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赤松根际土壤微生物PCR-DGGE反应体系优化



全 文 :书第35卷 第4期
2013年12月        
延 边 大 学 农 学 学 报
Journal of Agricultural Science Yanbian University     
Vol.35No.4
 Dec.2013
收稿日期:2013-10-20 基金项目:延边大学与中国林科院合作研究课题(413090025)
作者简介:唐丽娜(1987—),女,吉林公主岭人,延边大学农学院,在读硕士。金东淳为通讯作者,
      Tel:0433-2435559,E-mail:jdc1200@ybu.edu.cn
赤松根际土壤微生物PCR-DGGE反应体系优化
唐丽娜1, 朴春根2, 杭秋瑜3, 金东淳1*
(1.延边大学农学院,吉林 延吉133002;2.中国林业科学院,北京100091;
3.龙井市农业局,吉林 龙井133400)
摘要:为建立赤松根际土壤微生物的PCR-DGGE反应体系,以赤松根际土壤为材料,利用PCR-DGGE技术,
对反应体系中的几个重要因素不同梯度进行优化,包括模板DNA、dNTPs、引物及 Mg2+的用量。在25μL
PCR反应体系中,模板 DNA浓度为10ng,dNTPs浓度为0.15mM,引物浓度为0.32μM,Mg
2+ 浓度为
1.0mM时,其PCR效果最佳。用该反应体系扩增出来的PCR产物,在DGGE凝胶上能够清晰地分辨出赤松
根际土壤细菌和真菌多样性。这为进一步研究赤松根际土壤微生物,特别是研究赤松外生菌根奠定了基础。
关键词:赤松(Pinus densiflora Sieb.et Zucc.);根际土壤微生物;PCR-DGGE;体系优化
中图分类号:S154.36   文献标识码:A   文章编号:1004-7999(2013)04-0317-05
DGGE(denaturing gradient gel electrophoresis,变性梯度凝胶电泳)是Fischer和Merman于1979年最
先提出的,用于检验DNA突变的一种电泳技术[1],这种方法可以检测到一个核苷酸水平的差异。1993年,
Muzyers等第一次将DGGE技术[2]应用于微生物群落结构的研究[3],并证实了这种技术在揭示菌群差异方
面与自然界微生物区系的遗传多样性具有独特的优越性。即使是长度相同,但碱基序列有差异的DNA片
段在不同浓度梯度的变性剂 (脲素和甲酰胺)凝胶中电泳,根据部分解离的条件不同,其移动速度不同而得
到分离。通过染色后可以在凝胶上呈现出分散的条带。因此,这种技术可以分辨具有相同或相近分子量的
目的片断序列差异,可以用于检测单一碱基的突变和遗传多样性以及PCR扩增DNA片段的检测。
赤松(P.densiflora)属于松科松属,赤松根际长有松茸,松茸也称松口蘑,是一种纯天然的珍稀名贵食
用菌类,被誉为“菌中之王”。松茸因其生长环境严格,长白山也只有延边生长松茸,且分布区域狭小,其理论
储量为100t左右。在我国的横断山脉、台湾地区也产松茸,但因其质量逊于延边松茸,在国际市场上价格
相差很大。国家已将松茸列入濒危珍稀物种,属国家二级保护植物[4]。松茸具有强身、益肠胃、止痛、理气化
痰等功效,可以增强免疫力、降低血糖、强化心脏、调节血压、抗血栓、抗病毒等。孩子们吃了新鲜的松茸,还
有保护牙齿的作用。据日本资料称,松茸抗癌效果可达90%以上,还可治疗糖尿病等[5]。但遗憾的是到目
前为止松茸尚不能进行人工栽培[6],松茸与赤松是互惠共生关系,松茸的生长与赤松根际土壤微生物必有密
切关系,所以本试验主要是建立适合于赤松根际土壤微生物多样性分析的PCR-DGGE反应体系,为进一步
研究赤松根际土壤微生物多样性与松茸生长间关系奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
土壤样品采自延边朝鲜族自治州龙井智信赤松林。在产松茸季节,以赤松林下长有松茸的点为中心,分
别取长松茸的、离中心20、40、80、100、500cm点的土壤样品(分别记为1~6号样品)。取样深度为15cm左
右。土壤样品装入灭菌袋后放入冰块盒中并迅速带回实验室置于零下80℃保存。
1.2 主要试剂
土壤微生物DNA提取试剂盒 (PowerSoil DNA extraction kit,美国加利福尼亚亚洲Mobio公司);引物
延 边 大 学 农 学 学 报 第35卷 
