劉暢+祝朋芳+房霞+康耀海+趙穎
摘要:為優(yōu)化羽衣甘藍(lán)(Brassica oleracea var. acephala)SSR反應(yīng)體系,并利用優(yōu)化的體系進(jìn)行引物的篩選。采用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)篩選各反應(yīng)因素的最佳水平,并采用L16(45)正交設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化,建立了羽衣甘藍(lán)SSR-PCR最佳反應(yīng)體系。結(jié)果表明,各因素不同水平濃度對(duì)擴(kuò)增結(jié)果均有一定影響,羽衣甘藍(lán)基因組DNA的最佳SSR反應(yīng)體系為DNA模板量(50 ng/μL)1.0 μL,10×PCR Buffer 1.0 μL,引物量(2.0 μmol/L)上下游各3.0 μL,dNTPs(2.5 mmol/L)0.8 μL,Taq聚合酶(5 U/μL)0.2 μL,ddH2O 1.0 μL,總體積10 μL。檢測了優(yōu)化體系的穩(wěn)定性,利用優(yōu)化的反應(yīng)體系對(duì)蕓薹屬植物 20對(duì)SSR引物進(jìn)行擴(kuò)增并用聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測,在所選用的20對(duì)引物中,18對(duì)擴(kuò)增出了清晰的條帶,11對(duì)具有特異擴(kuò)增條帶,多態(tài)性引物比率為61%,驗(yàn)證了該體系可用于羽衣甘藍(lán)SSR-PCR擴(kuò)增和SSR引物的篩選。
關(guān)鍵詞:羽衣甘藍(lán)(Brassica oleracea var. acephala);SSR;正交設(shè)計(jì);體系優(yōu)化
中圖分類號(hào):S635.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2014)09-2079-04
Optimizing SSR System of Brassica oleracea var. acephala
LIU Chang1,ZHU Peng-fang1,FANG Xia1,KANG Yao-hai1,ZHAO Ying1,2
(1.College of Forestry, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China;
2. Liaoning Urban Construction Technical College, Shenyang 110122, China)
Abstract:The SSR system of Brassica oleracea var. acephala was optimized by screening primers. The single factor with random design was used to optimize the SSR-PCR amplification system and the L16(45) orthogonal design was used. Results showed that different levels of each factor had different effects on PCR. The optimal system was DNA template(50 ng/μL) 1.0 μL, 10×PCR Buffer1.0 μL, 2.0 μmol/L upstream primer and downstream 3.0 μL each, dNTPs(2.5 mmol/L)0.8 μL, Taq DNA polymerase(5U/μL) 0.2 μL and ddH2O 1.0 μL. Twenty pairs of primers were used to test the optimized system by polyacrylamide gel electrophoresis. Eighteen pairs of primers had clear bands and eleven pairs of primers were with polymorphic, with the percentage of polymorphism of 61%. The optimized system could be used for SSR-PCR.
Key words: Brassica oleracea var. acephala; SSR; orthogonal design; system optimization
