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牛筋草ISSR-PCR反应体系的建立与优化



全 文 : 2012,38(3):90-94 Plant Protection
收稿日期: 2011-09-15   修订日期: 2011-10-23
基金项目: 转基因生物新品种培育重大专项(2009ZX08012-025B)
* 通信作者 Tel:010-62815937,0538-8241114;E-mail:hjhuang@wssc.org.cn,wangjx@sdau.edu.cn
牛筋草ISSR-PCR反应体系的建立与优化
张 杨1, 张朝贤2, 王金信1*, 魏守辉2, 黄红娟2*
(1.山东农业大学植物保护学院,泰安 271018;
2.中国农业科学院植物保护研究所,中国农业科学院杂草鼠害生物学与治理重点开放实验室,北京 100193)
摘要 以牛筋草地上组织为材料,采用正交优化和单因子试验两种方法对影响牛筋草ISSR-PCR体系的 Mg2+浓
度、dNTP浓度、Taq DNA聚合酶浓度、引物浓度和DNA模板浓度5个因素进行优化试验,建立适合牛筋草ISSR-
PCR的反应体系。结果表明,牛筋草ISSR-PCR反应体系的最佳条件为:Mg2+1.75mmol/L,dNTP 0.4mmol/L,
Taq DNA聚合酶1U/25μL,引物0.3μmol/L,模板DNA 80ng/25μL,10×PCR Buffer 2.5μL/25μL。利用优化
体系进行牛筋草的ISSR-PCR反应,可获得稳定性高、重复性好、背景清晰的电泳结果。
关键词 牛筋草; ISSR-PCR; 正交设计; 单因子试验
中图分类号: S 451  文献标识码: A  DOI: 10.3969/j.issn.0529-1542.2012.03.020
Establishment and optimization of ISSR-PCR
reaction system for Eleusine indica
Zhang Yang1, Zhang Chaoxian2, Wang Jinxin1, Wei Shouhui 2, Huang Hongjuan2
(1.Colege of Plant Protection,Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China;
2.Institute of Plant Protection,Key Laboratory of Weed and Rodent Biology and Management,
Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100193,China)
Abstract The suitable ISSR-PCR reaction system of Eleusine indica was established by optimizing the concentra-
tions of Mg2+,dNTP,Taq DNA polymerase,primers and template DNA in the ISSR-PCR reaction system with
orthogonal test and single-factor test.The best conditions were as folowed:1.75 mmol/L Mg2+,0.4 mmol/L
dNTP,1 U/25μL Taq DNA polymerase,0.3μmol/L primer,80 ng/25μL of DNA template and 2.5μL/25μL
of 10×PCR Buffer.With the optimized ISSR-PCR reaction system,the good results with high stability,repro-
ducibility and clear background of electrophoresis could be obtained.
Key words Eleusine indica; ISSR-PCR; orthogonal design; single factor test
  牛筋草[Eleusine indica(Linn.)Gaertn.]俗称
油葫芦草、蟋蟀草、千人踏等,属禾本科属一年生
草本植物,生长于较湿润的农田或路旁,广布全国各
地。对棉花、玉米、大豆、花生等作物危害较重,为近
