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铁刀木DNA提取及其rDNA-ITS序列的分析



全 文 :药物分析
铁刀木 DNA提取及其 rDNA-ITS序列的分析
李奇威1,谭贵良2,孙瑾3,苏越骁2,王业胜1,周林1,朱爽1
(1.广东药学院 生命科学与生物制药学院 /广东省生物技术候选药物研究重点实验室,广东
广州 510006;2.中山市质量计量监督检测所,广东 中山 528403;3.华南农业大学 林学院,广
东 广州 510120)
摘要:目的 以核糖体转录间隔区(rDNA-ITS)序列为分子标记,对红木木材铁刀木进行遗传分析,并结
合 GenBank数据库中已有的序列阐明黄檀属、紫檀属、决明属之间及属内的分子系统发育关系。方法
通过改良 CTAB法对铁刀木边材进行总 DNA提取,利用引物对 rDNA-ITS序列进行 PCR扩增和序列测
定,用 Mega软件进行系统发育分析,构建红木木材的分子系统发育树。结果 用改良 CTAB法可以成功
提取铁刀木边材总 DNA,并在模板稀释倍数为 1×102 ~ 1×103 时可成功 PCR 扩增出 rDNA-ITS 序列,片
段长度大约为 730 bp。结论 基于通过 rDNA-ITS序列进行序列测定和系统发育树构建的分子生物学方
法,可利用 ITS序列对红木木材铁刀木进行准确的分子鉴定,为红木的种类鉴定和种间分类提供分子生
物学根据。
关键词:铁刀木;红木;DNA提取;ITS序列;分子鉴定
中图分类号:R284.1 文献标志码:A doi:10.3969 / j.issn.1006-8783.2015.06.009
文章编号:1006-8783(2015)06-0733-04
收稿日期:2015-09-02
基金项目:中山市科技计划项目(2013A3FC0249);国家自然科学基金(21207021)
作者简介:李奇威(1993—),男,硕士研究生,Email:332134284@ qq.com;通信作者:朱爽(1977—),男,副教授,主要从事分子
生物学研究,电话:020-39352201,Email:15683727@ qq.com。
网络出版时间:2015-11-23 16:29 网络出版地址:http:/ /www.cnki.net /kcms /detail /44.1413.R.20151123.1629.004.html
DNA extraction and ribosomal DNA-ITS sequence analysis from wood tissue of
Cassia siamea Lam.
LI Qiwei1,TAN Guiliang2,SUN Jin3,SU Yuexiao2,WANG Yesheng1,ZHOU Lin1,ZHU Shuang1
(1. Guangdong Province Key Laboratory for Biotechnology Drug Candidates,School of Biosciences and
Biopharmaceutics,Guangdong Pharmaceutical University,Guangzhou 510006,China; 2. Zhongshan
Supervision Testing Institute of Quality & Metrology,Zhongshan 528403,China;3.School of Forestry,South
China Agricultural University,Guangzhou 510120,China)
Abstract:Objective In order to clarify the phylogenetic relationships among the different species of genus
Dalbergia,genus Pterocarpus,and genus Cassia by genetic analysis for Cassia siamea Lam. with the rDNA-
ITS sequence as molecular marker. Methods Total DNA was extracted with modified CTAB method and
rDNA-ITS regions were amplified with universally conserved primers. The rDNA-ITS sequences were
characterized by phylogentic analysis using Mega software. Results Total DNA could be extracted from
sapwood by modified CTAB method and rDNA-ITS region could be amplified successfully with template
concentration in the dilution range of 1×102 -1×103 . Conclusion Based on molecular biology methods of
rDNA-ITS sequence analysis,accurate molecular identification could be performed on Cassia siamea and
provide molecular evidence for the taxonomy and identification of different species in rosewood.
