施是從精煉食用油中提取DNA 的關(guān)鍵.通過采取上述措施,可有效地從大豆色拉油中提取到DNA,以此為模板可通過PCR 擴(kuò)增得到大豆特異內(nèi)源基因(Lectin 基因).

        1.6 其他方法

        食用油DNA 提取方法中,除以上比較傳統(tǒng)的、應(yīng)用最為廣泛的幾種方法外,還有一些針對(duì)實(shí)驗(yàn)情況,綜合各種改進(jìn)的提取方法,也具有很好的提取效果.

        1.6.1 離心柱法及手提法

        離心柱法是將樹脂或硅膠膜固定在離心管中,在高鹽低pH 值條件下,DNA 選擇性吸附于離心柱內(nèi)的樹脂或膜上,通過漂洗、離心等步驟,去除蛋白和多糖雜質(zhì),最后用低鹽高pH 值的洗脫緩沖液將DNA 從樹脂或硅膠膜上洗脫.Joana Costa 等[21]使用以離心柱法為原理的Nucleospin DNA 提取試劑盒從精煉油中提取到大豆DNA.

        程紅梅等[22]在2007 年利用人工手提法和離心柱法提取精煉大豆油中的DNA,研究證明利用人工手提法從500 mL 大豆油中或利用離心柱法從10 mL 大豆油中均可提取獲得0.4 μg 高純度DNA.他們采用的手提法是將正己烷與油脂充分混勻乳化,沉淀離心取水相,硫酸銨沉淀過夜使蛋白質(zhì)鹽析.離心取沉淀,用酚和氯仿抽提,因DNA存在于上清液中,用乙醇漂洗上清液,富集回收DNA.

        1.6.2 冷凍干燥法

        姚菲等[11]利用冷凍干燥法從茶籽油中提取到茶籽DNA,他們將20 mL 茶籽油與20 mL 無菌水混勻,使DNA 充分溶于水相,取水相-80 ℃冷凍過夜,然后轉(zhuǎn)至真空干燥機(jī)干燥至水分完全蒸發(fā),加入CTAB 緩沖液沖洗,與線性丙烯酰胺、NaAc、無水乙醇混勻沉淀DNA,線性丙烯酰胺作為擔(dān)體提高DNA 提取效率,棄上清液乙醇漂洗DNA,無菌水溶解收集DNA.

        1.6.3 磁珠法

        磁珠法的原理是將細(xì)胞中游離的核酸分子吸附到磁性顆粒表面,蛋白質(zhì)等雜質(zhì)留在溶液中.在磁場(chǎng)作用下,磁性顆粒與液體分開,回收顆粒(即磁珠-DNA 混合物),再用洗脫液洗脫即可以得到純凈的DNA.

        利用磁珠法提取的DNA 質(zhì)量高、純度好,已經(jīng)被應(yīng)用于多種復(fù)雜及深加工食品的DNA 提取.Wu等[1]比較了Wizard 磁珠純化試劑盒和CTAB 法對(duì)大豆油DNA 的提取效率,發(fā)現(xiàn)磁珠法提取DNA 的lectin 基因擴(kuò)增效率更高.Catherine 等[23]對(duì)比Wizard 試劑盒磁珠、硅膠和羥基磷灰石3 種材料吸附提取橄欖油中的DNA,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Wizard 磁珠試劑盒法對(duì)橄欖油DNA 提取效果最好,提取的DNA 可用于微衛(wèi)星分析.磁珠法提取的DNA 相對(duì)分子質(zhì)量高、純度好、質(zhì)量可靠,且不需要離心、操作簡(jiǎn)單、試劑簡(jiǎn)單,基本達(dá)到核酸自動(dòng)化提取的要求,也是未來核酸提取的發(fā)展方向.

        1.6.4 擔(dān)體法

        在食用油DNA提取過程中,加入適量的DNA或者RNA等物質(zhì)作為擔(dān)體,可以提高DNA的提取效率,且所加擔(dān)體一般要選擇與目的DNA物種關(guān)系較遠(yuǎn)的物種的DNA或者RNA.

        覃文等[7]在用異丙醇沉淀油脂DNA 之前加入植物基因組DNA 作為擔(dān)體,獲得良好的提取效果.白立群等[24]在大豆油DNA 富集過程中,比較了以線性丙烯酰胺和鮭魚精DNA 為擔(dān)體的效果,發(fā)現(xiàn)前者富集的DNA 擴(kuò)增效率更高.Giménez 等[25]在提取橄欖油DNA 過程中,也使用了線性丙烯酰胺作為擔(dān)體,且提取效果顯著.王澎等[26]在提取大豆油中DNA 過程中,在用無水乙醇沉淀DNA 時(shí)加入少量東北大豆黑衣33 號(hào)DNA 作為擔(dān)體,不僅能夠提高大豆油中DNA 的得率,而且不會(huì)影響轉(zhuǎn)基因檢測(cè)的結(jié)果,從而為轉(zhuǎn)基因深加工產(chǎn)品檢測(cè)過程中的DNA 提取提供了新的手段.

        2 植物油脂DNA 提取方法的綜合評(píng)價(jià)

        應(yīng)用于植物油脂DNA 的提取方法很多,對(duì)這些方法的提取效果、成本、復(fù)雜度等方面進(jìn)行全面的綜合評(píng)價(jià)可為今后的研究工作提供指導(dǎo).姚菲等[11]對(duì)高鹽低pH 法、改良SDS 法、冷凍干燥法、試劑盒法、手提法進(jìn)行了對(duì)比分析,欒鳳俠等[27]比較了CTAB 法和離心柱法提取精煉大豆油DNA 的效果,結(jié)果表明離心柱法操作簡(jiǎn)單快速,提取的DNA質(zhì)量高,效果顯著優(yōu)于CTAB 法.Andreas Zimmermann 等[28]比較了SDS 法、離心柱法、CTAB 法等9種DNA 提取方法在提取大豆深加工產(chǎn)品中的效果,并從DNA 質(zhì)量和產(chǎn)量?jī)蓚€(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià).他們發(fā)現(xiàn),離心柱法提取的DNA 質(zhì)量高、易進(jìn)行PCR擴(kuò)增,但提取量相對(duì)較低;與之相比,CTAB、SDS 等方法雖然提取的DNA 質(zhì)量低,含有PCR 抑制劑,但其提取量卻較高.Angela Di Pinto 等[29]也發(fā)現(xiàn),試劑盒中采用的磁珠法和離心柱法與CTAB 法和SDS 法相比,含有相對(duì)較少的污染物和PCR 抑制劑.對(duì)上述植物油脂DNA 提取方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),結(jié)果見表1.

        雖然CTAB 法和SDS 法提取的DNA 可以滿足后續(xù)試驗(yàn)要求,但其提取耗時(shí)、費(fèi)力,提取過程中DNA 損失較大,且所提DNA 質(zhì)量不高,有些提取試劑例如:酚、三氯甲烷有毒,損害操作者的身體健康.因此,其使用有一定的缺陷.磁珠法和離心柱法多被應(yīng)用于提取試劑盒,除去了三氯甲烷、酚等有毒試劑,操作安全可靠,且提取的DNA 質(zhì)量較好,用時(shí)較短、操作簡(jiǎn)便、但成本高.冷凍干燥法及乳化法操作步驟簡(jiǎn)單,提取過程中DNA 損失量少,富集程度較好.

        表1 植物油脂DNA提取方法的綜合比較

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