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        基質(zhì)輔助激光解吸/電離飛行時(shí)間質(zhì)譜法鑒定檢疫性病菌炭疽菌

        2018-09-05 03:45:16程穎慧楊曉朱章桂明馮建軍
        廣東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年7期
        關(guān)鍵詞:漿果重復(fù)性圖譜

        程穎慧,王 穎,楊曉朱,章桂明,馮建軍,汪 瑩

        (1.深圳市仙湖植物園,廣東 深圳 518000;2.深圳出入境檢驗(yàn)檢疫局,廣東 深圳 518045;3.廣東生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院,廣東 廣州 510520)

        咖啡漿果炭疽?。╟offee berry disease)是由Colletotrichum kahawaeJ. M. Waller et Bridge引起的咖啡上的一種毀滅性病害,病原菌屬于真菌界(Fungi)、無性型真菌(Anamorphic fungi)、炭疽菌屬(Colletotrichum),寄主主要有阿拉伯種咖啡(Coffea arabica)、甘弗拉種咖啡(C. canephora)、利比里亞種咖啡(C.liberica)。咖啡漿果炭疽病菌主要分布在安哥拉、布隆迪、喀麥隆、中非、剛果(布)、剛果(金)、埃塞俄比亞、肯尼亞、馬拉維、莫桑比克、盧旺達(dá)、坦桑尼亞、烏干達(dá)、贊比亞、津巴布韋、古巴等國家,嚴(yán)重影響這些國家咖啡種植業(yè),造成的經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)到60%,喀麥隆曾報(bào)道造成損失高達(dá)90%[1-2]。

        炭疽菌屬在分類鑒定上,比較形態(tài)學(xué)及致病性測定等鑒定方法潛在問題很多,不論是比較形態(tài)學(xué)還是分子生物學(xué)手段,都不能很好地解決炭疽菌的分類難題[3]?;|(zhì)輔助激光解吸/電離(Matrix-assisted laser desorption/ionization,MALDI)技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)上應(yīng)用較多,特別是細(xì)菌的分型鑒定中應(yīng)用較為廣泛且成熟,而在植物病原真菌分類、鑒定及檢測中的應(yīng)用則很少。在真菌鑒定方面,主要是用于鑒定酵母菌、酵母樣菌和絲狀真菌,如對曲霉、青霉、鐮刀菌等的分型鑒定上的應(yīng)有有一定的研究基礎(chǔ)[4-18]。近年來,該方法也與分子生物學(xué)方法結(jié)合,用于各種病原體的檢測和鑒定研究[19]。

        本研究針對目前國內(nèi)外基于形態(tài)學(xué)特征、血清學(xué)、分子生物學(xué)方法對炭疽菌進(jìn)行檢測鑒定的局限性這一難題,首次采用基質(zhì)輔助激光解吸/電離飛行時(shí)間質(zhì)譜檢測方法對炭疽菌進(jìn)行分析,研究了影響MALDI TOFMS分析植物病原炭疽菌的重要實(shí)驗(yàn)因素,建立了MALDI TOFMS檢測炭疽菌的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法,構(gòu)建簡便、快速、高通量檢測技術(shù)平臺,為保障我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和貿(mào)易提供必要的檢疫技術(shù)手段,也為制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        供試菌株:供試炭疽菌菌株共13株,分別 為Colletotrichum kahawae(LC0082)、C. coffeanum(CBS396.67)、C. acutatum(MYA4519)、C. fructicola(LC 0032)、C. fructicola(LC 0033)、C. siamense(LC0034)、C.asianum(LC0037)、C. hymenocallidis(LC 0039)、C. karstii(LC 0042)、C. gloeosporioides(LC 0081)、C. horii(LC 0218)、C. fragariae(LC 0220)、C. simmondsii(LC 0937),25 ℃下液體培養(yǎng)基培養(yǎng)。其中LC編號的供試炭疽菌為模式菌株,由中科院微生物所蔡磊教授提供;MYA4519購自ATCC菌種保藏中心;CBS396.67購自CBS菌種保藏中心。

        儀器:Bruker公司的MALDI microflex儀。

        試劑:α-氰基-4-羥基肉桂酸(Alphacyano-4hydroxy-cinnamic acid,HCCA), 芥 子酸(Sanipinic acid,SA),蝸牛消化酶(Snail digestive enzyme);質(zhì)譜校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)品;無水乙醇、瓊脂粉、葡萄糖,均為分析純。