Key words:Cassia siamea Lam.;rosewood;DNA extraction;ITS;molecular identification
广东药学院学报
Journal of Guangdong Pharmaceutical University Dec. 2015,31(6)
铁刀木(Cassia siamea Lam.)为豆科决明属
(Cassia L.)植物,别名黑心树、挨刀树,广泛分布于
云南、广东、海南、广西、福建等地。其心材和叶可入
药,具有祛风除湿、消肿止痛、杀虫止痒等功效[1]。
近几年国内外学者从铁刀木不同部位中分离得到
30多个化合物,并发现其中一些活性成分具有抗肿
瘤[2]、抗疟原虫[3]、抗 HIV 病毒活性[4]等功能。由
于具有生长快、萌芽能力强、材质硬、火力大且耐烧
等优点,铁刀木被当地的傣族人民作为薪炭林栽种;
亦是优良的行道观赏、防护林和紫胶虫寄主树树种。
铁刀木还是我国 GB /T 18261—2000《红木》[5]规定
的 33个红木树种之一,其木质坚硬,边材为黄白色
至白色,心材呈暗褐色至紫黑色,因心材质重、耐腐
蚀、耐湿,多用于做成建材、家具、雕刻品或乐器[6]。
近年来随着印度、马达加斯加、越南等红木原产国对
红木出口的限制或禁止[7]以及全球红木资源的逐
渐枯竭,我国红木的供应日益紧张,铁刀木在红木家
具中的地位逐渐提升。
近年来,铁刀木及其他红木之间的材种鉴定是
依靠宏观观察和微观解剖学的传统方法来实现[8],
这要求鉴定员对木材的结构特征十分熟悉,且很难
识别至种的水平,给红木鉴别带来了较大困难,无法
满足市场需求。随着分子生物学的发展,DNA 条形
码、DNA 指纹等 DNA 分子遗传学技术逐渐被广泛
应用于物种鉴定[9]。其中 DNA 条形码技术因具有
种内变异小、不同种之间变异大,片段短、易于提取、
变异区两端序列高度保守等特点[10],可用于准确的
物种鉴定,弥补传统鉴定方法的不足,因此逐渐成为
一种热门的物种鉴定工具。目前,主要的木材 DNA
条形码有 cytb、atpH、trnH、rbcL、matK、psbA、ITS 序
列等。任保青[11]利用 ITS、rbcL、matK 和 trnH-psbA
对桦木科桤木属(Alnus)26 个物种的 131 个个体进
行分析,发现 ITS 的准确鉴定率最高(76. 9%);
Newmaster[12]选择 matK和 trnH-psbA组合对肉豆蔻
科的毛楠属(Compsoneura)进行研究,获得了较好的
结果;张浩[13]利用 ITS2 序列成功鉴定与区分降香
黄檀和多裂黄檀。然而目前尚未见关于铁刀木木材
DNA 的提取及其与《红木》[5]规定的红木树种之间
的分子系统发育分析的报道,本试验通过改良
CTAB法提取铁刀木木材 DNA,在 PCR 扩增和测序
后,采用测序所得序列与 GenBank 上已登记的红木
树种 ITS序列来构建较完整的红木树种之间的系统
发育树,并分析其亲缘关系。
1 仪器与试药
HHS-2S 型电子恒温不锈钢水浴锅(上海宜昌
仪器纱筛厂),Thermo Scientific Heraeus Pico17 型台
式离心机(美国赛默飞世尔科技公司),TP-402 型电
子分析天平(美国丹佛仪器北京有限公司),SW-CJ-
1F型清洁工作台(苏州安泰公司),Tanon-4100 全自
动数码凝胶图像分析系统(上海天能公司),SPX 智
能型生化培养箱(广州深华公司),BG-SubMIDI 水
平电泳仪(北京永恒生物器材公司),PCR 仪(美国
Applied Biosystems 2720 Thermal cycler PCR)。
SYBR GreenⅠ电泳染料(北京百泰克生物技术有限
公司),DL2000 DNA Marker(Tiangen 生化科技有限
公司),DNA凝胶回收试剂盒(上海碧云天 Beyotime
公司),rTaq 酶、pMD18-T-Vecter 载体、Escherichia
coli JM109感受态细胞(大连宝生物工程有限公司
TaKaRa),琼脂糖(西班牙 Biowest 公司),氨苄青霉
素、十六烷基三甲基溴化铵(cetyltrimethyl ammonium
bromide,CTAB)、乙二胺四乙酸(ethylene diamine
tetraacetic acid,EDTA)、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl
