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The Effects of Preservation Methods and Temperature of Softening Specimens on DNA Extraction from Apis mellifera

保存方式和回软温度对蜜蜂标本DNA提取的影响



全 文 :·研究报告·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2016, 32(7):250-256
收稿日期 :2015-10-21
基金项目 :博士科研启动基金(2013-B-08)
作者简介 :张红利,女,博士研究生,研究方向 :昆虫分子生物学 ;E-mail :bonus0301@163.com
保存方式和回软温度对蜜蜂标本 DNA 提取的影响
张红利  贾鑫磊  刘建霞  张永芳 
(大同大学生命科学学院,大同 037009)
摘 要 : 旨在探寻保存方式及制作干标本前回软温度对蜜蜂不同部位 DNA的影响。采用酚 -氯仿法对不同方式保存的蜜蜂
以及不同温度回软后的蜜蜂干标本的总 DNA进行提取,通过琼脂糖凝胶电泳和 PCR扩增对 DNA的提取结果进行鉴定。电泳结果
显示,从新鲜标本、无水乙醇泡制或自然干燥保存半年的标本中均可提取到较高质量的总 DNA,尤以头部与足部提取效果最佳。
经不同水浴温度回软后保存半年的蜜蜂干标本总 DNA提取结果显示,回软温度为 65℃时对蜜蜂 DNA的破坏性最小,DNA提取的
最佳部位为蜜蜂足部。正交试验结果显示,55℃回软后的足部为蜜蜂干标本 DNA提取的最优组合。PCR扩增结果显示,本实验
提取的总 DNA能成功地应用于蜜蜂线粒体基因 16S rRNA和 CO I的扩增。从保存方式、提取部位和回软操作 3个因素对蜜蜂标本
DNA的提取进行了研究,提供了较好的选择方案。
关键词 : 蜜蜂;干标本;回软;DNA提取
DOI :10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2016.07.035
The Effects of Preservation Methods and Temperature of Softening
Specimens on DNA Extraction from Apis mellifera
ZHANG Hong-li JIA Xin-lei LIU Jian-xia ZHANG Yong-fang
(School of Life Sciences,Datong University,Datong 037009)
Abstract: This work aims to explore the effects of preservation methods and temperature while softening specimens before drying the
specimen on DNA from different parts of bees. The phenol - chloroform method was used to extract the total DNA from bee specimens preserved
in different methods and from those dried bee specimens softened at different temperatures. The extracted DNA was analyzed and identified
using agarose gel electrophoresis and the PCR amplification. The electrophoresis images showed that fine-quality DNA was extracted from all
specimens,including specimens collected freshly,specimens soaked with alcohol, and specimens dried under natural conditions,and the
quality of genomic DNA from the head and the leg of these specimens was better than that from other parts. The total extracted DNA results from
dried bees softened under different bath temperatures and preserved half year showed that 65℃ was the optimal softening temperature,and
the damages to bee’s DNA was the least,and the ideal part for extracting DNA was the bee’s leg. The results of orthogonal experiment also
revealed that the leg and softened at 55℃ was the optimal combination for extracting DNA from the dried specimen. Furthermore,the results of
PCR amplification confirmed that these DNA extracted in our experiment were used to successfully amplify mitochondrial 16S rRNA and CO I
fragments. In summary,DNA extraction was explored from the three aspects :preservation methods,extracted parts and softening operations,
which could provide better alternative proposals for collecting DNA from bees.
