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        利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR特異檢測(cè)多環(huán)芳烴污染土壤中的外源降解菌

        2018-06-29 05:06:44鄭立穩(wěn)王加寧黃玉杰張思玉高永超陳貫虹郭書(shū)海王磊磊
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:定量特異性引物

        張 聞, 鄭立穩(wěn), 王加寧, 黃玉杰, 張思玉, 高永超, 陳貫虹, 郭書(shū)海,, 季 蕾, 王磊磊

        [1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)/山東省科學(xué)院生態(tài)研究所/山東省應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東濟(jì)南 250103;2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所,遼寧沈陽(yáng) 110164]

        多環(huán)芳烴是環(huán)境中廣泛存在的一類典型持久性有機(jī)污染物,污染范圍大、涉及面廣,并呈現(xiàn)加重的趨勢(shì)[1-2],治理多環(huán)芳烴污染迫在眉睫。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多環(huán)芳烴污染修復(fù)技術(shù)開(kāi)展了大量研究,主要有物理、化學(xué)、生物修復(fù)[3-6],其中生物修復(fù)因具有成本低、無(wú)二次污染、可大面積應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)而受到重視。生物強(qiáng)化法是生物修復(fù)的重要手段之一,其主體是人為投加有高效降解能力的降解菌或菌群,這些微生物可以通過(guò)從土著菌中篩選馴化獲得、對(duì)土著菌進(jìn)行物理化學(xué)誘變后篩選獲得、通過(guò)基因工程構(gòu)建獲得,降解菌的濃度可控,降解能力強(qiáng)。外源降解菌進(jìn)入污染環(huán)境后,會(huì)受污染物脅迫,并與土著菌競(jìng)爭(zhēng),其存活和增殖情況在整個(gè)修復(fù)期內(nèi)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化。外源降解菌的豐度與分布直接關(guān)系著修復(fù)效果。對(duì)降解菌進(jìn)行實(shí)時(shí)定量追蹤,可準(zhǔn)確了解其進(jìn)入土壤后的存活、增殖情況,從而為改進(jìn)修復(fù)時(shí)菌劑的投加量和投加方式提供理論指導(dǎo),因此有必要開(kāi)發(fā)出特定外源降解菌在土壤中數(shù)量的檢測(cè)方法。

        傳統(tǒng)的微生物數(shù)量檢測(cè)方法有稀釋平板法、血球計(jì)數(shù)板法等,但這些方法只能對(duì)樣品中的全部微生物進(jìn)行無(wú)差別的計(jì)數(shù),無(wú)法對(duì)樣品中的微生物進(jìn)行準(zhǔn)確的種屬區(qū)分,因此無(wú)法排除環(huán)境樣品中土著微生物的干擾對(duì)特定菌株進(jìn)行數(shù)量檢測(cè)。實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)[7-10]可以準(zhǔn)確定量特定類群微生物的數(shù)量,具有靈敏度高、精確性好、特異性強(qiáng)、安全快速等優(yōu)點(diǎn)[11-13],已被應(yīng)用于檢測(cè)環(huán)境樣品中的目標(biāo)微生物。目前,基于實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)對(duì)有機(jī)污染土壤及其他環(huán)境樣品中微生物的定量方法多以16S/18S rDNA、ITS或功能基因?yàn)槟康幕騕14-15],研究多集中于某類或某幾類土著降解菌,缺少對(duì)某種特定外源降解菌進(jìn)入環(huán)境后數(shù)量、分布情況的關(guān)注。本研究針對(duì)外源多環(huán)芳烴降解菌,篩選出其特異性基因序列及特異引物,構(gòu)建實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng)體系,將其應(yīng)用于污染土壤中外源降解菌的檢測(cè),并驗(yàn)證其可行性。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)菌株

        多環(huán)芳烴降解菌假單胞菌(Psedomonassp.)PPZ-1菌株分離自多環(huán)芳烴污染土壤,保藏于中國(guó)微生物菌種保藏管理委員會(huì)普通微生物中心,菌種保藏號(hào)為CGMCC No. 12596。將菌株送至北京諾禾致源科技股份有限公司進(jìn)行基因組框架圖測(cè)序,得到編碼基因預(yù)測(cè)結(jié)果。