年来较难防除的杂草之一,灭生性除草剂草甘膦防
除效果不理想。目前,有关牛筋草的研究主要集中
在其对除草剂产生抗性方面[1-2],针对其遗传多样性
的研究未见报道。
简单重复序列区间扩增(inter-simple sequence
repeat,ISSR)是Zietkiewicz等[3]于1994年在微卫
星技术基础上发展起来的分子标记技术。ISSR技
术是一种显性标记技术,结合了SSR和RAPD的优
点[3-4],克服了 RFLP和 RAPD的限制[4-5],具有引
物序列较长、退火温度较高、重复性较好、稳定性高、
多态性高[6]、成本低、操作简单、所需 DNA模板量
少等特点,因而备受青睐。但ISSR是基于PCR的
一种分子标记技术,受多种因素的影响,而且反应因
子所需条件不合适会导致扩增产物消失,图谱弥散
等,因此在进行ISSR分子标记时应首先对其反应条
件进行优化[7-8]。
目前,许多领域都已利用ISSR技术进行科学研
究,例如种质资源鉴定、遗传图谱构建、植物进化和
38卷第3期 张杨等:牛筋草ISSR-PCR反应体系的建立与优化
遗传多样性分析等领域。国内将ISSR技术用于杂
草相关基因标记的研究报道较少[9-12],也未见应用
于牛筋草遗传多样性研究的报道。本文通过研究影
响牛筋草ISSR反应体系的相关因素、建立与优化牛
筋草ISSR-PCR反应体系,为ISSR标记在杂草遗传
多样性的研究方面提供技术依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试材料:牛筋草,其种子于2009年采自安徽
阜阳路旁。将饱满的牛筋草种子播在高9.2cm,直
径10.5cm的花盆中。培养土壤为黏土,pH 6.8,有
机质含量在1.9%左右,土壤与草木炭按体积3∶1混
合使用。室内白天温度为(28±5)℃,晚上温度为
(23±5)℃,每天光照11h,相对湿度为(75±5)%,
正常水肥管理。取3~4叶期幼苗供试。
供试引物、试剂及仪器设备:用于ISSR-PCR反
应的试剂,dNTP、Taq DNA 聚合酶、Mg2+、10×
PCR Buffer,均购自宝生物(TaKaRa)工程公司。所
用引物参照哥伦比亚大学(University of Columbia)
公布的ISSR引物序列,由上海生物工程技术有限公
司合成,试验所用仪器设备均由中国农业科学院杂
草鼠害生物学与治理重点开放实验室提供。
1.2 方法
1.2.1 基因组DNA提取
采用新型快速植物基因组DNA提取试剂盒(北
京百泰克生物技术有限公司,离心柱型)提取新鲜牛
筋草地上组织DNA,方法按照说明书进行。经l%琼
脂糖凝胶电泳分析,核酸蛋白快速检测仪(Eppendorf
Bio Photometer)测定其在260nm和280nm处的吸
光值,计算 DNA纯度,稀释至30ng/μL并保存在
-20℃冰箱中备用。
1.2.2 PCR正交试验设计与单因素处理
采用L16(45)正交试验设计[13],对ISSR-PCR的
主要影响因素 Taq DNA 聚合酶、dNTP、引物、
Mg2+浓度及模板DNA浓度进行5因素4水平筛选
分析,共16个处理,每处理3次重复,ISSR-PCR反
应各因素水平及正交试验见表1。反应体系总体积
为25μL,包括10×PCR Buffer 2.5μL,其他各成分
按照表1加样,不足体积用ddH2O补足。
表1 PCR反应因素水平L16(45)正交试验设计表


影响因素
Mg2+/
mmol·L-1
dNTP/
mmol·L-1
Taq酶/
U·(25μL)-1
引物浓度/
μmol·L-1
DNA模板/
ng· (25μL)-1
1  1.00  0.2  0.50  0.3  20
2  1.00  0.4  0.75  0.4  40
3  1.00  0.6  1.00  0.5  60
4  1.00  0.8  1.25  0.6  80
5  1.25  0.2  0.75  0.5  80
6  1.25  0.4  0.50  0.6  60
7  1.25  0.6  1.25  0.3  0
8  1.25  0.8  1.00  0.4  20
9  1.50  0.2  1.00  0.6  40
10  1.50  0.4  1.25  0.5  20
11  1.50  0.6  0.50  0.4  80
12  1.50  0.8  0.75  0.3  60
13  1.75  0.2  1.25  0.4  60
14  1.75  0.4  1.00  0.3  80
15  1.75  0.6  0.75  0.6  20
