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        中國蘭ISSR—PCR反應(yīng)體系優(yōu)化及引物篩選

        2018-09-10 02:07:43黃曉慧巫偉峰陳春張毅智汪長水徐建球陳發(fā)興陳孝丑
        南方農(nóng)業(yè)學(xué)報 2018年7期

        黃曉慧 巫偉峰 陳春 張毅智 汪長水 徐建球 陳發(fā)興 陳孝丑

        摘要:【目的】優(yōu)化中國蘭的ISSR-PCR反應(yīng)體系,并篩選適用于中國蘭ISSR分析的候選引物,為ISSR分子標(biāo)記在中國蘭的輔助育種及親緣關(guān)系和遺傳多樣性分析等提供技術(shù)參考?!痉椒ā恳?個中國蘭品種為材料,采集其葉片樣品,分別用研缽法和研磨儀法進行破碎研磨,比較兩種方法提取DNA的效果,利用L25(53)正交試驗和單因素試驗對DNA模板量、引物濃度、2×Taq Master Mix添加量、循環(huán)數(shù)和退火溫度進行優(yōu)化,建立最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系,并從ISSR分子標(biāo)記通用引物中篩選適用于中國蘭的ISSR分析候選引物?!窘Y(jié)果】研磨儀法提取的DNA濃度明顯高于研缽研磨法,但二者提取的DNA質(zhì)量均較好(OD260/OD280為1.7~2.0)。對ISSR-PCR反應(yīng)體系擴增結(jié)果的影響程度排序為DNA模板量>引物濃度>2×Taq Master Mix添加量。綜合考慮成本和DNA模板量,最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系(20.0 μL):DNA模板10.0 ng、引物0.8 μmol/L和2×Taq Master Mix 9.0 μL。最佳循環(huán)數(shù)為35,最佳退火溫度為49.6 ℃?;谏鲜鰞?yōu)化結(jié)果,從100條引物中共篩選出42條適用于中國蘭的ISSR候選引物?!窘Y(jié)論】研磨儀法可有效提高中國蘭基因組DNA的提取率和質(zhì)量,且利用優(yōu)化后的ISSR-PCR反應(yīng)體系和擴增程序及篩選出的引物,擴增獲得的條帶清晰、穩(wěn)定,多樣性好,可用于中國蘭的遺傳多樣性和親緣關(guān)系等分析研究。

        關(guān)鍵詞: 中國蘭;ISSR;分子標(biāo)記;反應(yīng);引物篩選

        中圖分類號: S682.310.36 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-1191(2018)07-1282-07