        基質(zhì)溶劑按乙腈∶三氟乙酸∶無菌去離子水(50%:2.5%:47.5%)的比例配置;稱量5 mg HCCA或SA溶于500 μL基質(zhì)溶劑中配置基質(zhì)溶液,現(xiàn)配現(xiàn)用。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 樣品處理 富集液體培養(yǎng)的菌絲,用無菌水充分洗兩次,離心后,留菌絲棄上清。取適量洗凈的菌絲體置于2 mL離心管中,再加入300~500 μL滅菌去離子水振蕩混勻,最后加入3倍體積的無水乙醇振蕩混勻,-20℃保存?zhèn)溆?。?20℃保存?zhèn)溆玫木z5 mg,高速離心(10 000~16 000 r/min)2 min,棄上清,必要時(shí),再離心一次,盡量去除乙醇和水。加入50 μL溶劑[70%甲酸∶100%乙腈(1:1) ],在有冰袋控溫的條件下超聲波處理10 min后,高速離心(10 000~16 000 r/min)2 min,取 1 μL 上清液點(diǎn)樣于MALDI TOF樣品板上,室溫下晾干,再點(diǎn)加1 μL基質(zhì)溶液覆蓋于樣品層上,室溫下晾干后上機(jī)檢測。

        1.2.2 分析條件 MALDI-TOF-MS參數(shù):離子源1:20.08 KV;離子源2:18.60 KV;延遲提取時(shí)間:340 ns(正離子檢測方式);質(zhì)量范圍 m/z值:1 000~20 000 Da;激光能量:35%(Offset:15%,Range:30%)。采用大腸桿菌(E.coli) DH5 alpha standards,在 flexControl 中的calibration中對 m/z 4 364.33000、5 095.82000、6 254.39000、6 315.19000等進(jìn)行校正。

        1.2.3 重復(fù)性試驗(yàn) 以LC0082樣品為材料,在同一個(gè)樣品板上重復(fù)點(diǎn)樣4 個(gè),進(jìn)行MALDI分析,每個(gè)樣品點(diǎn)采集5張圖譜,共20 張圖譜,得到每張圖譜與20張圖譜合成的一張圖進(jìn)行比較,根據(jù)獲得的20 張圖譜的log(score)值衡量方法的重復(fù)性,如果log(score)值大于2,表明圖譜的重復(fù)性好。以LC0082在不同時(shí)間重復(fù)培養(yǎng)3次的樣品為材料,重復(fù)點(diǎn)樣4 個(gè),進(jìn)行MALDI分析,每個(gè)樣品點(diǎn)采集5 張圖譜,然后進(jìn)行批與批之間的比較(即批1/批2、批1/批3、批2/批3),分別將兩批樣品的40 張圖譜合成一張圖放入數(shù)據(jù)庫,每批的20 張圖譜與合成的這張圖譜進(jìn)行比較,從而獲得每張圖譜的log(score)值,并得到批間的log(score)值。如果批間log(score)值大于2,表明重復(fù)培養(yǎng)的樣品重復(fù)性好。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 咖啡漿果炭疽菌模式菌株檢測

        采用標(biāo)準(zhǔn)方法對咖啡漿果炭疽模式菌株LC0082進(jìn)行MOLDI TOFMS檢測,獲得的特異性蛋白圖譜峰有9 個(gè),分別為1 097.594、1 777.133、2 551.820、2 988.099、3 381.554、3 708.773、5 492.821、6 007.389、7 144.144、8 012.514(m/z),強(qiáng)度均在可用范圍(SNR>2,信噪比Signal-to-noise ratio, SNR),結(jié)果見圖1。

        圖1 咖啡漿果炭疽病菌模式種LC0082的結(jié)果圖譜

        2.2 重復(fù)性試驗(yàn)

        Biotyper軟件分析結(jié)果顯示,咖啡漿果炭疽病菌的每張圖譜與20張圖譜合成一張圖(圖2,封二)。通過比較獲得的log(score)值均大于2,說明試驗(yàn)重復(fù)性好。

        對供試的咖啡漿果炭疽菌進(jìn)行3次重復(fù)培養(yǎng)獲得的MALDI TOFMS圖譜(圖3,封二)可知,3批結(jié)果的log(score)值均大于2,說明批間樣品的重復(fù)性較好。