        1.2 試驗(yàn)土壤

        土壤樣品分別采自山東濟(jì)南(36°42′29″N,117°04′40″E)、浙江永康(29°00′17″N,120°14′36″E)地區(qū)的農(nóng)田,采樣時(shí)間為2017年1月。2種土壤樣品質(zhì)地分別為壤土、沙壤土,分別命名為土1、土2。土壤樣品的部分理化性質(zhì)如下:pH值分別為8.25、5.57;有機(jī)質(zhì)含量分別為5.2%、3.1%;陽(yáng)離子交換量分別為22.6、11.8 cmol/kg;全氮含量分別為2.28、2.05 g/kg;全磷含量分別為0.96、0.42 g/kg;全鉀含量分別為13、16 g/kg。檢測(cè)土壤中多環(huán)芳烴模式化合物菲的本底含量分別為194、748 μg/kg,向土壤中加入菲使其濃度為 100 mg/kg,老化2周,以刺激土著降解菌的生長(zhǎng)。

        1.3 主要試劑

        LB培養(yǎng)基,購(gòu)自北京索萊寶科技有限公司;TaqDNA聚合酶、10×PCR buffer(無(wú)Mg2+,100 mmol/L Tris-HCl,pH值為8.8,25 ℃,500 mmol/L KCl,0.8%乙基苯基聚乙二醇)、MgCl2(25 mmol/L)、dNTP(10 mmol/L)、Marker、6×DNA Loading Dye、10×TAE(400 mmol/L Tris-acetate,10 mmol/L EDTA,pH值為8.0)、引物、細(xì)菌基因組DNA抽提試劑盒(B518225)、土壤基因組DNA抽提試劑盒(B618763)、4S Red Plus核酸染色劑(BBI A606695)、瓊脂糖-柱式DNA膠回收試劑盒(SK8131)、一步法快速感受態(tài)細(xì)胞制備試劑盒(SK9307)、SanPrep柱式質(zhì)粒DNA小量抽提試劑盒(SK8191),均購(gòu)自生工生物工程(上海)股份有限公司;pMD? 18-T Vector,購(gòu)自寶生物工程(大連)有限公司。

        1.4 主要儀器

        HC-2518R高速冷凍離心機(jī),購(gòu)自安徽中科中佳科學(xué)儀器有限公司;DYY-6C型穩(wěn)壓穩(wěn)流電泳儀,購(gòu)自北京六一生物科技有限公司;FR980凝膠成像系統(tǒng),購(gòu)自上海復(fù)日科技有限公司;TU-1901紫外分光光度計(jì),購(gòu)自北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;PCR反應(yīng)擴(kuò)增儀,購(gòu)自美國(guó)Bio-Rad公司;3730XL測(cè)序儀,購(gòu)自美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司;StepOne型熒光定量PCR儀,購(gòu)自美國(guó)Thermo Fisher Scientific公司。

        1.5 DNA提取

        使用細(xì)菌及土壤基因組DNA抽提試劑盒,分別提取菌株P(guān)PZ-1、土壤樣品的DNA。提取結(jié)果經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢查,電泳條件為1×TAE,150 V,100 mA,20 min。通過(guò)凝膠成像系統(tǒng)分析試驗(yàn)結(jié)果,于微量分光光度計(jì)下檢測(cè)DNA濃度及D260 nm/D280 nm,-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

        1.6 特異性基因序列的篩選與引物設(shè)計(jì)

        根據(jù)菌株P(guān)PZ-1基因組測(cè)序結(jié)果,將編碼基因分別在通用功能數(shù)據(jù)庫(kù)基因本體(gene ontology,簡(jiǎn)稱GO)、京都基因與基因組百科全書(shū)(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,簡(jiǎn)稱KEGG)、直系同源序列聚類分析(cluster of orthologous groups of proteins,簡(jiǎn)稱COG)、非冗余蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)(non-redundant protein database,簡(jiǎn)稱NR)、蛋白質(zhì)家族數(shù)據(jù)庫(kù)(protein family database,簡(jiǎn)稱Pfam)、Swiss-Prot蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫(kù)(Swiss-Prot protein sequence database,簡(jiǎn)稱Swiss-Prot)等中進(jìn)行Blast比對(duì),篩選未注釋到的基因序列,這些序列即為該菌株可能的特異性基因序列。針對(duì)得到的基因序列,使用PrimerPremier 5.0分別設(shè)計(jì)引物。