        0 引言

        【研究意義】中國蘭又稱國蘭,是中國傳統(tǒng)蘭花的統(tǒng)稱,為蘭科(Orchidaceae)蘭屬(Cymbidium)植物,其味幽香,花色淡雅,素有花中君子和天下第一香之美稱,且具有獨特的內(nèi)涵和意境,觀賞和經(jīng)濟價值很高(陳心啟,2011)。中國蘭約有50種,其中以地生蘭為主,分為春蘭(C. goeringii)、蕙蘭(C. faberi)、建蘭(C. ensifolium)、墨蘭(C. sinense)、寒蘭(C. kanran)、春劍(C. goeringii var. longibracteatum)、蓮瓣蘭(C. tortisepalum)和豆瓣蘭(C. serratum)八大類(陳心啟,2011),集中分布在長江流域、西南和東南等地區(qū),其中以西南分布最多,其次為東南地區(qū)(曾碧玉等,2005)。目前,種質(zhì)資源缺乏是影響中國蘭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一(陳和明等,2007),利用分子標(biāo)記技術(shù)研究中國蘭的遺傳多樣性和親緣關(guān)系等遺傳特征可為中國蘭育種及種質(zhì)資源開發(fā)利用提供參考依據(jù)。近年來,ISSR(Inter-simple sequence repeat,簡單序列重復(fù)區(qū)間)分子標(biāo)記技術(shù)已被應(yīng)用于中國蘭的遺傳多樣性(高麗和楊波,2006a)、居群遺傳結(jié)構(gòu)(Yao and Yang,2007)和親緣關(guān)系(Qian et al.,2014)分析及雜交后代的雜種真實性鑒定(周麗和胡春根,2016)等研究。因此,優(yōu)化中國蘭ISSR分子標(biāo)記技術(shù)對其輔助育種及親緣關(guān)系和遺傳多樣性分析等研究均具有重要意義?!厩叭搜芯窟M展】目前,已有研究人員采用單因素試驗和均勻設(shè)計等方法對春蘭、建蘭、蕙蘭和墨蘭等的ISSR-PCR反應(yīng)體系及擴增程序進行優(yōu)化。高麗和楊波(2006b)通過單因素試驗對DNA模板量、dNTPs濃度、MgCl2濃度、引物濃度、Taq DNA聚合酶添加量、退火溫度和循環(huán)數(shù)進行優(yōu)化,建立了春蘭的ISSR-PCR最佳反應(yīng)體系,并發(fā)現(xiàn)上述因素對擴增效果均具有一定的影響。胡薇等(2007)通過均勻設(shè)計對引物濃度、Mg2+濃度、dNTPs濃度和Taq DNA聚合酶添加量進行4因素5水平和4因素3水平優(yōu)化,建立了建蘭的最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系,并篩選出14條擴增穩(wěn)定、多態(tài)性豐富的ISSR引物。劉菲等(2011)將單因素試驗和正交設(shè)計試驗相結(jié)合對中國蘭ISSR-PCR反應(yīng)體系中的dNTPs濃度、引物濃度、Mg2+濃度和Taq DNA聚合酶添加量進行優(yōu)化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Taq DNA聚合酶添加量對擴增效果影響最明顯。王朝雯等(2014)通過單因素試驗研究多花蘭ISSR-PCR反應(yīng)體系中的Mg2+濃度、Taq DNA聚合酶添加量、dNTPs濃度和DNA模板量對擴增效果的影響,結(jié)果表明除Mg2+濃度外,其他因素對擴增效果影響均較大。【本研究切入點】迄今,鮮見從DNA提取、反應(yīng)體系、擴增程序和引物篩選等方面進行系統(tǒng)優(yōu)化中國蘭ISSR-PCR技術(shù)的研究報道?!緮M解決的關(guān)鍵問題】采用L25(53)正交設(shè)計試驗和單因素試驗對ISSR-PCR反應(yīng)體系中的DNA模板量、引物濃度和2×Taq Master Mix(PCR預(yù)混反應(yīng)液)及循環(huán)數(shù)、退火溫度等5個因素進行優(yōu)化,建立中國蘭的最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系,并利用最佳反應(yīng)體系從哥倫比亞大學(xué)(UBC)公布的100條ISSR通用引物中篩選出適用于中國蘭的ISSR候選引物,為利用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)進行中國蘭種質(zhì)資源鑒定、分子輔助育種及親緣關(guān)系和遺傳多樣性分析等提供技術(shù)支持。

        1 材料與方法

        1. 1 材料與儀器

        供試中國蘭為墨蘭品種企黑、春劍品種邊草、寒蘭品種應(yīng)欽素、春蘭品種翠一品、蕙蘭品種虞山梅和蓮瓣蘭品種合家歡,種植于福建省林業(yè)科技試驗中心蘭花種質(zhì)資源圃,均為5年生,分別采集其健康葉片,于-80 ℃保存?zhèn)溆谩V饕噭焊咝е参锘蚪MDNA提取試劑盒和2×Taq Master Mix(由Taq DNA聚合酶、dNTP混合物和MgCl2混合而成)購自天根生化科技(北京)有限公司。主要儀器設(shè)備:離心機(SIGMA 1-14K)、高通量組織研磨儀(YMY-200)、電泳儀(BIO-RAD PowerPac Universal)、電泳凝膠成像儀(BIO-RAD Gel DOCTMXR+)、超微量核酸測定儀(Thermo NANODROP ONE)、移液器(Eppendorf Research Plus)和PCR儀(BIO-RAD T100TM)等。