pyrrolidone,PVP)、三羟甲基氨基甲烷(Tris)购自北
京鼎国昌盛生物技术有限责任公司,三氯甲烷、异戊
醇、异丙醇、无水乙醇、氯化钠、醋酸钠等为分析纯。
试验材料由广东省中山市质量计量监督检测所
提供,取材地为广东省茂名市,取样后的新鲜样品立
即-20 ℃保存,经华南农业大学林学院孙瑾教授通
过组织切片分析等方法初步鉴定为铁刀木。试验前
用手术刀取其边材部位,90%(体积分数,下同)乙
醇浸泡 10 min,风干后进行 DNA提取。
2 方法
2.1 改良 CTAB法提取总 DNA
称取铁刀木木材样品 0.5 g,放进预冷的研钵
中,加入液氮并研磨成粉末。研磨后将粉末移至
50 mL离心管中,加入 5 mL 65 ℃预热的 CTAB裂解
液[4%(质量浓度)CTAB,0. 1 mol /L Tris-HCl,25
mmol /L EDTA,1.4 mol /L NaCl,2%(质量浓度)β-巯
基乙醇,5%(质量浓度)PVP,pH 8.0],充分混匀;
65 ℃水浴 2 h(每隔 15~20 min震荡 3~4次),12 000
r /min离心 10 min。取上清液,用等体积的 Tris 饱和
酚、酚-三氯甲烷-异戊醇(体积比 25 ∶24 ∶1)和三氯甲
烷-异戊醇(体积比 24 ∶1)各抽提 1 次,12 000 r /min
离心 10 min,取上清液,先加入 3 mol /L NaAc,使溶
液终浓度为 0.3 mol / L,再加入 0.8 倍体积异丙醇,
437 广东药学院学报 第 31卷
-20 ℃沉淀 1 h,12 000 r /min 离心 10 min,去上清
液,用 1 mL 70%冷乙醇洗涤 2次,干燥后溶于 50 μL
无菌 1×TE(三羟甲基氨基甲烷-乙二胺四乙酸,tris-
Ethylene diamine tetraacetic acid)缓冲液中,-20 ℃
保存,备用。
2.2 ITS序列 PCR扩增
选择扩增植物 rDNA ITS 序列的通用引物[14-15]
ITS4(5 TCCTCCGCTTATTGATATGC3)和 ITS5(5
GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG3)对 铁 刀 木 总
DNA进行 rDNA-ITS序列扩增。PCR采用 20 μL反
应体系,10 × PCR Buffer 2. 0 μL,dNTP Mix(2. 5
mmol /L)0. 8 μL,上下游引物各 0. 4 μL,rTaq 酶
(5 U /μL)0.1 μL,其余体积以无菌超纯水补足。扩
增参数:95 ℃预变性 3 min,94 ℃变性 1 min,56 ℃
退火 1 min,72 ℃延伸 1 min,30 个循环,72 ℃延伸
10 min 。PCR 扩增产物用 1%琼脂糖凝胶电泳检
测,120 V电泳 30 min,SYBR GreenⅠ染色后用 Tannon-
4100全自动数码凝胶图像分析系统观察、拍照。
2.3 PCR产物纯化、连接和转化
PCR扩增产物采用 DNA 凝胶回收试剂盒进行
割胶回收。铁刀木 rDNA-ITS序列的 PCR 扩增产物
从 1%琼脂糖凝胶中割胶纯化。纯化产物连接到
pMD18-T-Vecter,连接产物转化到 E. coli JM109 感
受态细胞,进行氨苄青霉素选择和蓝白斑的筛选。
2.4 PCR检测与测序
挑取单克隆菌液送至华大基因科技股份有限公
司进行单向测序。测序得到的序列通过与 GenBank
中已有的 ITS区序列进行比较分析,得到该序列大
概的分子系统发育关系。
2.5 序列分析与系统发育树的建立
在 GenBank数据库中寻找《红木》规定的物种
的 ITS序列,找到黄檀属 9 个不同种的 ITS 序列、紫
檀属 6 个不同种的 ITS 序列和铁刀木的 ITS 序列
(见表 1)。将上述 ITS 序列一起导入 Mega(Version
6.06)软件,使用 Clustal W 多序列比对功能进行对
位排序,空位处作缺失状态。对位排序后的序列用
软件中的最大简约法(maximum parsimony)构建系
统进化树,系统发育树各分支的置信度用自举检验
法(boot-strap text)作 1 000次可信度分析。
3 结果与讨论
3.1 铁刀木总 DNA的提取结果
取 3 μL TE 回溶的铁刀木总 DNA 样品,用
SYBR Green Ⅰ作为显色剂进行 1%琼脂糖凝胶电
泳,凝胶成像系统记录结果见图 1。可以看出,总
