全 文 :·生物技术· 北方园艺2016(01):80~83
第一作者简介:王楠(1987-),女,硕士研究生,研究方向为园林植
物与观赏园艺。E-mail:371622073@qq.com.
责任作者:王锦(1966-),女,博士,教授,现主要从事观赏园艺等教
学与科研工作。E-mail:908505685@qq.com.
基金项目:云南省高校林下生物资源保护及利用科技创新团队资
助项目(51400605);西南林业大学科学研究基金面上资助项目
(111105)。
收稿日期:2015-09-24
DOI:10.11937/bfyy.201601021
铁线莲园艺品种ISSR-PCR反应
体系优化与引物筛选
王 楠,王 锦,李 宗 艳,杨 坤 梅,何 辉,肖 振 东
(西南林业大学 园林学院,云南 昆明650224)
摘 要:以铁线莲的园艺品种Clematis‘Gravetye Beauty’为试材,采用改良CTAB法
提取其基因组DNA为模板,采用单因子试验设计,研究模板DNA含量、引物浓度、Master
Mix对ISSR-PCR反应的影响,以期构建基于ISSR分子标记技术的铁线莲园艺品种遗传
图谱。结果表明:25μL C.‘Gravetye Beauty’ISSR-PCR最佳反应体系的模板DNA用量
5ng、引物浓度0.8μmol/L、Master Mix 12μL;利用该体系从38条ISSR引物中筛选出扩
增条带清晰、多态性好的11条引物。
关键词:铁线莲园艺品种;ISSR-PCR反应体系;引物筛选
中图分类号:S 682.2+9 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2016)01-0080-04
铁线莲属毛茛科铁线莲属(Clematis L.)植物,多为
藤本,少数宿根草本,分布于热带、亚热带、温带和寒带
地区[1]。全世界共有355个种,我国155个种,全国各地
都有分布,尤以西南地区种类较多[2-5]。铁线莲园艺品
种花色丰富,花型多变,花期长,观赏价值很高,被誉为
“攀援植物皇后”,在世界园林中占有十分重要的地位[6]。
目前对铁线莲属植物的研究多集中在分类学、细胞学、系
统分类、引种栽培、病虫害防治和繁殖技术等方面[7]。现
采用ISSR分子标记技术,建立铁线莲园艺品种ISSR-PCR
最佳反应体系,以期为构建铁线莲园艺品种遗传图谱奠
定基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试材料为2010年2月从欧洲引进的铁线莲园艺
品种C.‘Gravetye Beauty’2年生种苗,栽植在西南林业
大学铁线莲种质资源圃。该试验所用Master Mix包含反
应缓冲液、dNTPs、MgCl2、Taq DNA聚合酶、PCR反应优
化剂、增强剂和稳定剂,购于昆明硕阳科技有限公司。
1.2 试验方法
采集C.‘Gravetye Beauty’新鲜叶片,用70%酒精擦
洗叶片表面,放于-70℃冰箱保存。
1.2.1 基因组DNA的提取 采用改良CTAB法[8]提
取C.‘Gravetye Beauty’基因组DNA。
1.2.2 ISSR-PCR反应引物 试验所用的38个ISSR引
物参考加拿大哥伦比亚大学(UBC)公布引物。38条引
物碱基序列见表1。
1.2.3 试验设计 ISSR-PCR反应体系中模板DNA
含量、目标引物浓度、Master Mix因素采用单因子试
验设计。扩增反应程序为95℃预变性3min;95℃变
性45s,54℃退火45s,72℃延伸90s,40个循环;
72℃延伸5min;4℃保存。采用1.0%的琼脂糖凝胶
电泳检测扩增产物,最后在凝胶成像系统中进行拍照
分析。
2 结果与分析
2.1 基因组DNA的提取结果
从图1电泳结果可以看出,1条整齐亮带,DNA主
带清晰,无明显的RNA带,无弥散现象。DNA样品中
的OD260/OD280均在1.80~1.90,提取的DNA纯度较
高。把提取的 DNA样品统一稀释到一定浓度后,
-20℃保存。
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北方园艺2016(01):80~83 ·生物技术·
表1 38条引物碱基序列
Table 1 Base sequences of 38primers
引物 引物序列(5′~3′) 引物 引物序列(5′~3′) 引物 引物序列(5′~3′)
Primer Primer sequence(5′-3′) Primer Primer sequence(5′-3′) Primer Primer sequence(5′-3′)
ISSR-833 AGAGAGAGAGAGAGAGAT UBC-834 AGAGAGAGAGAGAGAGYT UBC-867 GGCGGCGGCGGCGGCGGC