        1. 2 試驗方法

        1. 2. 1 DNA提取 對采集的葉片樣品分別用兩種方式進行破碎研磨:(1)陶瓷研缽研磨法(簡稱研缽法):陶瓷研缽用液氮預(yù)冷,稱取0.5 g葉片樣品置于陶瓷研缽中充分研磨至粉末狀,取粉末。(2)高通量組織研磨儀鋼珠高頻振蕩破碎法(簡稱研磨儀法):研磨儀配套的離心管盒、離心管和鋼珠用液氮預(yù)冷,稱取0.5 g葉片樣品置于裝有1個鋼珠的離心管,蓋好蓋子,以頻率1800次/min進行振蕩破碎,時間為3 min,結(jié)束后取粉末。

        參照高效植物基因組DNA提取試劑盒說明,分別提取兩種破碎研磨方式獲得的粉末基因組DNA,并用2%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測(110 V恒壓下電泳25.0~30.0 min),用凝膠成像系統(tǒng)拍照。

        1. 2. 2 引物設(shè)計及合成 本研究所用引物為UBC公布的100條ISSR通用引物,編號為UBC801~ UBC900,由北京六合華大基因科技有限公司合成。

        1. 2. 3 ISSR-PCR反應(yīng)體系的正交試驗 采用L25(53)正交試驗設(shè)計,以合家歡基因組DNA為模板,對ISSR-PCR反應(yīng)體系中的引物濃度、DNA模板量和2×Taq Master Mix添加量進行優(yōu)化,因素和水平設(shè)計如表1所示,共25個組合,每個組合設(shè)2個重復(fù),均以UBC807為引物。擴增程序:94 ℃預(yù)變性4.0 min;94 ℃ 1.0 min,50 ℃ 1.0 min,72 ℃ 1.5 min,進行40個循環(huán);72 ℃延伸8.0 min。PCR產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(110 V恒壓下電泳25.0~30.0 min),凝膠成像系統(tǒng)下成像拍照。

        參考尚小紅等(2018)的直觀分析法進行電泳擴增譜帶分析,即根據(jù)電泳圖譜中電泳條帶數(shù)量、清晰度、重復(fù)性、亮度和背景干凈程度分別對25個組合進行打分,1~4分(清晰條帶少,亮度弱,雜帶多,重復(fù)性差,背景模糊),5~8分(清晰條帶多,但亮度較弱,有雜帶,重復(fù)性好,背景較干凈),9~12分(清晰條帶多,亮度較強,無雜帶,重復(fù)性好,背景清晰),13~16分(清晰條帶多,亮度強,無雜帶,重復(fù)性好,背景清晰)。利用Excel 2007計算均值(Km)和極差R,確定最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系。

        1. 2. 4 退火溫度和循環(huán)次數(shù)優(yōu)化 以UBC807為引物,利用最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系對擴增程序中的退火溫度和循環(huán)數(shù)進行單因素試驗,其中循環(huán)數(shù)設(shè)為30、35、40和45共4個梯度,退火溫度使用PCR儀的自動梯度48.0、48.3、48.8、49.6、50.5、51.2、51.7和52.0 ℃共8個梯度,共32個組合。通過電泳圖的直觀觀察,選擇條帶清晰、重復(fù)性好、多態(tài)性好、成本低的組合作為最佳組合。

        1. 2. 5 引物篩選 利用優(yōu)化獲得的最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系、退火溫度和循環(huán)數(shù)對UBC公布的100條ISSR通用引物進行篩選,篩選出條帶清晰,多態(tài)性好的引物作為中國蘭的ISSR候選引物。為了使篩選結(jié)果更具代表性,將企黑、邊草、應(yīng)欽素、翠一品、虞山梅和合家歡的DNA進行同濃度等量混合組成的基因池為模板。