        1.7 PCR擴(kuò)增及電泳

        PCR擴(kuò)增體系為25 μL:0.5 μL模板DNA,0.5 μL引物F(10 μmol/L),0.5 μL引物R(10 μmol/L),0.5 μL dNTP(10 mmol/L),2.5 μLTaqbuffer(10×),2.0 μL MgCl2(25 mmol/L),0.2 μLTaq酶(5 U/μL),18.3 μL ddH2O。PCR反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性3 min;94 ℃變性30 s,57 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,35個(gè)循環(huán);72 ℃修復(fù)延伸8 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢查,電泳條件同“1.5”節(jié)。通過(guò)凝膠成像系統(tǒng)分析試驗(yàn)結(jié)果,選擇菌株擴(kuò)增成功,而土壤樣品擴(kuò)增失敗的基因序列及相應(yīng)引物作為后續(xù)目標(biāo)序列及特異性引物,確定特異性序列,切膠回收,克隆測(cè)序。

        1.8 質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)品的制備

        將目的條帶用手術(shù)刀切下,用試劑盒回收,與T載體連接,轉(zhuǎn)化進(jìn)入大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞內(nèi),涂布于氨芐青霉素抗性平板,置于37 ℃環(huán)境中培養(yǎng)24 h,挑選單克隆于液體LB培養(yǎng)基中培養(yǎng)24 h,提取質(zhì)粒;以質(zhì)粒為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增,獲得陽(yáng)性目標(biāo)質(zhì)粒。質(zhì)粒經(jīng)測(cè)序鑒定無(wú)誤后用紫外分光光度計(jì)測(cè)定質(zhì)粒的D260 nm,換算成拷貝數(shù)。

        1.9 實(shí)時(shí)熒光定量PCR標(biāo)準(zhǔn)曲線、反應(yīng)體系及條件

        10倍梯度稀釋構(gòu)建好的質(zhì)粒,90 μL稀釋液+10 μL質(zhì)粒。實(shí)時(shí)熒光定量PCR擴(kuò)增體系為20 μL:10 μL 2×SybrGreen qPCR Master Mix,0.4 μL 10 μmol/L引物F,0.4 μL 10 μmol/L引物R,7.2 μL ddH2O,2 μL DNA模板。實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng)條件:95 ℃預(yù)變性3 min;95 ℃變性15 s,57 ℃退火20 s,72 ℃延伸30 s,45個(gè)循環(huán)。

        1.10 實(shí)時(shí)熒光定量PCR法的應(yīng)用可行性

        向2種土壤樣品中分別投加活化后的PPZ-1菌液并混合均勻,使其投加量分別為2.0×109、2.0×107、2.0×105、2.0×103CFU/g,分別標(biāo)為1、2、3、4,同時(shí)設(shè)不加菌液的土壤樣品作為對(duì)照,記作CK。提取土壤樣品的DNA,將其稀釋適當(dāng)倍數(shù)上機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 菌株特異性基因序列與引物