ISSR-827 ACACACACACACACACG UBC-835 AGAGAGAGAGAGAGAGYC UBC-868 GAAGAAGAAGAAGAAGAA
UBC-801 ATATATATATATATATT UBC-836 AGAGAGAGAGAGAGAGYA UBC-872 GATAGATAGATAGATA
UBC-804 ATATATATATATATATA UBC-840 GAGAGAGAGAGAGAGAYT UBC-873 GACAGACAGACAGACA
UBC-808 AGAGAGAGAGAGAGAGC UBC-841 GAGAGAGAGAGAGAGAYC UBC-876 GATAGATAGACAGACA
UBC-809 AGAGAGAGAGAGAGAGG UBC-842 GAGAGAGAGAGAGAGAYG UBC-880 GGAGAGGAGAGGAGA
UBC-811 GAGAGAGAGAGAGAGAC UBC-846 CACACACACACACACART UBC-884 HBHAGAGAGAGAGAGAG
UBC-812 GAGAGAGAGAGAGAGAA UBC-847 CACACACACACACACARC UBC-889 DBDACACACACACACAC
UBC-815 CTCTCTCTCTCTCTCTG UBC-848 CACACACACACACACARG UBC-895 AGAGTTGGTAGCTCTTGATC
UBC-817 CACACACACACACACAA UBC-855 ACACACACACACACACYT UBC-898 GATCAAGCTTNNNNNNATGTGG
UBC-818 CACACACACACACACAG UBC-860 TGTGTGTGTGTGTGTGRA UBC-899 CATGGTGTTGGTCATTGTTCCA
UBC-820 GTGTGTGTGTGTGTGTC UBC-862 AGCAGCAGCAGCAGCAGC UBC-900 ACTTCC CCACAGGTTAACACA
UBC-825 ACACACACACACACACT UBC-864 ATGATGATGATGATGATG
注:1~4 C.‘Gravetye Beauty’DNA。C1=568.50,OD260/OD280=
1.86;C2=297.80,OD260/OD280=1.84;C3=235.38,OD260/OD280=
1.80;C4=692.26,OD260/OD280=1.87。
Note:1-4 C.‘Gravetye Beauty’DNA.C1=568.50,OD260/OD280=
1.86;C2=297.80,OD260/OD280=1.84;C3=235.38,OD260/OD280=
1.80;C4=692.26,OD260/OD280=1.87.
图1 C.‘Gravetye Beauty’基因组DNA电泳
Fig.1 Electrophresis pattern of genomic DNA from
C.‘Gravetye Beauty’
2.2 目标引物的确定
从38个ISSR引物中随机选择8个引物808、811、
817、840、847、860、873、889进行目标引物初筛,ISSR引
物由上海生物工程技术有限公司合成。ISSR-PCR反应
体系确定为25μL,模板DNA 10ng,Mix 12.5μL,引
物1μmol/L,双蒸水找平。扩增反应程序为95℃预变
性3min;95℃变性45s,54℃退火45s,72℃延伸90s,40
个循环;72℃延伸5min;4℃保存。采用1.0%的琼脂糖
凝胶电泳检测扩增产物,最后在凝胶成像系统中进行拍
照分析。8个引物的扩增结果见图2。比较扩增条带的清
晰度和多态性,引物UBC-847效果最好,所以选择引物
UBC-847为目标引物进行后续ISSR-PCR反应体系建立。
2.3 ISSR-PCR最佳反应体系建立
ISSR扩增反应中,模板DNA的用量对扩增结果有
较大影响,DNA浓度过低会造成分子碰撞的几率降低,
导致偶然性增加,扩增产物具不稳定性;DNA浓度过高
会加大非特异产物的扩增,且不同物种所需要的最佳模
板DNA浓度范围不同。因此确定适合的模板DNA用
量非常重要。不同模板DNA的用量都能扩出清晰的条
带,当模板DNA浓度在5.0ng/25μL时扩增条带最亮;
当浓度超过10.0ng/25μL时,扩增条带的亮度逐渐降
低。模板DNA浓度在5.0~15.0ng/25μL范围变化时,
注:1~2引物808,3~4引物811,5~6引物817,7~8引物840,9~10引物847,11~12引物860,13~14引物873,15~16引物889。
Note:1-2primer 808,3-4primer 811,5-6primer 817,7-8primer 840,9-10primer 847,11-12primer 860,13-14primer 873,15-16primer 889.
