楊 丹 趙斌安 許 燕 張 琪 吳文靜浦心祎 袁文天 趙悅琪 趙恒震 史 斌
(1 上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 上海 200234 2 同濟大學(xué)醫(yī)學(xué)院十院臨床醫(yī)學(xué)院 上海 200092 3 上海博滿生物科技有限公司 上海 201106)
百合,除了可食用、入藥外,還因美好寓意備受人們的喜愛。百合科百合屬為多年生植物,其繁殖方式主要靠無性繁殖技術(shù)——扦插、分球等,這種方式會使感染百合的病毒不斷傳代,在開放環(huán)境下擴散感染其他植株,擴大病毒傳播范圍,最終對花卉種植業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。因此,百合脫毒苗制備和相應(yīng)病毒檢測技術(shù)對切斷病毒傳播、減少經(jīng)濟損失至關(guān)重要。
在百合種植過程中,百合斑駁病毒(lily mot‐tle virus,LMoV)、黃瓜花葉病毒(cucumber mosaic virus,CMV)與百合無癥病毒(lily symptomless vi‐rus,LSV)是最易感染百合、危害最大的3 種病毒。百合斑駁病毒和百合無癥病毒屬于線狀植物病毒,傳播廣、危害大,被我國明令禁止入境,是三類檢疫有害生物。黃瓜花葉病毒則造成葉萎縮黃化、變皺、莖變形等病癥。然而,上述3 種病毒常伴隨出現(xiàn),導(dǎo)致百合花葉斑駁、花葉變形、植株矮化或無主桿、百合切花或鱗莖品質(zhì)不合格。
病毒粒子的形態(tài)結(jié)構(gòu)和寄主病變情況清晰且直觀,是植物病毒鑒定和研究的重要依據(jù)。百合病毒的光學(xué)顯微診斷法是在光鏡下觀察病毒粒子的形態(tài)結(jié)構(gòu)和存在狀態(tài)、寄主細(xì)胞的結(jié)構(gòu)變化,以及病毒的復(fù)制和裝配等過程。隨著生命科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和電子信息學(xué)的發(fā)展與相互滲透,電子顯微鏡技術(shù)包括負(fù)染色法(negative staining)、電 鏡 超 薄 切 片 法(electron microscopy ultrathin section)、免 疫 電 鏡 法(immuno special electronic microscope,ISEM)、膠體金免疫電鏡法(immunogold labeling)等逐漸成為主要研究手段,能提供更多的病毒信息。
梁巧蘭等[3]利用負(fù)染色和超薄切片技術(shù),在電鏡下觀察百合病毒和內(nèi)含體形態(tài)、大小并配合間接酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)鑒定病毒侵染種類。電鏡檢測技術(shù)可直觀觀測到樣品,但需專業(yè)實驗室,配備電鏡等精密昂貴設(shè)備及高超嫻熟的專業(yè)操作技能,因此,不適用田間大量樣本檢測[4]。
酶聯(lián)免疫吸附法將植物病毒作為抗原,注射至動物體內(nèi)產(chǎn)生抗體。每種病毒產(chǎn)生的抗血清具有特異性識別功能,可根據(jù)已知病毒的抗血清檢測未知病毒。該方法靈敏度較高,但納克級別以下無法檢測,且需制備高質(zhì)量的抗血清,易出現(xiàn)假陰性。抗原抗體反應(yīng)具有專一性,但不同百合植株中病毒抗原會有所差異,常會漏檢某一病毒或某一株系病毒。此外,病毒感染植株也呈現(xiàn)不均勻分布、病毒分離多樣性及季節(jié)性差異,這些都會影響酶聯(lián)免疫的最終結(jié)果[5]。
4.1 PCR、RT-PCR 及多重PCR 技術(shù) 以核酸檢測為代表的分子生物學(xué)檢測技術(shù)因高特異性、高靈敏度、快速、便捷的特性得到廣泛關(guān)注并被快速普及。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)(polymerase chain reaction,PCR):首先將雙鏈DNA 變性解旋成單鏈,在DNA 聚合酶的參與下,以單鏈DNA 為模板,特定引物為起點,利用4 種脫氧核苷酸,按照堿基互補配對原則復(fù)制成新的DNA,通過變性、退火、延伸等多個循環(huán),實現(xiàn)特定基因的體外放大。逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(RT-PCR)則是在常規(guī)PCR基礎(chǔ)上運用逆轉(zhuǎn)錄酶,將逆轉(zhuǎn)錄與基因擴增在一個反應(yīng)管內(nèi)進行。而多重PCR 技術(shù)則是在同一反應(yīng)液中加入多對特定引物對,擴增多段特定DNA 序列的過程。
鄒迎春等[6]依據(jù)公開的百合斑駁病毒、百合無癥病毒序列保守區(qū),分別設(shè)計了能擴增出不同大小的目的片段的特異引物對,以18S rRNA 為內(nèi)參基因,優(yōu)化多重RT-PCR 反應(yīng)條件,實現(xiàn)了同時快速檢測多種病毒。該體系未檢測出其他病毒,特異性好,能分辨出2 種病毒和內(nèi)參基因。