16  1.75  0.8  0.50  0.5  40
单因素试验在正交试验最优体系的基础上,将
单个因子按照一定梯度变化,其他因子保持不变,逐
个筛选出各因子的最优扩增条件,组成适合于牛筋
草的ISSR-PCR最佳反应体系。各因子浓度梯度处
理见表2。 表2 各因子浓度梯度
浓度
梯度
Mg2+/
mmol·L-1
dNTP/
mmol·L-1
引物/
μmol·L-1
Taq DNA酶/
U·(25μL)-1
DNA模板/
ng·(25μL)-1
1  1.00  0.2  0.3  0.50  20
2  1.25  0.4  0.4  0.75  40
3  1.50  0.6  0.5  1.00  60
4  1.75  0.8  0.6  1.25  80
1.2.3 PCR扩增及电泳检测
PCR扩增程序为94℃预变性5min;94℃变性
30s,52℃退火30s,72℃延伸1min,35个循环;
72℃延伸10min;4℃保存备用。扩增产物采用
1.8%琼脂糖凝胶电泳,l×TAE缓冲液,电压120V,
电泳1.5h,于 UVP凝胶成像系统上拍照保存,并对
结果进行直观分析,确定牛筋草ISSR-PCR反应各影
响因素的最佳水平。
2 结果与分析
2.1 正交试验结果
引物UBC835对安徽阜阳牛筋草扩增试验结果
见图1。谱带较为丰富清晰的为组合13、14、15和
16,组合5、12条带模糊,组合2、3、8、9和11谱带较
弱主带不明显且出现杂带,组合1、4、7和10多态性
条带少,而组合6无条带。比较分析发现,组合14谱
带清晰,且多态性较高,确定为最优组合,即5μL的
PCR反应体系中含:0.4mmol/L dNTP、0.3μmol/L
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ISSR引物、1.75mmol/L Mg2+、1UTaq DNA聚合
酶、2.5μL 10×PCR Bufer和80ng DNA模板。
为获得理想的ISSR-PCR体系,在组合14的基
础上,其他因素保持不变的情况下进行第2轮的单
因素优化筛选试验。
图1 ISSR-PCR正交设计扩增结果
2.2 退火温度对ISSR-PCR扩增效果的影响
在正交试验最佳反应体系基础上,对退火温度
进行梯度试验以确定引物合适的退火温度。根据所
选引物序列计算理论退火温度Tm,Tm=4(G+C)+
2(A+T)[14],在梯度 PCR 仪上设定退火温度
(Tm±5)℃,仪器自动形成12个温度,在其中的10
个温度上进行扩增,其他反应程序与PCR正交试验
相同。扩增结果显示(图2),退火温度过低情况下,
扩增特异性差,而退火温度过高又会导致引物与模
板结合差,出现电泳条带减弱的现象。为提高反应
的特异性,扩增结果相近时,优先选择相对较高的退
火温度,图2中泳道7、8条带清晰明亮,因此确定引
物UBC835的退火温度为52℃。
图2 退火温度对ISSR-PCR扩增效果的影响(引物为UBC835)
2.3 Taq DNA聚合酶用量对ISSR-PCR扩增效果
的影响
  Taq DNA聚合酶的用量是影响PCR的一个重
要因素,TaqDNA聚合酶浓度过低导致PCR扩增产
物的合成效率降低。Taq DNA 聚合酶为 0.5、
0.75、1.00U和1.25U4个用量下(图3),扩增结
果不一致。当Taq酶用量0.5U和1.25U时合成
效率低,条带少且不清晰;用量为0.75U和1.00U
时,所得扩增条带清晰,结合正交试验结果确定Taq
酶用量1.00U。
图3 TaqDNA聚合酶浓度对ISSR-PCR
扩增效果的影响(引物为UBC835)
2.4 Mg2+浓度对ISSR-PCR扩增效果的影响
Mg2+浓度也是影响PCR结果的重要因素之
一,它是TaqDNA聚合酶的激活剂,是Taq DNA聚
合酶活性重要的影响因素之一。Mg2+与反应液中
的引物、dNTP及模板相结合,影响扩增产物的特异
性、引物与模板的结合效率以及引物二聚体的形
成[15]。从扩增结果(图4)中可以看出,Mg2+浓度在
1.50mmol/L和1.75mmol/L时,所得扩增结果无
显著差异,而在正交试验结果中1.75mmol/L Mg2+
浓度扩增结果优于1.50mmol/L,因此确定Mg2+最
佳浓度为1.75mmol/L。
图4 Mg2+浓度对ISSR-PCR扩增效果的影响(引物为UBC835)
·29·
38卷第3期 张杨等:牛筋草ISSR-PCR反应体系的建立与优化
2.5 dNTP浓度对ISSR-PCR扩增效果的影响
dNTP是PCR的原料,过高浓度的dNTP会造成