        2 結(jié)果與分析

        2. 1 兩種破碎研磨方法對DNA提取效果的影響

        由圖1可知,研缽法和研磨儀法提取的DNA電泳條帶清晰,均具有較好的完整性,但研缽法提取的DNA(圖1-A)較研磨儀法(圖1-B)存在較明顯的降解現(xiàn)象。由表2可知,研磨儀法提取的DNA濃度達167.5~238.7 ng/μL,但研缽法提取的DNA濃度僅為16.3~25.7 ng/μL,即研磨儀法的DNA濃度明顯高于研缽法。兩種方法提取的DNA OD260/OD280均在1.70~2.00,表明使用這兩種方法均可得到質(zhì)量較好的中國蘭葉片DNA。

        2. 2 PCR反應(yīng)體系的正交試驗結(jié)果

        根據(jù)電泳結(jié)果可知,正交試驗25個組合的擴增條帶數(shù)量、清晰度、亮度和重復(fù)性等均存在明顯差異,其中合家歡的25個組合擴增產(chǎn)物電泳圖如圖2所示。利用直觀分析法分別對其進行打分,打分結(jié)果如表3所示。組合1、6、11和16擴增譜帶的多態(tài)性較高,但條帶模糊;組合10的多態(tài)性最低;組合4、5、13、20、24和25的擴增效果較理想。Km表示因素m水平下的均值,Km越大,該水平擴增效果越好;R反映因素對擴增效果的影響程度,R越大,該因素對擴增效果的影響越大(尚小紅等,2018),因此可確定3個因素對ISSR-PCR反應(yīng)體系擴增效果的影響程度排序為DNA模板量>引物濃度>2×Taq Master Mix添加量,最佳組合為DNA模板量50 ng,引物濃度1.0 μmol/L,2×Taq Master Mix添加量10.0 μL。但綜合考慮成本,以較少的試劑用量達相似效果即為最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系。在25個組合中,組合4的DNA模板、引物和2×Taq Master Mix用量均較少,擴增效果較佳,因此確定組合4為最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系,即20.0 μL反應(yīng)體系中含10 ng DNA模板、引物0.8 μmol/L、2×Taq Master Mix 9.0 μL。

        2. 3 退火溫度和循環(huán)數(shù)的優(yōu)化結(jié)果

        由圖3可知,35個循環(huán)+48.3 ℃、35個循環(huán)+48.8 ℃、35個循環(huán)+49.6 ℃、40個循環(huán)+48.0 ℃、40個循環(huán)+48.3 ℃、40個循環(huán)+49.6 ℃、40個循環(huán)+50.5 ℃、40個循環(huán)+51.2 ℃、45個循環(huán)+48.0 ℃、45個循環(huán)+51.2 ℃、45個循環(huán)+51.7 ℃和45個循環(huán)+52.0 ℃共12個組合具有清晰、穩(wěn)定的擴增譜帶。當(dāng)循環(huán)數(shù)為30個時,擴增譜帶模糊,而循環(huán)數(shù)為35、40和45個時均可擴增出清晰易辨的譜帶。綜合擴增時長和譜帶質(zhì)量,最佳的PCR程序循環(huán)數(shù)為35個,退火溫度為48.0~49.6 ℃時,均可獲得較好的擴增效果,其中以退火溫度為49.6 ℃時最佳。

        2. 4 引物篩選結(jié)果

        以混合的DNA基因池為模板,應(yīng)用最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系進行PCR擴增,結(jié)果如圖4所示。從100條ISSR引物中共篩選出44條電泳條帶清晰的通用引物,但以具有3條或3條以上清晰條帶作為多態(tài)性較好的標(biāo)準(zhǔn),UBC878和UBC853被剔除,剩余的42條引物擴增條帶清晰、多態(tài)性良好,可作為中國蘭的ISSR候選引物,引物序列見表4。優(yōu)化獲得的最佳ISSR-PCR反應(yīng)體系不僅適用于引物UBC807,同時適用于其他41條ISSR引物。

        3 討論

        ISSR分子標(biāo)記是一種以微衛(wèi)星序列為引物進行多位點PCR擴增技術(shù)。清晰、穩(wěn)定、多態(tài)性好的DNA指紋圖譜是ISSR分析的基礎(chǔ),而DNA模板量和質(zhì)量、引物濃度、DNA聚合酶量、循環(huán)數(shù)和退火溫度等均是影響圖譜質(zhì)量的主要因素,因此,優(yōu)化DNA提取方法、ISSR-PCR反應(yīng)體系和擴增程序尤為重要。