图2 8条引物的ISSR-PCR扩增
Fig.2 Eight ISSR-PCR amplification of primers
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·生物技术· 北方园艺2016(01):80~83
扩增出来的条带数基本一致,当浓度超过15.0ng/25μL
时,扩增条带数减少。由此可知,在25μL的反应体系
中,5ng为最佳模板用量(图3)。
注:M1-5ng,M2-10ng,M3-15ng,M4-30ng,M5-50ng,M6-70ng。
Note:M1-5ng,M2-10ng,M3-15ng,M4-30ng,M5-50ng,M6-70ng.
图3 模板DNA用量对ISSR-PCR反应的影响
Fig.3 Efect of template DNA on ISSR-PCR amplification system
从图4可以看出,在6个不同引物浓度梯度中,浓
度为0.4μmol/L时,扩增出来的条带较少,当增至0.8~
1.2μmol/L时扩增出来的条带数量多、清晰且较亮。浓
度升高到1.6~3.2μmol/L时,扩增条带逐渐变少且模
糊。考虑节约成本,ISSR-PCR反应的适宜引物浓度为
0.8μmol/L。
Master Mix具有稳定性好、灵敏度高、快速简便、特
异性强等优点。由图5可知,随 Master Mix加入量增
加,扩增条带变亮。当 Master Mix加入量小于11μL
时,扩增条带模糊且数量较少。当加入量在12~15μL
时扩增条带稳定清晰。考虑节约成本,12μL为 Master
Mix最佳用量。
单因子试验结果得出25μL C.‘Gravetye Beauty’
ISSR-PCR最佳反应扩增体系DNA用量为5ng,引物浓
度为0.8μmol/L,Master Mix用量为12μL。
注:M1-0.4μmol/L,M2-0.8μmol/L,M3-1.2μmol/L,M4-1.6μmol/L,
M5-2.4μmol/L,M6-3.2μmol/L。
Note:M1-0.4μmol/L,M2-0.8μmol/L,M3-1.2μmol/L,M4-1.6μmol/L,
M5-2.4μmol/L,M6-3.2μmol/L.
图4 引物浓度对ISSR-PCR反应的影响
Fig.4 Efect of ISSR primer on ISSR-PCR amplification system
注:M1-9μL,M2-10μL,M3-11μL,M4-12μL,M5-13μL,M6-15μL。
Note:M1-9μL,M2-10μL,M3-11μL,M4-12μL,M5-13μL,M6-15μL.
图5 Master Mix用量对ISSR-PCR反应的影响
Fig.5 Efect of Master Mix on ISSR-PCR amplification system
严格来说,退火温度并不一定等于其Tm 值,而在
Tm 值附近波动,参考不同引物的Tm 值,利用梯度PCR
确定该引物的最佳退火温度。以引物825(Tm=52.2℃)
为例,设定退火温度梯度分别为46.7、46.9、47.7、48.9、
注:M1-46.7℃,M2-46.9℃,M3-47.7℃,M4-48.9℃,M5-50.2℃,M6-51.5℃,M7-52.8℃,M8-54.2℃,M9-55.5℃,M10-56.7℃,M11-57.4℃,M12-57.7℃。
Note:M1-46.7℃,M2-46.9℃,M3-47.7℃,M4-48.9℃,M5-50.2℃,M6-51.5℃,M7-52.8℃,M8-54.2℃,M9-55.5℃,M10-56.7℃,M11-57.4℃,M12-57.7℃.