Key words: bee ;dried specimens ;softening ;DNA extraction
2016,32(7) 251张红利等:保存方式和回软温度对蜜蜂标本 DNA提取的影响
分子生物学是支撑现代昆虫学发展的一项关键
技术[1,2]。 随着分子生物学的发展,从核酸分子水
平上对昆虫进行物种鉴定、物种多样性评估以及物
种亲缘关系的研究,是目前重要的研究手段[3]。而
有效的基因组 DNA 提取方法无疑是昆虫分子生物
学研究的重要前提。蜜蜂为群居动物,世界各地均
有分布,在传授花粉的过程中扮演着至关重要的角
色[4-6]。关于从蜜蜂组织提取 DNA 的方法已有报
道,但仍以新鲜标本、酒精浸泡和冷冻保存标本为
对象[7-11],以干标本为实验材料提取总 DNA 的报道
极少见[12]。在实际工作中,很难直接用新鲜标本和
冷冻标本进行试验,野外通常以酒精泡制和干制方
法收集标本。酒精浸泡虽然能更好地保护 DNA,但
因携带不便并容易导致标本关键鉴定部位褪色。因
此,在实际野外取材工作中,多数标本都是以干标
本带回实验室,并经回软后针插制成干标本。目前,
最简便且无害的回软方法为水蒸汽回软法,但 DNA
化学性质极不稳定,可以通过水解或氧化作用自发
地降解[13],而且高温也会加剧 DNA 的分解,干标
本再经放置更加大了提取 DNA 的难度。另外,尚
未有人对蜜蜂不同部位 DNA 的提取效果进行研究。
因此,本实验参照传统的 SDS-饱和酚氯仿法通过对
不同处理方式和保存方式的蜜蜂标本 4 个部位进行
DNA 提取比较,旨在以蜜蜂为对象针对干标本制作
过程中回软这一关键操作提供数据支持,同时也为
标本 DNA 的提取工作提供更好的选择方案。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实验标本 蜜蜂标本均采自山西省大同市兴
云街大同大学北校区,经鉴定为膜翅目蜜蜂科蜜蜂
属西方蜜蜂(Apis mellifera linnaeus,1758)。新鲜标
本经无水乙醇或乙酸乙酯短暂处理,干标本均采用
数显恒温水浴锅隔水蒸汽回软 1.5 h。
1.1.2 实验仪器及试剂 HC-3018R 高速冷冻离心机
(安徽中科中佳),DYY-10C 电泳仪(北京六一),
Tannon 1600 凝胶成像系统(上海天能科技),DTC
PCR 仪(西安天隆科技),UPH- Ⅱ -60L 优普系列超
纯水机(成都超纯科技有限公司),HH-6 数显恒温
水浴锅(金坛市国旺实验仪器厂),蛋白酶 K,Gold
View I 型核酸染液,DL2000 Plus Marker(宝生物工
程 ),2×Taq PCR StarMix with Loading Dye,Direct-
LoadTM λ DNA/HindIII Marker(北京华大基因),16S
rRNA 及 CO I 引 物( 上 海 生 工 ), 软 件 :Quantity
One。
1.2 方法
1.2.1 蜜蜂 DNA 的提取方法 所有标本提取 DNA
前均使用超纯水冲洗数秒后用滤纸除去残余水分,
之后采用传统的蛋白酶 K 消化 - 饱和酚氯仿抽提法
进行蜜蜂 DNA 的提取[14]。对传统方法进行部分改
良,恒温水浴消化 2 h 后补加酶液 50 μL 以提高消化
水平。饱和酚氯仿抽提前,使用 TE 溶液补加体系
至 800 μL 以减少抽提过程中的损失。
1.2.2 琼脂糖凝胶电泳及定量分析 总 DNA 点样
于 0.8% 的琼脂糖凝胶,PCR 产物点样于 1.5% 的琼
脂糖凝胶(均含 5% 的 Gold Viewer Ⅰ型核酸染液),
80 V 电泳 60 min,至凝胶成像系统观察并拍照保存。
正交实验电泳图采用软件 Quantity One 对目标条带
区进行光密度测定作为定量分析依据。
1.2.3 正交试验设计 根据单因素实验的结果,采
用 L16(42)正交表,研究不同温度处理和提取部位
对 DNA 提取结果的影响。正交试验的两因素四水平
如表 1。
表 1 正交实验因素及水平
因素水平
因素
提取部位 处理温度 /℃
1 头部 45
2 胸部 55
3 腹部 65
4 足部 85