错误掺入,而浓度太低又会导致扩增产率下降。从图
5中可以看出,dNTP浓度为0.8mmol/L时扩增条带
弱,多态性差;浓度为0.2mmol/L和0.4mmol/L时
扩增所得电泳条带清晰,多态性相对较好。结合正交
试验结果,选择0.4mmol/L作为ISSR-PCR反应体
系中dNTP的最佳浓度。
图5 dNTP浓度对ISSR-PCR扩增
效果的影响(引物为UBC835)
2.6 引物浓度对ISSR-PCR的影响
引物浓度与扩增产物质量相关,浓度偏高产生
错配和非特异性扩增产物几率高,引物二聚体的形
成几率大;浓度太低导致有效扩增条带减少。图6
中各引物浓度扩增产生的电泳条带一致,当浓度为
0.6μmol/L时条带亮度降低,浓度为0.3、0.4、
0.5μmol/L时,反应稳定,条带清晰,基本一致,扩
增效果无显著差别,综合考虑正交试验结果,选择
0.3μmol/L作为ISSR-PCR反应体系中引物的最
佳浓度。
2.7 模板DNA浓度对ISSR-PCR扩增效果的影响
DNA模板浓度范围由所研究的物种、类群以及
DNA模板纯度所决定。浓度过低致使扩增产物不
稳定,过高则可能出现非特异性扩增[16],但在一定
浓度范围内ISSR反应对模板含量不甚敏感。大量
的研究表明ISSR-PCR对DNA模板的要求并不严
格,浓度对PCR反应体系的影响,不同的试材获得
的数据不尽相同[17-21]。本研究结果表明,DNA浓度
在20~80ng范围内对扩增结果的一致性无明显影
响(图7),因此选定L16(45)设计中优势组合14组中
DNA浓度80ng。
3 讨论
在PCR反应体系中,Taq酶、Mg2+、dNTP和
引物是4个主要的影响因子。物种不同,试验条件
不同,各因子之间相互影响产生的扩增结果也不同。
在本研究中不同处理间存在差异,因此需要对这些
因子的浓度进行优化,选取最佳组合。Taq酶用量
是影响试验结果的重要因素之一,Taq酶浓度高不
仅容易产生非特异性扩增产物,而且试验成本高;
Taq酶浓度过低则容易造成新链的合成效率下降。
TaqDNA聚合酶还是 Mg2+的依赖性酶,对 Mg2+浓
度非常敏感。Mg2+浓度也是影响PCR结果的重要
·39·
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变量之一,Mg2+浓度能影响反应的特异性和扩增片
段的产率。本试验在 Mg2+浓度范围内低浓度下的
扩增效果差于高浓度。底物dNTP浓度过高,造成
延伸时核苷酸错误掺入,引起错配。浓度过低,不仅
会影响扩增效率,而且会因dNTP过早消耗而使产
物单链化,降低了PCR产物的产量。引物浓度影响
扩增产物的质量,浓度偏高会引起错配和非特异性
扩增,浓度太低则无法进行有效扩增。
另外,循环次数、退火温度以及延伸时间的确定
也是反应体系建立与优化的重要内容。但在本试验
中,上述3种因子对扩增结果的影响不明显,可能与
引物的特异性较强以及本试验建立的牛筋草ISSR-
PCR扩增体系比较稳定有关,导致反应体系对反应
条件的变化具有较强的承受能力。延伸时间的长短
和扩增片段的长度有关,两者呈正相关。对于低浓
度模板的扩增,则需要稍延长延伸时间,但延伸时间
过长会导致非特异性扩增带的出现。本试验延伸时
间为1min时,产物稳定且带型丰富适合牛筋草IS-
SR-PCR体系。
目前主要有单因素水平优化试验和正交优化设
计试验两种方法应用于ISSR-PCR体系的建立和优
化。单因子试验主要针对每个影响因子的不同水平
进行分别优化,多被应用于PCR反应体系中各因子
情况都有一定了解的体系;正交优化设计试验主要针
对各因子影响程度未知的情况,利用正交设计,综合
考查各种因素及其交互作用,得出体系反应中各影响
因子的最佳组合。本研究同时采用以上两种方法,综
合优化分析,增加了试验结果的可靠性,为后续牛筋
草的遗传多样性分析奠定了技术和理论基础。
正交设计采用直观分析,有的研究还采用方差分
析法对试验结果进行分析[22],但这仍不可避免由主观
打分造成试验误差。且PCR受制约因素比较多,加
之ISSR大部分情况下是显性标记,不能区分纯合体
与杂合体[23],因此尽量在相同的条件下进行扩增反应
是使试验成功的决定因素。建立客观的ISSR-PCR
扩增结果评价标准有助于该方法更好地应用。
参考文献
[1] Powles S B,Preston C.Evolved glyphosate resistance in plants:
biochemical and genetic basis of resistance[J].Weed Technology,
2006,20:282-289.