(生工生物工程上海有限公司);TaKaRa Taq、dNTPs、Mg2+等 (宝生物工程大连有限公司)。
1.3 主要仪器
凝胶成像系统 (美国 WEALTEC公司);DYY-12电泳仪 (北京市六一仪器厂);超低温冰箱 (购自美国
Nuair公司);WD-9402A基因扩增仪 (北京市六一仪器厂);微量移液器等。
1.4 方法
1)土壤微生物DNA的提取 土壤样品过筛去除根须等异物质后,用研钵研磨,再按土壤微生物DNA
提取试剂盒的要求进行DNA的提取。取10μL DNA样品,在0.8%琼脂糖凝胶中电泳检测,与DNA Mak-
er作对照,将各样品DNA浓度调到20ng/μL左右,于-20℃冰箱中保存备用。
2)PCR-DGGE反应体系优化  在25μL PCR反应体系中,固定2.5μL 10×Buffer和0.4μL Taq
(5U/μL)的加入量,按照单因素试验方法检测其他因素对PCR的影响。引物序列为 May试验所采用的序
列[7]。其中模板DNA采用5个梯度;dNTPs采用5个梯度;引物采用5个梯度;Mg2+采用5个梯度(表1)。
PCR反应程序为:95℃预变性5min后,在95℃30s、50℃30s、72℃2min,共35个循环,最后于72℃延
伸10min。PCR产物在琼脂糖电泳或DGGE检测。
在DGGE分析中,真菌ITS区域的扩增采用ITS1F-GC,ITS4引物对[8],细菌16SrDNA多变区的扩增
采用341F-GC,518R引物对[9]。采用8%的凝胶单体,变性剂范围40%~60%,细菌DGGE反应条件为:温
度60℃,电压100V,15h。真菌DGGE反应条件为:温度60℃,电压分2个阶段:第1阶段,60V,1h;第2
阶段,110V,22h。
表1 PCR反应体系的优化设计
Table 1 Design of optimal PCR reaction system
序号 模板/ng  dNTPs/mM 引物/μM  Mg
2+/mM
1  5  0.1  2.4  0.5
2  10  0.15  3.2  1.0
3  20  0.2  4.0  1.5
4  40  0.25  4.8  2.0
5  80  0.3  5.6  2.5
2 结果与分析
2.1 土壤微生物基因组总DNA提取效果检测
土壤样品中提取DNA的方法有多种,而不同方法其提取效果有差异[10],特别是能否提取真菌DNA是
人们选择DNA提取方法时首先考虑的问题。本试验选用了PowerSoil DNA extraction kit,用该试剂盒提
取的土壤微生物基因组DNA的条带清晰、明亮 (图1),而且从DGGE效果看(图3-B),用该试剂盒能够提
取真菌DNA,基本满足本试验要求。
图1 DNA提取效果检测
Fig.1 Detecting DNA extraction effect
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 第4期 唐丽娜,等:赤松根际土壤微生物PCR-DGGE反应体系优化
2.2 PCR-DGGE反应体系优化
影响PCR扩增效果的因素有多种,其中模板DNA、dNTPs、引物、Mg2+在PCR反应体系中的浓度是影响
PCR扩增效果的主要因素。因此,本试验采用单因素试验对其适宜的浓度进行了优化。DNA模板浓度太低会
减少分子碰撞的几率,扩增产物不稳定浓度太高会增加非专一扩增产物或出现弥散性条带[11]。由图2-A可
知,模板DNA用量为5、10、20、40ng时(1~4号孔)均能扩增出条带,但模板含量为10ng时(2号孔),扩增产物
最多,条带最亮,所以,在本试验条件下最适宜的模板浓度为10ng,其效果最佳。dNTPs是PCR反应的原料。
浓度太低会过早的消耗,无法继续合成DNA,浓度太高会导致非特异性扩增[12]。由图2-B可知,在0.1~
0.3mM dNTPs各浓度均能扩增出条带,但dNTPs为0.15mM时(2号孔),扩增条带最亮,所以,在本试验条件
下最适宜的dNTPs浓度为0.15mM。引物设计和引物浓度对PCR扩增效果影响最大。为了PCR扩增赤松根
际土壤细菌和真菌特异片段DNA,本试验设计了多对特异性引物并对其PCR扩增效果进行比较(其结果未显
示)后,最终选择了效果较好的引物对(真菌:ITS1F-GC,ITS4;细菌:341F-GC,518R)。PCR反应体系中引物浓
度太低扩增产物太少,太高会导致非特异性扩增或引物之间形成二聚体[13]。由图2-C可知,当引物浓度为2.