羽衣甘藍(lán)(Brassica oleracea var. acephala)是十字花科(Brassicaceae)蕓薹屬(Brassica)觀賞植物,又名葉牡丹,觀賞價(jià)值高,耐寒性強(qiáng)。開展羽衣甘藍(lán)遺傳育種相關(guān)研究工作是其應(yīng)用的關(guān)鍵,由于我國近十幾年才開始引種栽培羽衣甘藍(lán),目前較多的研究集中在組織培養(yǎng)及主要園藝性狀的初步遺傳規(guī)律分析等方面。
分子標(biāo)記技術(shù)目前已成為現(xiàn)代遺傳學(xué)研究的重點(diǎn),在諸如SRAP、RFLP、RAPD、SSR、AFLP等諸多分子標(biāo)記中,SSR標(biāo)記基于PCR,操作安全簡單,多態(tài)性好,穩(wěn)定性強(qiáng),且多數(shù)為共顯性[1,2],是優(yōu)良的基因組特異標(biāo)記類型,近年來在蕓薹屬植物上得到了較廣泛的開發(fā)。近緣屬植物相關(guān)研究中,SSR標(biāo)記主要集中在油菜、甘藍(lán)、白菜等作物中,目前尚未見羽衣甘藍(lán)SSR反應(yīng)體系優(yōu)化的相關(guān)研究。關(guān)于植物分子標(biāo)記反應(yīng)體系優(yōu)化方面的研究,國內(nèi)以采用正交試驗(yàn)獲得最優(yōu)反應(yīng)體系較多[3-11]。為此,在前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)羽衣甘藍(lán)SSR-PCR反應(yīng)體系進(jìn)行了研究,得到了一套適合于羽衣甘藍(lán)基因組DNA擴(kuò)增的反應(yīng)體系,為后續(xù)相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。
1材料與方法
1.1材料
以羽衣甘藍(lán)自交系為試材。dNTPs(2.5 mmol/L)、Taq DNA聚合酶(5U/μL)、10×PCR Buffer(含Mg2+)、D2000 DNA Ladder等分子生物學(xué)試劑購于天根生化科技有限公司。采用CTAB法[12,13]提取羽衣甘藍(lán)基因組DNA, 用1%的瓊脂糖凝膠檢測DNA質(zhì)量,-20 ℃保存用于PCR擴(kuò)增。
1.2SSR擴(kuò)增反應(yīng)體系的優(yōu)化
SSR引物根據(jù)蕓薹屬基因庫信息源(BRAD,the Brassica database,http://brassicadb.org)公告的蕓薹屬作物引物序列,由金斯瑞生物工程技術(shù)有限公司合成。
SSR反應(yīng)體系總體積10 μL,包括50 ng/μL的模板DNA,10×Buffer,2 μmol/L的引物,2.5 mmol/L的dNTPs及5U/μL的Taq聚合酶。為了確定這5個(gè)因素在PCR反應(yīng)中的最佳水平,采用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)和正交試驗(yàn),運(yùn)用引物BN12A進(jìn)行擴(kuò)增。引物BN12A序列:5′端Forward:5′-GCCGTTCTAGGGTTT
GTGGGA-3′, Tm:49.59 ℃; 3′端Reverse:5′-GAGGA
AGTGAGAGCGGGAAATCA-3′,Tm:52.37 ℃。單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)選取了5個(gè)因素,各因素均設(shè)4個(gè)水平,逐個(gè)優(yōu)化其他反應(yīng)成分的水平,以確定相對(duì)較優(yōu)的因素組合。該部分試驗(yàn)中,逐一研究反應(yīng)體系中10×PCR Buffer、模板DNA、dNTPs及引物的用量對(duì)擴(kuò)增結(jié)果的影響。即當(dāng)針對(duì)某種組分進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),其他組分的用量不變。
L16(45)正交試驗(yàn)因素與水平見表1,PCR反應(yīng)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。
1.3擴(kuò)增產(chǎn)物和反應(yīng)體系穩(wěn)定性的檢測
SSR反應(yīng)程序?yàn)椋海梗?℃預(yù)變性3 min,94 ℃變性45 s,40~55 ℃(需根據(jù)Tm值確定)復(fù)性45 s,72 ℃延伸45 s,35個(gè)循環(huán);72 ℃延伸7 min;4 ℃保存。擴(kuò)增反應(yīng)結(jié)束后,在擴(kuò)增產(chǎn)物中加入4 μL PCR產(chǎn)物和1 μL 6×Loading Buffer混勻,2.0%的瓊脂糖凝膠檢測?;蛏蠘樱?μL于5%的變性聚丙烯酰胺凝膠電泳中,在1×TBE的電極緩沖液中電泳檢測,采用銀染法染色。
選用20對(duì)SSR引物優(yōu)化后的最佳反應(yīng)體系、反應(yīng)程序進(jìn)行SSR反應(yīng)體系穩(wěn)定性檢測。