[2] Baerson M S,Brinker R,Casagrande L,et al.Characteriza-
tion of glyphosate resistant eleusine indica biotypes from Ma-
laysia[C]∥Proceedings(B)17th Asian-pacific Weed Science
Society Conference,Thailand:Bangkok,1999:527-536.
[3] 周延清.DNA分子标记技术在植物研究中的应用[M].北京:
化学工业出版社,2005:146-161.
[4] Bornet B,Branchard M.Nonanchored inter simple sequence
repeat(ISSR)markers:reproducible and specific tools for ge-
nome fingerprinting[J].Plant Molecular Biology Reporter,
2001,19:209-210.
[5] Zietkiewicz E,Rafalski A,Labuda D.Genome fingerprinting
by simple sequence repeat(SSR)-anchored polymerase chain
reaction amplification[J].Genomics,1994,20:176-183.
[6] Nagaoka T,Ogihara Y.Applicability of inter-simple sequence
repeat polymorphisms in wheat for use as DNA markers in
comparison to RFLP and RAPD markers[J].Theoretical and
Applied Genetics,1997,94:597-602.
[7] 刘海河,侯喜林,张彦萍.西瓜ISSR-PCR体系的正交优化研
究[J].果树学报,2004,21(6):615-617.
[8] 桂腾琴,乔爱民,孙敏,等.果梅ISSR-PCR反应体系的建立和
优化[J].西南大学学报 (自然科学版),2007,29(10):
124-125.
[9] 马森.加拿大一枝黄花的入侵生物学研究[D].上海:复旦大
学,2003.
[10]张玉琴.外来入侵植物银胶菊遗传多样性的ISSR分析[D].
南宁:广西师范大学,2007.
[11]桂富荣.紫茎泽兰的遗传多样性及其种群结构分析[D].北
京:中国农业科学院,2006.
[12]刘美.ISSR标记的早熟禾遗传多样性分析[D].兰州:甘肃农
业大学,2009.
[13]盖钧镒.试验统计方法[M].北京:中国农业出版社,2000:
286-287.
[14]卢圣栋.现代分子生物学实验技术[M].第2版.北京:中国协
和医科大学出版社,1999:57-58.
[15]席嘉宾,郑玉忠,杨中艺.地毯草ISSR反应体系的建立与优
化[J].中山大学学报:自然科学版,2004,43(3):80-84.
[16]欧文军,李开绵,王文泉,等.小桐子基因组DNA的提取及IS-
SR-PCR反应体系的优化[J].中国农学通报,2008,24(5):
409-413.
[17]王桂娟,陈茂盛,向振勇.小桐子ISSR-PCR体系的优化[J].
生物技术通报,2008(3):162-165.
[18]李海生.ISSR分子标记技术及其在植物遗传多样性分析中的
应用[J].生物学通报,2004,39(2):19-20.
[19]潘坤,王文泉,吴翼,等.椰子ISSR体系优化[J].中国农学
通报,2009,25(4):24-29.
[20]姜静,杨传平,刘桂丰,等.桦树ISSR-PCR反应体系的优化
[J].生态学杂志,2003,22(3):91-93.
[21]曾黎辉,洪自同,许家辉,等.龙眼ISSR反应体系的建立和优
化[J].中国农学通报,2007,23(9):111-113.
[22]谢运海,夏德安,姜静,等.利用正交设计优化水曲柳ISSR-
PCR反应体系[J].分子植物育种,2005,3(3):445-450.
[23]Sánchez de la Hoz M P,Dávila J A,Loarce Y,et al.Simple
sequence repeat primers used in polymerase chain reaction am-
plifications to study genetic diversity in barley[J].Genome,
1996,39:112-117.
·49·