        根據(jù)菌株P(guān)PZ-1的基因組測(cè)序結(jié)果,所篩選的未注釋到的基因序列如下,這些序列即為該菌株可能的特異性基因序列:(1)ATGAGCCACCTCTCCGCCGCCCAGATAAATTCCAT-GGTGGATATAGAATCGGCGCGGACTGATCAAATGCGCACCG-ACGGGTATGCTGTCTGCGGACCTCTCGATATCGACCAGCTTC-AACGGGACATCCACCATGCGCCCAGGCAGATTGCTGCCGTA-ACGGGCTGCGGAACACAGATGACGTTCCGGCAGCGGCACAC-TCAAGCGGTAGAAAACGCTCGTCGTTAA;(2)ATGTTCTCCC-ATGAGTCTCGCAGGCCCCGTGCCGGGTGGGTAGTGACGGTTC-ACCTCTGGTGGCAGATGCGTGGAATGTTGGACCAAGTGGCG-CACTTCCACTTGGAAAAATTCATCAGCGCAGGTTTGCGCGGG-TTTTTCTCGGGGGCGGGAGGTGTTGCTGTTCAGGCAGCGTGT-TTGTTCGGCGCGAACTTGCAGTTCGGTAATTTTGAGGGGGTA-ATGCTTCCTGCTAATCAGTTCGTTGTACCCTGCATCGTTGCCT-TGATAGAGTTCAGTGAACGCAAGGGCAATAGGCCCCGCACA-ATGGTTGGCCACTTTCCCTACCCCGTCAGTGTCTAG;(3)ATG-CTGCCCGGGCCCGTGCTGGGCGTAGACGCGGTCGCGGTGTTT-GAGGTTTACGTGCAGCTTTGCCTTTTTCCGAGTAGGCCAGGC-ACTGCCGCAGATCTTGCAAACATGAGCTACAAGCTCTTCGGC-CATGGTTGCCTCCAGGGTGGCGGGTTATGGGCAGCAGAATTG-GCCGCCGCAGTAAAAGCGGCCGTCGCCGTCATGGTTAGGGA-GGCCGTATTTATTTCCGCAACCGCAGCAAGCAACCTCGCGCA-GCCCTTCGATAAGCTCGGCTCCGCAAGCAGGACAGTTGCCTT-CGTTCTCGGTGACTTCCTGTTTGCCAACCAGCTCACCGCAGG-ATGA;(4)ATGCAGTTTGATTTTCTAAAGATGCTTTCGCTATA-TACCCCTGAGCAGCGTGAAAGATGGCCAAATGATATGTCGC-AATGCTTCGGTACTTGTTTCATCGTTATGTGGCTCATCAATGT-TTTGATTAAACATTTCAAACTGAGCCTGCGGCCCTATATGAAT-GGAGCTACTGAGGTTGGTATGGCGGTGGGCAATGAGAAGCGG-CGGAAGGAGAACCTGCCCGCGATATAG。

        針對(duì)以上基因序列分別設(shè)計(jì)引物,引物核苷酸序列見(jiàn)表1。

        表1 引物核苷酸序列

        分別利用上述引物對(duì)假單胞菌PPZ-1、土1-CK、土2-CK的DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物通過(guò)瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè)。由圖1可知,4對(duì)引物均能成功擴(kuò)增菌株DNA。第1、第3、第4對(duì)引物在土壤樣品DNA相同位置均有模糊條帶存在,說(shuō)明其對(duì)土壤樣品DNA擴(kuò)增出了相同大小的基因片斷,其特異性不足以排除土壤背景DNA的干擾。第2對(duì)引物在土壤樣品相同位置無(wú)明顯條帶,特異性較好。土壤性質(zhì)在一定程度上決定了土著微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性。土1與土2性質(zhì)差異明顯,它們質(zhì)地不同,分屬壤土和砂壤土;pH值不同,分屬堿性土和酸性土;有機(jī)質(zhì)含量、營(yíng)養(yǎng)元素等也有所不同,因此所孕育的微生物種群會(huì)存在差異。土1-CK、土2-CK中有豐富的DNA片斷,以其DNA擴(kuò)增產(chǎn)物與菌株P(guān)PZ-1進(jìn)行比對(duì),可有效篩選出菌株P(guān)PZ-1的特異性引物。對(duì)第2對(duì)引物在NCBI上通過(guò)Blast特異性檢驗(yàn),無(wú)顯著匹配結(jié)果,表明該組引物在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中也是特異的。因此,將第2對(duì)引物及其所對(duì)應(yīng)的基因序列確定為菌株P(guān)PZ-1的特異性引物及特異性基因序列,據(jù)此構(gòu)建實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)體系。

        2.2 實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)體系

        構(gòu)建好的質(zhì)粒濃度為106.02 ng/μL,換算成拷貝數(shù)為 3.46×1010copies/μL。標(biāo)準(zhǔn)曲線最高拷貝數(shù)為1.73×108copies/μL。梯度稀釋樣品擴(kuò)增曲線如圖2所示,每個(gè)稀釋度有3個(gè)平行,從左到右標(biāo)準(zhǔn)品濃度依次為1.73×108、1.73×107、1.73×106、1.73×105、1.73×104、1.73×103copies/μL。曲線較光滑,為典型的“S”形曲線,各循環(huán)閾值(cycle threshold,簡(jiǎn)稱CT值)間隔均勻。