4、3.2、4.0μM时,均可扩增出PCR产物,而2号孔的条带较好,所以引物浓度为3.2μM 时扩增效果最好。
Mg2+的主要作用是提高Taq酶的活性,适量的浓度会提高PCR扩增的效率,浓度过低会降低Taq酶的活性,扩
增产物少甚至扩不出来,浓度太高会形成金属螯合物,不利于PCR的进行[14]。由图2-D可知,只有2号孔才
能扩增出条带,所以在本实验条件下适宜 Mg2+浓度为1.0mM。
图2-A 模板DNA浓度对PCR扩增效果的影响        图2-B dNTPs浓度对PCR扩增效果的影响
Fig.2-A The effect of concentration of template        Fig.2-B The effect of concentration of
  DNA on PCR amplification                dNTPs on PCR amplification
  图2-C 引物浓度对PCR扩增效果的影响        图2-D Mg2+浓度对PCR扩增效果的影响
  Fig.2-C The effect of concentration of          Fig.2-D The effect of concentration of
  primer on PCR amplification               Mg2+on PCR amplification
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2.3 DGGE条件优化
在进行DGGE前,引物的筛选尤为重要,不同引物由于所扩增的多变区不同,进而在DGGE电泳后分
离条带数目、清晰度和分离效果差别较大[15]。为选择最适合于赤松根际土壤微生物DGGE体系的引物,通
过比较试验(其结果未显示)选择了能够扩增真菌ITS多变区的ITS1F-GC,ITS4引物对[8]及1组细菌16S
rDNA多变区引物341F-GC,518R[9]。采用8%的凝胶单体,变性剂范围40%~60%,细菌DGGE反应条
件为:温度60℃,电压100V,15h。真菌DGGE反应条件为:温度60℃,电压分2个阶段:第1阶段,60V,
1h;第2阶段,110V,22h。电泳完毕后,用溴酚蓝染色,用凝胶成像系统进行了照相、分析。图3-A和
3-B分别为赤松根际土壤细菌和真菌PCR-DGGE分析结果。图中不同土壤样品间均表现出细菌和真菌的
种类和丰度上的差异。这一结果说明,赤松根际土壤存在微生物多样性,也暗示长松茸的赤松根际土壤与周
边根际土壤间微生物群落差异。
图3 赤松根际土壤细菌(A)、真菌(B)DGGE图谱
Fig.3 Bacteria(A)and fungi(B)DGGE profiles of rhizosphere soil microorganism of P.densiflora
3 讨论与结论
优化赤松根际土壤微生物PCR-DGGE反应体系的结果表明:在25μL PCR反应体系中,模板DNA浓
度为10ng,dNTPs浓度为0.15mM,引物浓度为0.32μM,Mg
2+浓度为1.0mM时,其PCR效果最佳。用
该反应体系扩增出来的PCR产物,在DGGE凝胶上能够清晰地分辨出赤松根际土壤细菌和真菌多样性。
历来,微生物的鉴定、研究都是依靠人工纯化培养方法,这极大地限制了人们认识微生物、研究微生物的
进程。PCR-DGGE方法是不依靠人工纯培养的一种微生物研究方法。它广泛应用在极端环境微生物研究、
土壤微生物研究、污水-污染环境中微生物研究等领域。
微生物在生态系统中起到非常重要的作用。包括松口蘑在内的以蘑菇类为代表的各类植物的外生菌根
具有明显的经济效益和环境效益。不仅木材产量提高,而且还能提供大量美味可口的蘑菇。大量研究报道
证明,外生菌根菌有利于在贫瘠土壤生长出茂盛树林,在低营养土壤环境中,外生菌根菌能使大部分植物有
了共同的开拓者。在获得大量速生树的同时,也可获得高价值的菌类。研究赤松根际土壤微生物多样性,特
别是以松口蘑等外生菌根为主的真菌多样性研究在提高林木产量、提高生态效益、了解植物与微生物间的共
生关系等诸方面具有重要意义。
试验通过PCR-DGGE条件优化,基本建立了研究赤松根际土壤微生物体系。这为进一步深入研究赤
松外生菌根、解开其共生关系打下了坚实的基础。
参考文献:
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 第4期 唐丽娜,等:赤松根际土壤微生物PCR-DGGE反应体系优化
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Optimization of PCR-DGGE reaction system on rhizosphere
soil microorganism for Pinus densiflora Sieb.et Zucc
TANG Li-na1, PIAO Chun-gen2, HANG Qiu-yu3, JIN Dong-chun1*
(1.Agricultural College of Yanbian University,Yanji Jilin 133002,China;
2.Chinese Academy of Forestry,Beijing100091 China;
3.Agricultural Bureau of Longjing City,Longjing Jilin 133400,China)
Abstract:To explore the PCR-DGGE reaction system of rhizosphere soil microorganism for P.densiflora.
Some important factors for PCR-DGGE amplification system including the concentration of DNA tem-
plate,dNTPs,primers and Mg2+ were optimized with P.densiflora soil as materials.An optimal system
(25μL)was obtained as 10ng DNA template,0.15mM dNTPs,0.32μM primer,and Mg
2+1.0mM.The
method simple and fast.Amplification of PCR products in the reaction system on the DGGE gel can be
clearly distinguished P.densiflorarhizosphere bacterial and fungal diversity.For the further research of P.
densiflora rhizosphere microbes,especialy research P.densiflora ectotrophic mycorrhiza laid a founda-
tion.
Key words:Pinus densiflora Sieb.et Zucc.;rhizosphere soil microorganism;PCR-DGGE;parameter optimi-
zation
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