2結(jié)果與分析
2.1羽衣甘藍(lán)基因組DNA質(zhì)量檢測
將提取的羽衣甘藍(lán)基因組DNA經(jīng)分光光度計(jì)檢測,發(fā)現(xiàn)其OD260 nm/OD280 nm均在1.8~2.0之間,又經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測,DNA呈現(xiàn)一條亮帶,條帶清晰,無明顯的拖尾現(xiàn)象(圖1),說明提取的DNA純度均一。純度和濃度檢測結(jié)果相互驗(yàn)證,說明提取的DNA合格,可以滿足后續(xù)的PCR反應(yīng)要求,為下一步的PCR擴(kuò)增篩選SSR引物提供了有力的保障。
2.2羽衣甘藍(lán)SSR反應(yīng)體系的優(yōu)化
2.2.1單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)篩選結(jié)果由圖2 可知,dNTPs的體積在0.4~0.8 μL時(shí)擴(kuò)增效果比較好,可擴(kuò)增出清晰的條帶,其中以0.8 μL的dNTPs擴(kuò)增出的特異性條帶最多且最清晰。當(dāng)dNTPs體積達(dá)到1.0 μL時(shí)擴(kuò)增出的條帶很少且很淺不清晰,可能是由于高濃度dNTPs易與Taq酶競爭,結(jié)合了Mg2+,降低了酶活性;而dNTPs濃度低時(shí),影響擴(kuò)增產(chǎn)物形成,擴(kuò)增量少,條帶較弱。
從圖3可以看出,DNA模板量在0.5~1.0 μL時(shí),對(duì)SSR的擴(kuò)增沒有明顯的影響,但1.0 μL的DNA模板擴(kuò)增出的條帶要比0.5 μL的DNA模板擴(kuò)增出的特異性條帶多且清晰。但當(dāng)DNA模板量大于1.5 μL時(shí),SSR擴(kuò)增結(jié)果出現(xiàn)了非特異性的擴(kuò)增條帶且雜帶較多。
從圖4可以看出,Taq DNA聚合酶的體積為0.1 μL時(shí)特異性條帶很淡,在0.2~0.4 μL時(shí)擴(kuò)增的帶型較穩(wěn)定且清晰。而當(dāng)Taq DNA聚合酶的體積為0.6 μL時(shí)出現(xiàn)了較淡的非特異性條帶。
從圖5可以看出,10×PCR Buffer的體積在1.0~1.5 μL時(shí)條帶較清晰明顯,但1.0 μL的10×PCR Buffer的特異性條帶要比1.5 μL的亮。相反,當(dāng)10×PCR Buffer體積大于2.0 μL時(shí),擴(kuò)增結(jié)果出現(xiàn)了較淡的非特異性條帶。
從圖6可以看出,當(dāng)引物量較低(小于2.0 μL)時(shí)擴(kuò)增出的條帶很少,當(dāng)引物量在2.5~3.0μL時(shí)擴(kuò)增出的條帶較多,尤其引物量為3.0 μL時(shí)擴(kuò)增出的條帶更清晰。由此應(yīng)選用3.0 μL左右的引物用量。
2.2.2正交試驗(yàn)結(jié)果按照表2的16個(gè)組合進(jìn)行PCR反應(yīng)后的電泳結(jié)果見圖7。從圖7可以看出,在16個(gè)處理組合中,由于Taq DNA聚合酶、10×PCR Buffer、模板DNA、dNTPs和引物5個(gè)因素的用量不同, 擴(kuò)增的效果存在明顯的差異。組合1、2基本沒有條帶,組合3、4、6、12條帶較少且較淡,組合5條帶最多且很清晰。為了能擴(kuò)增出清晰度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的條帶, 選用組合5為最佳反應(yīng)體系,即DNA模板量(50 ng/μL)1.0 μL,10×PCR Buffer 1.0 μL,引物量(2.0 μmol/L)上下游各3.0 μL, dNTPs(2.5 mmol/L)0.8 μL,Taq聚合酶(5 U/μL)0.2 μL。
綜合單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)和正交試驗(yàn)的結(jié)果,認(rèn)為適合羽衣甘藍(lán)基因組DNA的最佳SSR反應(yīng)體系為:DNA模板量(50 ng/ μL)1.0 μL,10×PCR Buffer1.0 μL,引物量(2.0 μmol/L)上下游各3.0 μL,dNTPs(2.5 mmol/L)0.8 μL,Taq聚合酶(5 U/μL)0.2 μL,ddH2O 1.0 μL。
2.3SSR反應(yīng)體系穩(wěn)定性的檢測
采用分辨率更高的聚丙烯酰胺凝膠,利用上述構(gòu)建的最優(yōu)反應(yīng)體系,在所選用的20對(duì)引物中,18對(duì)引物能擴(kuò)增出清晰的條帶(圖8),篩選出具有特異擴(kuò)增條帶的SSR引物11對(duì),多態(tài)性引物占有率為61%。由此認(rèn)為,上述建立的SSR-PCR反應(yīng)體系穩(wěn)定性較好,適合于羽衣甘藍(lán)基因組DNA的擴(kuò)增。