PCR 技術(shù)操作簡單、特異性強,但在PCR 檢測過程中,假陽性或假陰性結(jié)果仍常存在。在RTPCR 檢測時,因RNA 病毒逆轉(zhuǎn)錄的過程中容易被RNA 酶污染,易出現(xiàn)假陰性。而多重PCR 技術(shù)因反應(yīng)液中存在多對引物對,擴增時引物相互干擾,不同片段擴增效率不同,短片段優(yōu)先擴增,而且易出現(xiàn)人工片段,出現(xiàn)非特異性擴增,無法判斷是否存在假陽性,有時需添加假陽性檢測步驟。
4.2 基因芯片 基因芯片又稱生物芯片,該技術(shù)將序列一致的靶序列的探針固定在支持物表面,再與待測樣本中的源核酸雜交,最終,通過測定熒光強度變化,對樣品序列信息進行解讀和分析,高通量獲取相關(guān)生物信息[7]。賈慧等[8]根據(jù)百合無癥病毒、黃瓜花葉病毒和百合斑駁病毒及另外2 種常見的植物病毒——煙草花葉病毒和馬鈴薯Y 病毒的外殼蛋白基因,設(shè)計引物和寡核苷酸探針,通過芯片雜交反應(yīng)條件(變性處理、時間、溫度)及雜交組分和濃度的不斷優(yōu)化,制備高特異性基因芯片。但基因芯片技術(shù)屬于綜合性的高新技術(shù),不僅需要昂貴的芯片制作系統(tǒng),還需昂貴的激光共聚焦掃描儀輔助,且對操作人員的專業(yè)要求較高,這使得該技術(shù)的推廣受到了限制[9]。
4.3 環(huán)介導(dǎo)等溫擴增技術(shù)(LAMP) 環(huán)介導(dǎo)等溫擴增(loop-mediated isothermal amplification,LAMP)由日本學(xué)者Notomi[10]提出,在恒溫條件下(65℃左右),具有鏈置換特性的Bst DNA 聚合酶的作用下,利用4 條可特異性識別靶基因上的6 個特異區(qū)域的引物(F3/B3 和FIP/BIP),可實現(xiàn)目標(biāo)序列的109~1010倍擴增。
本實驗室從百合斑駁病毒、百合無癥病毒、黃瓜花葉病毒的CP基因上尋找保守區(qū)域,選擇保守區(qū)域時避開所有的突變位點設(shè)計獲得LAMP 特異性引物,能識別靶序列上的6 個特異區(qū)域。建立的百合病毒的LAMP 和RT-LAMP 方法具有高特異性,與常見侵染百合的多種病毒無交叉,靈敏度高,可在模板純度只有10 個拷貝數(shù)下進行擴增,反應(yīng)結(jié)果通過添加SYBR GreenⅠ染料,肉眼可視,顯色為綠色的樣品為陽性,含有百合病毒,顯色為橘色的樣品為陰性,不含百合病毒[11-12]。
LAMP 反應(yīng)時間短,靈敏度高,受樣本質(zhì)量影響小,可省略DNA 或RNA 純化步驟[13]。本實驗室對現(xiàn)有的環(huán)介導(dǎo)等溫技術(shù)又進一步優(yōu)化,即實現(xiàn)LAMP 試劑預(yù)分裝和配套的樣本直擴技術(shù),現(xiàn)場只需加樣1 次,無需電泳,實驗結(jié)果用熒光進行顯色判斷,陽性產(chǎn)物為綠色,陰性產(chǎn)物為橘紅色。LAMP 反應(yīng)檢測靈敏度高,最低檢測限為2 個拷貝,檢測時間為20 min。整個反應(yīng)只需要金屬浴或水浴鍋,3 支移液器即可操作,設(shè)備簡單,總費用6 000 元左右。
LAMP 試劑預(yù)分裝。在百級凈化車間,將試劑分裝為2 個部分,A 試劑吹干在管蓋上,B 試劑分裝在PCR 管中,封裝好。由于核酸染料在反應(yīng)前體系配制時加入,反應(yīng)后無需開蓋添加染料進行顯色,避免因開蓋產(chǎn)生的氣溶膠污染。試劑放置室溫可長達(dá)7 個月。
樣本直擴技術(shù)意味著樣本進一步處理即可直接加入反應(yīng)體系,無需進行純化。固體樣品加入裂解液,95℃裂解10 min,上清液即可作為模板,無需純化。極大簡化了樣品制備的步驟,減少了勞動強度,也減少了污染的風(fēng)險?,F(xiàn)場操作步驟簡單,高中生訓(xùn)練2 h 即可操作。然而,LAMP 檢測方法也具有一定的局限性:靶序列要求較長,低于100 bp 無法設(shè)計引物。
目前,常用的百合病毒檢測方法雖多,但不同的方法會因植物病毒和寄主的不同而有不同的效果。雖然電鏡觀察法較直觀,但其需高倍數(shù)的電子顯微鏡,且樣品的制備費用昂貴。免疫學(xué)方法較為復(fù)雜,對實驗人員的操作能力要求較高,且實驗需制備大量的高質(zhì)量的抗血清,成本高,不易廣泛推行。PCR 和LAMP 擴增時引物結(jié)合位點不同,PCR 引物只需與靶序列的上、下游位點結(jié)合且引物不完全匹配時,PCR 仍能擴增出片段,但易出現(xiàn)非特異性片段,而LAMP 4 條引物只有與靶序列的6 個區(qū)域完全匹配,才能進行有效擴增。與常規(guī)PCR 和RT-PCR 相比,LAMP 檢測具有特異性和靈敏度更高、用時更短。LAMP 只需在等溫條件下完成,用恒溫水浴鍋就可完成反應(yīng),適合在基層和現(xiàn)場快速檢測,操作簡便,是一項快速、便捷但又準(zhǔn)確性高的新技術(shù),具有很廣的發(fā)展前景。簡而言之,自LAMP 技術(shù)發(fā)展以來,因其操作簡單、不需要昂貴儀器設(shè)備、快速、高效、特異性好、靈敏度高等優(yōu)點,更適用于田間樣本檢測。