        梯度稀釋樣品熔解曲線如圖3所示,曲線峰值單一,峰值出現(xiàn)在84.73 ℃,表明擴(kuò)增反應(yīng)產(chǎn)物特異性良好且無(wú)引物二聚體影響。

        標(biāo)準(zhǔn)曲線結(jié)果如圖4所示,縱坐標(biāo)是CT值,橫坐標(biāo)是 lg(拷貝數(shù)/μL),斜率為-3.365,擴(kuò)增效率E=(10-1/斜率-1)×100%=(10-1/-3.365-1)×100%=98.233%,相關(guān)系數(shù)r=0.999 9,截距為37.624。

        綜合上述引物檢測(cè)、擴(kuò)增曲線、熔解曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線的結(jié)果,可以確定建立的菌株P(guān)PZ-1實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)體系及反應(yīng)條件合理可靠。

        2.3 實(shí)時(shí)熒光定量PCR法的應(yīng)用可行性

        已有學(xué)者采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)環(huán)境樣品中的有機(jī)污染物降解菌。Tay等利用特異性16S rDNA引物擴(kuò)增2種甲苯降解菌(自養(yǎng)黃色桿菌、分枝桿菌),構(gòu)建實(shí)時(shí)熒光定量PCR方法檢測(cè)污染水中的目標(biāo)菌數(shù)量[16]。王金玉等以功能酶基因鄰苯二酚1,2雙加氧酶的基因序列為目標(biāo)序列,構(gòu)建實(shí)時(shí)熒光定量PCR方法,定量檢測(cè)苯胺降解菌在苯胺廢水生物強(qiáng)化序批式活性污泥系統(tǒng)中的豐度變化[17]。目前,尚未見(jiàn)嚴(yán)格區(qū)分土著降解菌和外源降解菌的研究。對(duì)土壤中的外源降解菌進(jìn)行絕對(duì)定量的關(guān)鍵,在于找到該菌株與土著降解菌、土著同種屬菌具有差異的特異性基因序列設(shè)計(jì)引物,排除土著菌的干擾,同時(shí)還要保證其擴(kuò)增結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        由表2可知,本試驗(yàn)的定量檢測(cè)方法所檢測(cè)出的2種土壤中多環(huán)芳烴降解菌PPZ-1的數(shù)量與理論投加量的數(shù)量級(jí)相同,且對(duì)照土壤中檢測(cè)不到該菌存在,說(shuō)明該檢測(cè)方法能夠有效排除土著菌的干擾,準(zhǔn)確、特異地檢測(cè)出土壤中菌株 PPZ-1 的數(shù)量,從而可以為改進(jìn)修復(fù)時(shí)菌劑的投加量和投加方式提供理論指導(dǎo)。

        表2 土壤中PPZ-1菌株的數(shù)量

        注:ND表示未檢測(cè)到。

        3 結(jié)論

        本研究針對(duì)外源多環(huán)芳烴降解菌PPZ-1,基于基因組測(cè)序結(jié)果,篩選出了適于實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)的特異性基因序列和引物。所篩選的特異性引物在菌株中可以擴(kuò)增出條帶,在土壤樣品相同位置無(wú)明顯條帶,具有較好的特異性。

        以含有特異性基因序列的重組質(zhì)粒為標(biāo)準(zhǔn)品,確定實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng)試驗(yàn)條件,建立標(biāo)準(zhǔn)曲線。標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)為0.999 9,斜率為-3.365,擴(kuò)增效率為98.233%,熔點(diǎn)曲線無(wú)雜峰。實(shí)時(shí)熒光定量PCR檢測(cè)體系及反應(yīng)條件合理可靠。

        將該檢測(cè)方法應(yīng)用于投加了PPZ-1菌株的多環(huán)芳烴污染土壤,驗(yàn)證其可行性。對(duì)污染土壤中的菌株P(guān)PZ-1進(jìn)行絕對(duì)定量檢測(cè),檢測(cè)值與理論值數(shù)量級(jí)相同,說(shuō)明該檢測(cè)方法能夠有效排除土著降解菌、土著同種屬菌以及其他土著菌的干擾,準(zhǔn)確、特異地檢測(cè)出土壤中菌株P(guān)PZ-1的數(shù)量,從而可以為改進(jìn)修復(fù)時(shí)菌劑的投加量和投加方式提供理論指導(dǎo)。

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