        2.3 方法適用性試驗(yàn)

        供試的炭疽菌屬內(nèi)12種13個(gè)菌株(Colletotrichum kahawae、C. acutatum、C.coffeanum、C. fructicola、C. fructicola、C. siamense、C. asianum、C. hymenocallidis、C. karstii、C. gloeosporioides、C.horii、C. fragariae、C. simmondsii)的蛋白圖譜均互不相同,每個(gè)種都有各自的特有峰(圖4,封二),如C. kahawae的特有峰為1 097、1 777、2 551、2 988、3 381、3 708、5 492、6 007、7 144、8 012,C. acutatum的 特 有 峰 為 4 095、4 154、4 222、4 226、4 310、5 800、6 538、9 844、12 368。

        炭疽菌屬中其余11個(gè)種12個(gè)菌株的圖譜分別與咖啡漿果炭疽菌模式菌株LC0082所構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比較,log(score)值均在2以下,分別為0.639(CBS396.67)、0.506(MYA4519)、0.885(LC 0032)、0.774(LC 0033)、0.882(LC 0034)、1.196(LC 0037)、1.094(LC 0039)、0.495(LC 0042)、1.708(LC 0081)、1.091(LC 0218)、1.721(LC 0220)、1.005(LC 0937),表明該方法能實(shí)現(xiàn)炭疽菌屬不同種的鑒定。從圖4(封二)可以看出,LC0081與LC0220的比值比起其它菌株要高很多。

        3 結(jié)論與討論

        本研究獲得了炭疽菌12 個(gè)種13個(gè)菌株的標(biāo)準(zhǔn)圖譜,創(chuàng)建了炭疽菌蛋白質(zhì)譜指紋圖譜標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫;首次建立了炭疽菌C.kahawae的MALDI TOFMS檢測方法,該方法快速、準(zhǔn)確、高通量、重復(fù)性好,能夠?qū)ν粯悠泛?次重復(fù)培養(yǎng)樣品獲得準(zhǔn)確、可靠、一致的結(jié)果。這種可靠的重現(xiàn)性是建立MALDI TOFMS指紋圖譜數(shù)據(jù)庫,經(jīng)圖譜庫檢索實(shí)現(xiàn)未知菌株鑒定的基礎(chǔ);運(yùn)用本研究所搭建的MALDI TOFMS檢測平臺為其他真菌快速、微量、高通量及標(biāo)準(zhǔn)化檢測開辟了新的途徑,該技術(shù)在真菌學(xué)、植物檢疫領(lǐng)域具有十分廣闊的發(fā)展前景。

        本研究建立了MALDI TOFMS分析炭疽菌的標(biāo)準(zhǔn)方法,該方法綜合考慮了MALDI TOFMS分析的各種影響因素包括前處理、基質(zhì)、基質(zhì)溶劑、樣品和基質(zhì)的比例、點(diǎn)樣方法等樣品前處理是影響整個(gè)分析的關(guān)鍵,是首要影響因子,是產(chǎn)生準(zhǔn)確性和可重復(fù)性數(shù)據(jù)的前提。樣品前處理主要是去除雜質(zhì)的影響和破除細(xì)胞壁的作用,以使更多的檢測成分得以釋放;而基質(zhì)的選擇主要從基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及和樣品之間的相互作用考慮,與待分析的樣品和使用其他試劑關(guān)系較大;基質(zhì)溶劑首先應(yīng)具有對樣品和基質(zhì)的共溶解能力,且不與基質(zhì)產(chǎn)生相互作用,并能提供合適的pH值,以利于樣品分子的電離;點(diǎn)樣方法主要影響結(jié)晶的均勻性及樣品和基質(zhì)之間形成的結(jié)晶結(jié)構(gòu),從而影響圖譜的重現(xiàn)性、信號的質(zhì)量和質(zhì)量范圍等。這些影響因素在 Amiri-Eliasi等[12]研究Saccharomyces cerevisiae、Welham等[20]分析Penicilliumspp.、Scytalidiumdimidiatum和Trichophytonrubrum、李鳳琴等[4]分析不同屬食品真菌、Riat等[14]分 析Aspergillusniger、Rhizopusoryzae、Trichodermaressei等的過程中均有提到。

        本研究收集的炭疽菌中有11株是模式菌,模式種來源可靠,用來建立標(biāo)準(zhǔn)圖譜繼而建立標(biāo)準(zhǔn)圖譜鑒定數(shù)據(jù)庫,具有說服力和可靠性。