DNA样品主带清晰,有小于 1 000 bp 的弥散条带,
说明铁刀木边材的 DNA 有所降解,由木材的形成、
储存和加工过程所致。
表 1 从 GenBank 中获取的红木 ITS 序列物种名称及其编号
Table 1 The names and the GenBank accession numbers of
ITS sequences of relative species
物种名称 GenBank注册登记号
印度紫檀 Pterocarpus indicus JN083480
檀香紫檀 P. santalinus KM887419
刺猬紫檀 P. erinaceus JN083479
大果紫檀 P. macrocarpus JN083487
囊状紫檀 P. marsupium Roxb. JN083490
安达曼紫檀 P. dalbergioides JN083477
绒毛黄檀 Dalbergia frutescens AB828632
降香黄檀 D. odorifera GQ434362
奥氏黄檀 D. oliveri AB828652
巴西黑黄檀 D. nigra EF451074
刀状黑黄檀 D. cultrata AB828626
阔叶黄檀 D. latifolia Roxb. KM276124
东非黑黄檀 D. melanoxylon AB828650
亚马逊黄檀 D. spruceana AB828660
交趾黄檀 D. cochinchinensis AB828625
铁刀木 S. siamea KC984644
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M.DNA marker(DL2 000)5 μL;1.铁刀木样品 DNA。
图 1 铁刀木总 DNA样品的琼脂糖凝胶电泳图
Figure 1 Agarose gel electrophoresis of total DNA samples
3.2 铁刀木 ITS 序列的 PCR 扩增结果
以提取的总 DNA 为模板,分别按 1、10、102、
103、104 梯度稀释后进行 rDNA-ITS序列 PCR 扩增。
模板浓度梯度扩增结果表明:模板稀释倍数在1×102
~1×103 时可 PCR扩增出铁刀木的 rDNA-ITS 序列;
在最佳模板浓度下,铁刀木 rDNA-ITS 序列 PCR 扩
增产物(5 μL)的 1%琼脂糖凝胶电泳结果见图 2。
537第 6期 李奇威,等.铁刀木 DNA提取及其 rDNA-ITS序列的分析
由图可知,铁刀木 rDNA-ITS 序列 PCR 产物主条带
清晰,非特异扩增条带少。由此可见,在最佳模板浓
度下,铁刀木中单宁、酚等抑制物对 PCR 的不利影
响得以减少。
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M.DNA marker(DL2 000)5 μL;1.铁刀木样品 rDNA-ITS序
列扩增产物;2.阳性对照(降香黄檀 ITS序列);3.阴性对照
(无菌水)。
图 2 最佳模板浓度下的 PCR扩增结果
Figure 2 PCR amplification with optimal template concentration
3.3 ITS序列分析
挑取 3 个克隆菌落送至广州华大基因公司测
序,测序成功率为 100%。测序结果在 GenBank 上
进行比对,与已发表的铁刀木 ITS 序列(KC984644)
有 100%相似度。试验所得 ITS 序列与表 1 中所列
的 15条 ITS序列进行比对后用最大简约法(MP)构
建系统发育树(见图 3)。
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图 3 基于 ITS序列构建的 MP 树
Figure 3 Phylogenetic tree obtained by the MP method based
on the ITS region
结果显示,样品和铁刀木 S. siamea 聚为一枝,两
者之间枝长为 0且自展支持率为 100%,说明样品为
铁刀木。黄檀属中 D. latifolia和 D. cochinchinensis聚
为一枝,支持率为 73%,说明这 2个物种亲缘关系较
近;而 D. melanoxylon单独成一枝且支持率为 97%,
并不与黄檀属其他 8 种黄檀聚类,说明它与这 8 种
黄檀亲缘关系较远。紫檀属中 P. macrocarpus 和 P.