3小結(jié)與討論
SSR體系的優(yōu)化是以其PCR擴(kuò)增能力為尺度對(duì)模板DNA或其他因素進(jìn)行調(diào)整,從而獲得最佳的擴(kuò)增能力。SSR-PCR對(duì)反應(yīng)條件的變化比較敏感,外界因素的不同會(huì)使SSR的擴(kuò)增結(jié)果不同。PCR反應(yīng)是由耐高溫的Taq酶催化,但不同公司生產(chǎn)的不同質(zhì)量的Taq DNA聚合酶的擴(kuò)增效果會(huì)有一定差異,從而導(dǎo)致Taq DNA聚合酶的最佳用量也不會(huì)完全一樣。試驗(yàn)中所用的Taq DNA聚合酶為天根生化科技有限公司生產(chǎn),從一定程度上保證了關(guān)鍵因子的一致性。在SSR擴(kuò)增反應(yīng)中Mg2+主要來源于Buffer,由于本研究所采用的與Taq DNA聚合酶配套,使用的10×Buffer中已含MgCl2, 因而Mg2+濃度被固定,并未對(duì)其中所含的Mg2+的最適宜濃度進(jìn)行研究,這與前人的研究有所不同。
試驗(yàn)中除Taq DNA聚合酶、10×PCR Buffer、模板DNA、dNTPs和引物等主要因素外,所使用的儀器、試劑、操作手法等因素也會(huì)對(duì)反應(yīng)體系造成影響。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,是在一致的試驗(yàn)條件下完成的,一定程度上保證了反應(yīng)體系的統(tǒng)一和穩(wěn)定性,從而有利于提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,為后續(xù)試驗(yàn)如多態(tài)性引物篩選、特異性標(biāo)記的獲得等打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
SSR-PCR反應(yīng)體系的獲得主要以單因素、完全試驗(yàn)、正交試驗(yàn)3種方法為主。相比較而言,單因素獲得的反應(yīng)體系方法簡單易行,需進(jìn)行多次的單因素梯度試驗(yàn),忽略了各因素間的交互作用。完全試驗(yàn)考慮到了所有的組合方式,但試驗(yàn)組合數(shù)較多,工作量較大,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。多因素的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn),利用正交表的均衡分散性和整齊可比性,既能減少試驗(yàn)規(guī)模又能快速地找出最優(yōu)的反應(yīng)體系,是篩選PCR反應(yīng)的一種有效方法[13-15]。試驗(yàn)首先用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)大范圍識(shí)別SSR反應(yīng)體系中的關(guān)鍵影響因素的用量,再利用正交設(shè)計(jì)確定其最適用量。單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)的單因素因子不會(huì)影響其他因子評(píng)價(jià),但也不能兼顧各因素間的交互作用,所以需先用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)大范圍確定影響因素的用量再用正交試驗(yàn)確定其最佳用量。試驗(yàn)采用了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)兩種方法,但對(duì)于結(jié)果的判斷通過直觀的電泳圖譜進(jìn)行定性或評(píng)分法對(duì)各處理體系進(jìn)行篩選也存在一定的主觀性,因此也缺乏一定的可靠性。
在獲得最佳反應(yīng)體系后,要檢測反應(yīng)體系的穩(wěn)定性以驗(yàn)證反應(yīng)體系是否為最佳。試驗(yàn)繼而選用20對(duì)引物,利用以上優(yōu)化后的反應(yīng)體系進(jìn)行擴(kuò)增反應(yīng),獲得了90%的擴(kuò)增率。此外,利用不同的SSR引物檢測多態(tài)性時(shí),由于不同引物的Tm不同,因而采用的最適Tm也不同,試驗(yàn)中可參考引物設(shè)計(jì)合成時(shí)的退火溫度或通過梯度PCR儀篩選引物的最佳退火溫度。試驗(yàn)建立的一套完善的適用于羽衣甘藍(lán)的SSR標(biāo)準(zhǔn)體系,將有助于為羽衣甘藍(lán)重要性狀分子標(biāo)記的相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。
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