        炭疽菌目前分類情況復(fù)雜,形態(tài)學(xué)鑒定需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專家才有可能正確完成,且歷時(shí)長;而同工酶、血清學(xué)等方法也存在結(jié)果不穩(wěn)定、特異性不強(qiáng)等問題;分子生物學(xué)方法也存在操作復(fù)雜、假陽性、假陰性、登錄的公開序列有錯(cuò)誤的情況,因此分子生物學(xué)的鑒定也存在一定的問題。越來越多的學(xué)者認(rèn)為,對于復(fù)雜真菌的鑒定,需要綜合多種手段全面考慮,以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。MALDI TOFMS分析過程簡單、快速,不需進(jìn)行DNA提取、序列測定和分析、特異引物的設(shè)計(jì)、條件篩選及靈敏度實(shí)驗(yàn)等,只需要微量菌絲(2 mg)不需產(chǎn)生孢子就可實(shí)現(xiàn)鑒定,幾分鐘就可以完成一個(gè)樣品分析,每個(gè)樣品的自動(dòng)圖譜可以在幾秒鐘內(nèi)完成,一個(gè)完整的數(shù)據(jù)又可以放進(jìn)鑒定軟件里進(jìn)行分析。另外,MALDI TOFMS具有高通量的優(yōu)點(diǎn):一個(gè)樣品靶同時(shí)一次性點(diǎn)樣96個(gè),一次性可以檢測96個(gè)目標(biāo)樣品,幾分鐘內(nèi)同時(shí)完成鑒定,大大縮短檢測時(shí)間,提高檢測效率,因此MALDI TOFMS技術(shù)在其研究上有廣闊的前景。

        采用MALDI TOFMS分析炭疽菌屬內(nèi)不同種,通過對模式菌株的重復(fù)試驗(yàn)得到蛋白質(zhì)特異信號峰,成功找到區(qū)分的信號峰,實(shí)現(xiàn)炭疽菌不同種菌株的成功鑒定,建立了MALDI TOFMS分析炭疽菌的檢測方法,該方法快速、準(zhǔn)確、重復(fù)性好、高通量、對樣品要求的純度不高,能耐受一定量的小分子如鹽、去污劑等,具有較高的檢測范圍。同時(shí),該方法所需要的樣品量少,即使樣品的量和濃度很低,通過儀器和信號的累加功能同樣可以獲得一張高分辨率和高質(zhì)量的質(zhì)譜圖,對于炭疽菌的鑒定檢測是一種非常好的方法。

        該方法在真菌檢測方面也存在一定的局限性。例如,真菌常表現(xiàn)出完全不同的表型,蛋白圖譜可能和生長條件有關(guān),需要進(jìn)一步深入分析;需要嚴(yán)格控制培養(yǎng)條件,有報(bào)道指出菌絲、孢子以及菌絲和孢子混合的蛋白圖譜有可能不同;固體培養(yǎng)和液體培養(yǎng)方式對檢測結(jié)果也有一定影響,有報(bào)道指出液體培養(yǎng)基搖出來的菌比固體培養(yǎng)的菌會(huì)得到更多的峰,重復(fù)性更好;培養(yǎng)基的種類也可能存在影響;蛋白的提取需要標(biāo)準(zhǔn)化才能進(jìn)行推廣應(yīng)用,否則有可能得到完全不同的圖譜而造成鑒定上的錯(cuò)誤。目前真菌的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容非常缺乏,特別是植物病原真菌的蛋白數(shù)據(jù)庫,因此需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研究充實(shí)真菌鑒定數(shù)據(jù)庫。本研究充分考慮到以上局限性,在培養(yǎng)條件、蛋白提取等實(shí)驗(yàn)前處理步驟進(jìn)行了嚴(yán)格控制,所有操作均在一致條件下進(jìn)行,確保結(jié)果可靠性,試驗(yàn)結(jié)果也證明了本研究的重復(fù)性。

        圖2 咖啡漿果炭疽病菌同一樣品4個(gè)樣品點(diǎn)的20張圖譜

        圖3 3批咖啡漿果炭疽病菌樣品的重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果

        圖4 啡漿果炭疽菌、尖孢炭疽菌及炭疽菌其他種的MALDI TOF MS圖譜

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