        高質(zhì)量的DNA模板是ISSR分子標(biāo)記的基礎(chǔ)。對于中國蘭,尤其是名貴中國蘭品種,采摘葉片對其植株的生長影響較大,尤其是采摘幼葉,由于葉片組織的纖維較多,質(zhì)地較硬且粗糙,研磨時常見條狀纖維,故破壁效果較差,但采摘花苞對中國蘭生長影響小,及時摘除花苞反而能減少營養(yǎng)消耗,且花苞易研磨,因此,花苞是提取中國蘭DNA的首選材料(陳惠云等,2005),但受采摘時間限制,且花苞的蛋白質(zhì)、多糖和酚類物質(zhì)含量遠高于葉片,提取高質(zhì)量DNA較葉片困難(陳惠云等,2005;李小玲和華智銳,2014)。相對于普通中國蘭品種,葉片仍是提取基因組DNA的主要材料,提取率與葉片的幼嫩程度相關(guān),老葉木質(zhì)化程度較高導(dǎo)致研磨困難,提取率較低,嫩葉易研磨,提取率較高(胡薇等,2004;李小玲和華智銳,2014)。本研究對采集的葉片樣品分別用研缽法和研磨儀法進行破碎研磨,比較兩種方法提取DNA的效果,結(jié)果顯示,研磨儀法提取的DNA濃度明顯高于研磨法,表明研磨儀研磨可促進葉片的破碎,從而提高DNA提取率??梢姡崛≈袊mDNA可優(yōu)先選擇研磨儀研磨。

        ISSR分子標(biāo)記是一種基于PCR擴增的遺傳分析技術(shù),擴增效果受諸多因素影響,主要有DNA模板量、引物濃度、Taq DNA聚合酶、退火溫度和循環(huán)數(shù)等。高麗和楊波(2006b)研究表明,DNA模板量、dNTPs濃度、MgCl2濃度、引物濃度、Taq DNA聚合酶添加量、退火溫度和反應(yīng)循環(huán)數(shù)對春蘭的ISSR-PCR擴增效果具有不同程度的影響,其中DNA模板量對擴增效率的影響較小,但引物濃度對擴增效率的影響較大。馬麗婭等(2008)研究表明,DNA模板量對ISSR-PCR擴增效果的影響不明顯。以上研究結(jié)果均顯示,DNA模板量對擴增效果的影響較小,其原因可能是以上研究均采用單因素試驗,研究結(jié)果只代表在單一維度下不同因子的影響力。而本研究采用正交試驗,從多維度對中國蘭的ISSR-PCR反應(yīng)體系進行優(yōu)化,結(jié)果表明,DNA模板對PCR反應(yīng)結(jié)果的影響最大,其次為引物濃度,2×Taq Master Mix添加量的影響最小。傳統(tǒng)的ISSR分析方法需在反應(yīng)體系中加入Taq DNA聚合酶、dNTPs、MgCl2和反應(yīng)緩沖液等多種試劑(高麗和楊波,2006a;胡薇等,2007;馬麗婭等,2008),但本研究使用2×Taq Master Mix,該試劑混合了Taq DNA聚合酶、dNTPs、MgCl2和反應(yīng)緩沖液,即2×Taq Master Mix作為一個整體,與將Taq DNA聚合酶、dNTPs和MgCl2等試劑單獨作為考察因子的研究存在一定差異,今后應(yīng)深入研究其差異,以全面系統(tǒng)地優(yōu)化ISSR-PCR反應(yīng)體系。

        4 結(jié)論

        研磨儀法可有效提高中國蘭基因組DNA的提取率和質(zhì)量,且利用優(yōu)化后的ISSR-PCR反應(yīng)體系和擴增程序及篩選出的引物擴增獲得的條帶清晰、穩(wěn)定,多樣性好,可用于中國蘭的遺傳多樣性和親緣關(guān)系等分析研究。

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        (責(zé)任編輯 陳 燕)

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