1.2.4 线 粒 体 16S rDNA 和 CO I 的 PCR 扩 增 鉴
定 以新鲜标本的足部,无水乙醇浸泡标本的足
部,自然干燥保存标本的头部、胸部、腹部、足
部及正交实验各部位最优水平提取到的 DNA 为模
板, 采 用 线 粒 体 DNA 中 16S rDNA 通 用 引 物( 上
游 引 物 :5-TTATTCACCTGTTTAWCAAAAACAT-3
和 下 游 引 物 :5-TATAGATAGAAACCAATCTG-3)
和 C O I 通 用 引 物 ( 上 游 引 物 :
5-AATTGGWGGWTTYGGAAAYTG-3 和下游引物 :
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.7252
5-GGTAATCAGAGTATCGWCGNGG-3)( 简 并 碱 基
W 代表 A/T,简并碱基 N 代表 A/T/G/C)进行 PCR
扩增[15,16]。PCR 反应体系为 10 μL,其中模板 DNA
0.5 μL,上游引物和下游引物各 1.25 μL,PCR Taq
Mix 5 μL,ddH2O 2 μL。PCR 扩增程序为 93℃预变
性 1 min ;92℃变性 10 s,54℃退火 30 s,68℃延伸
1 min,15 个循环后,每循环一次延伸时间延长 10 s
再进行 15 个循环;68℃再延伸 7 min,最后 4℃保温。
2 结果
2.1 新鲜标本总DNA的提取结果
用饱和酚法分别对经乙酸乙酯和无水乙醇收集
的新鲜蜜蜂标本进行体细胞 DNA 的提取,提取样品
经电泳检测,结果如图 1 所示。从无水乙醇收集标
本的 4 个部位均可提取到总 DNA,且条带清晰、明亮、
基本成线形,但其中 4 个 DNA 样品均在同一位置出
现另一条条带。而乙酸乙酯收集新鲜标本中,足部
DNA 提取效果最佳,腹部 DNA 基本降解。
2.2 无水乙醇浸泡和自然干燥标本总DNA的提取
结果
用饱和酚法分别对经无水乙醇浸泡和自然干燥
后室温保存半年的蜜蜂标本进行体细胞 DNA 的提
取,结果如图 2 所示。两种保存方式对标本 DNA
完整度影响均较小。从无水乙醇浸泡标本获得的总
DNA 条带清晰,谱带整齐明亮,且无拖尾现象,但
其中多数 DNA 样品也均在同一位置出现另一相对分
子质量较小的条带。对于自然干燥处理室温保存半
年的蜜蜂标本,由足部提取的 DNA 条带单一,较为
清晰,而胸部提取的 DNA 条带略淡。
21226
bp
7421
MA H1 C1 A1 L1 H2 C2 A2 L2
B
21226
bp
M H1C1 A1L2 L1 H2C2 A2
M :DNA 分子量标准 ;H :头部 ;C :胸部 ;A :腹部 ;L :足部 ;1 :平行
样中的第 1 个样品 ;2 :平行样中的第二个样品
图 1 乙酸乙酯(A)及无水乙醇(B)处理后的新鲜蜜蜂
总 DNA 提取结果
21226
bp
7421
MA H1 C1 A1 L1 H2 C2 A2 L2
21226
bp
7421
MB H1 C1 A1 L1 H2 C2 A2 L2
M :DNA 分子量标准 ;H :头部 ;C :胸部 ;A :腹部 ;L :足部 ;1 :平行
样中的第 1 个样品 ;2 :平行样中的第二个样品
图 2 无水乙醇浸泡(A)及自然干燥(B)室温保存半年
后的蜜蜂总 DNA 提取结果
2.3 加温回软标本总DNA的提取结果
经 6 个温度回软后保存半年的蜜蜂干标本 DNA
提取结果如图 3 所示,4 个回软温度(45℃、55℃、
65℃和 85℃)对各部位 DNA 的破坏性较小 ;95℃
高温水汽回软后,蜜蜂干标本各部位的 DNA 几乎
2016,32(7) 253张红利等:保存方式和回软温度对蜜蜂标本 DNA提取的影响
完全降解,仅在腹部呈现一条很淡的条带 ;75℃回
软后仅胸部和腹部有一条弱带,头部和足部均未有
条带出现。蜜蜂 4 个部位中,头部经高温水汽回软
后 DNA 条带均呈现弥散状 ;胸部、腹部和足部提的
DNA 条带相对清晰完整,受回软温度的影响较小。
2.4 正交实验结果
通过分析正交实验电泳图,结果如图 4 和表 2