indicus聚为一枝后再与 P. dalbergioides 聚为一枝,
支持率分别为 57%和 99%,说明这 3 个物种亲缘关
系较近;P. santalinus 和 P. marsupium 聚为一枝,支
持率为 99%,说明两者亲缘关系较近;P. erinaceus
单独成一枝,并不与紫檀属其他 5种紫檀聚类,说明
它与这 5种紫檀亲缘关系较远。所有黄檀属物种和
紫檀属物种各聚为一枝后总聚为一枝,样品和 S.
siamea聚为一枝,说明黄檀属和紫檀属之间的亲缘
关系比决明属近。
由于我国规定的红木有 5属 8类 33种,而目前
GenBank上已收录的红木 ITS 只有 16 种,其中紫檀
属和黄檀属居多,豆科崖豆属和柿树科柿树属均查
找不到相应的红木 ITS 序列,因此还需进行更多采
样,并研究红木相关树种的 ITS序列。
4 结论
用改良 CTAB 法可以成功提取铁刀木边材总
DNA,并在模板稀释倍数为 1×102 ~1×103 倍时可成功
PCR扩增出 rDNA-ITS 序列,片段长度大约为 730
bp。
系统发育树的分析构建表明,ITS 不仅可以进
行红木的近缘属之间区分,还可进行属内种间的区
分,为红木的种类鉴定提供分子生物学的理论基础。
参考文献:
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637 广东药学院学报 第 31卷
表 2 10批叠鞘石斛特征图谱共有峰的相对峰面积
Table 2 Relative area results of HPLC characteristic spectrum of 10 samples of D. aurantiacum
编号 峰 1 峰 2 峰 3 峰 4 峰 5 峰 6 峰 7 峰 8 峰 9 峰 10 峰 11 峰 12
DQ1 0.495 0.112 0.111 20.44 2.850 1.000 1.036 0.838 0.859 0.887 0.291 0.233
DQ2 4.984 0.736 0.643 83.66 6.272 1.000 2.566 1.430 2.188 2.774 3.250 1.777
DQ3 1.069 0.398 0.219 17.29 1.458 1.000 0.324 0.251 0.665 0.419 0.264 0.122
DQ4 2.171 0.577 0.227 49.55 3.143 1.000 1.087 1.206 2.425 2.096 0.449 0.229
DQ5 1.439 0.442 0.138 17.28 1.238 1.000 0.360 0.532 1.164 0.812 0.409 0.324
DQ6 3.601 0.640 0.165 65.15 4.275 1.000 1.873 1.705 2.453 2.725 0.41 0.242
DQ7 2.184 0.354 0.526 66.34 4.002 1.000 1.378 1.120 1.322 1.977 4.982 1.880
DQ8 0.819 0.101 0.209 23.73 2.039 1.000 0.501 0.490 0.337 0.563 0.433 0.106
DQ9 1.670 0.312 0.424 39.10 2.781 1.000 0.974 1.273 0.785 1.16 0.518 0.647
DQ10 1.360 0.379 0.122 32.95 3.268 1.000 1.232 1.105 1.339 1.413 0.333 0.230
3 讨论
本次研究尝试过乙腈-水、乙腈-0. 2%(体积分
数)醋酸、乙腈-0.2%(体积分数)H3PO4、乙腈-0.2%
(体积分数)甲酸溶液等色谱系统作为流动相,结果
以乙腈-0.2%(体积分数)H3PO4 为流动相时得到的
峰形分离度较好且稳定。对叠鞘石斛药材的供试品
溶液在 200~400 nm进行了 DAD 全波长扫描,发现
在 270 nm处各峰分离较好且强度较大。
通过对 10批叠鞘石斛的特征图谱分析,共标定
了 12个特征峰,10 批样品与对照特征图谱的相似
度为 0. 846 ~ 0. 986。其中样品 QD7 的相似度为
0. 846,较其他批次的相似度低。叠鞘石斛的第 4 号
峰面积占了总面积的 61%,可能是药材的主要有效
成分,至于具体是什么化学成分,还有待进一步研
究;对叠鞘石斛其他特征峰成分的确认工作亦拟在
下一步展开。目前市场上加工为黄草的石斛来源品
种较多,接下来拟对其他加工为黄草的石斛品种、其
有效成分及药效之间存在的差异进行比较研究。
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( 责任编辑:刘晓涵)
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