图6 退火温度对引物825ISSR-PCR反应的影响
Fig.6 Efect of annealing temperature on 825ISSR-PCR amplification system
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北方园艺2016(01):80~83 ·生物技术·
50.2、51.5、52.8、54.2、55.5、56.7、57.4、57.7℃。从图6
可以看出,退火温度小于56.7℃时扩增的条带较少、大
片段带较多且背景模糊。退火温度在57.4℃时扩增的
条带数最多,效果最好。当退火温度高于57.4℃时,扩
增条带开始减少。
通过退火温度梯度设置,采用所得ISSR-PCR最佳
反应扩增体系对38个引物进行初筛和复筛,选择出条
带比较清晰且多态性好的11条引物及其最佳退火温度
(表2)。
表2 引物筛选及最佳退火温度
Table 2 Primer screening and its optimum annealing temperature ℃
引物 Tm 值 退火温度 引物 Tm 值 退火温度 引物 Tm 值 退火温度
Primer Tmvalue Anncealing temperature Primer Tmvalue Anncealing temperature Primer Tmvalue Anncealing temperature
UBC-812 52.2 52.8 UBC-834 53.9 53.2 UBC-848 56.2 54.2
UBC-817 52.2 52.8 UBC-836 53.9 50.6 UBC-873 51.6 53.6
UBC-818 54.6 53.9 UBC-841 56.2 58.2 UBC-880 53.6 51.9
UBC-825 52.2 57.4 UBC-847 56.2 56.8
3 结论与讨论
该试验结果表明,25μLC.‘Gravetye Beauty’ISSR-PCR
最佳反应扩增体系的模板DNA用量为5ng,引物浓度
为0.8μmol/L,Master Mix用量为12μL。利用该体系
从38条ISSR引物中筛选出扩增条带清晰、多态性好的
11条引物。
ISSR-PCR是基于PCR的分子标记技术,与其它
基于PCR的反应技术一样,其扩增会受到诸多因素的
影响。因此为获得可靠性和重复性较高的ISSR带谱,
十分有必要对它的反应体系进行优化。引物浓度是影
响ISSR-PCR扩增的一个重要因素。引物浓度过低,
会使扩增产量下降,可能会出现Smear现象,而引物浓
度过高,易引起碱基错配和产生非特异性扩增。在
ISSR-PCR反应中使用 Master Mix能够很好的解决反
应体系中dNTPs、Taq DNA聚合酶、Mg2+浓度的配比
问题。不仅缩短了试验时间还可有效地避免人为操作
污染。关于引物的退火温度,从理论上讲,退火温度
高,特异性强,但温度过高,不利于引物和模板结合。
温度太低,会造成引物与模板配错,从而使特异性大大
降低。
参考文献
[1] 中国科学院中国植物志编委会.中国植物志[M].28卷.北京:科学
出版社,2000.
[2] 王文采,李良千.铁线莲属一新分类系统[J].植物分类学报,2005,43
(5):431-488.
[3] 张燕,黎斌,李思锋.铁线莲属植物分类学及园艺学研究进展[J].中
国野生植物资源,2010,29(5):6-10.
[4] 江南,管开云,王仲朗.云南铁线莲属植物地理分布及区系特征[J].
云南植物研究,2007,29(2):145-154.
[5] 王文采.云南植物志[M].昆明:云南科学技术出版社,2000:208-
209.
[6] 章银柯,江燕.我国铁线莲属植物研究现状及其园林应用[J].北方
园艺,2007(3):122-124.
[7] 刘立波.杨慧,王锦.铁线莲属植物研究进展[J].安徽农业科学,
2009,37(15):6959-6961.
[8] 胡晨,孙正海,王锦,等.4种滑叶铁线莲基因组DNA提取方法比较
[J].安徽农业科学,2011,39(36):2225-22216,22363.
Optimization of ISSR-PCR System and Selection of Primers for
Horticultural Varieties of Clematis
WANG Nan,WANG Jin,LI Zongyan,YANG Kunmei,HE Hui,XIAO Zhendong
(Colege of Landscape Architecture,Southwest Forestry University,Kunming,Yunnan 650224)
Abstract:AClematis garden species(Clematis‘Gravetype Beauty’)was chosen as the experiment material to built the
genetic map based on the ISSR molecule marker technology.The‘Gravetye Beauty’genomic DNA was used as the DNA
model,and simple factor design of experiment was used to study the impacts of model NDA concentration,primer
concentration,and Master Mix on ISSR-PCR reaction.The results showed that the optimum system was DNA model 5ng,
primer concentration 0.8μmol/L,Master Mix 12μL and the whole reaction system was 25μL.Using this system,11
primers with clear stripe and good polymorphism were selected from 38ISSR primers.
Keywords:Clematis cultivation;ISSR-PCR reaction system;primer screening
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