所示,A 因素对应的最佳水平为 4(足部),B 因素
对应的最佳水平为 3(65℃处理)。DNA 保存条件
的最佳组合为 55℃回软标本的足部,较优水平为
45℃、65℃回软标本的足部和 45℃、55℃回软标本
的头部。
21226㞩䜘䏣䜘
M
bp
bp
bp
bp
a1 a2 a3 a4 a5 a6 b1 b2 b3 b4 b5 b6
21226
7421
M a1 a2 a3 a4 a5 a6 b1 b2 b3 b4 b5 b6
ཤ䜘212267421 M a1 a2 a3 a4 a5 a6 b1 b2 b3 b4 b5 b6㜨䜘21226 M a1 a2 a3 a4 a5 a6 b1 b2 b3 b4 b5 b6
M :DNA 分子量标准 ;1-6 :依次表示 95℃、45℃、55℃、65℃、75℃和
85℃水汽回软的蜜蜂标本 ;a :平行样中的第一个样品 ;b :平行样中的第二
个样品
图 3 回软处理后蜜蜂总 DNA 提取结果
H2 H3 H4 H6 C2 C3 C4 C6 A2 A3 A4 A6 L2 L3 L4 L6
H :头部 ;C :胸部 ;A :腹部 ;L :足部 ;2 :45℃ ;3 :55℃ ;4 :65℃ ;6 :
85℃
图 4 正交实验中蜜蜂总 DNA 的凝胶电泳图谱
2.5 PCR扩增结果
实验中用 16S rDNA 和 CO I 两对通用引物对随
机选择的 10 个 DNA 样品进行了扩增,结果(图 5)
显示,以不同的 DNA 样品做模板,均在相应的位
置扩增出目的条带(CO I 片段的长度约为 1 000 bp,
16S rDNA 片段的长度约为 600 bp)。因此,通过本
实验提取的 DNA 均可用于后续的 PCR 扩增。
3 讨论
蜜蜂基因组 DNA 提取的研究报道集中于探讨提
取方法和保存方式对 DNA 提取效果的影响。目前主
要采用传统方法提取蜜蜂 DNA[7,11,12,17,18],但也
有学者根据不同的应用目的,尝试用新型方法对蜜
蜂 DNA 进行提取[9,19],获得较好的效果。关于干
燥及保存方法对蜜蜂标本 DNA 完整性的影响也有相
关报道[17,18],但是不同保存方式中蜜蜂不同部位的
DNA 保存效果,以及不同回软温度对干标本 DNA
的损害度均未见报道。
本实验通过研究保存方式、提取部位、回软操
作对蜜蜂标本 DNA 提取效果的影响,结果发现新鲜
标本或久置标本均以无水乙醇固定后提取的 DNA 质
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2016,Vol.32,No.7254
量最佳。干标本制作前回软操作对 DNA 影响较大,
明显劣于自然干燥保存半年标本的 DNA 提取效果。
4 个部位相比较,足部 DNA 提取效果最佳,而且不
影响蜜蜂标本的形态鉴定。新鲜标本经乙酸乙酯处
理后提取的 DNA 质量略差,这可能与前期处理有密
切的联系。因新鲜标本组织含胞液较多,使用镊子
夹取较困难,花费时间较长。而且整个解剖过程均
在室温下进行,胞液中本身含有众多核酶,由于酶
的高效性,短时间也会对 DNA 造成严重的降解。而
新鲜标本若经无水乙醇短暂固定后,组织失去大部
分胞液,一方面可以极大的缩短解剖所用的时间 ;
另一方面,自由水的缺失在一定程度上抑制了胞内
核酶的活性,从而减少了 DNA 的损伤。因而在使用
新鲜标本为材料时解剖工作宜在低温下进行,或者
选择使用无水乙醇短暂固定后再进行后续操作。经
无水乙醇短暂固定后的新鲜标本及无水乙醇浸泡保
存半年的标本提取的 DNA 电泳图中,多数样品呈现
出另一条明显的条带,本样品经 RNase A 消化电泳
后,确证为 RNA 条带,这与季清娥等[12]和董霞等[20]
认为第二条带为 RNA 污染条带结论相同。对于自然
干燥保存半年后的蜜蜂标本,其 DNA 保存情况依然
较为理想,而同期处理保存的蝗虫及蜻蜓干标本,
发现有霉变现象且 DNA 发生严重降解,仅有个别标
表 2 正交试验蜜蜂总 DNA 提取量
实验号
因素
光密度值 /INT
(A)提取部位 (B)处理温度 /℃
1 1 1 22405.32
2 1 2 22163.55
3 1 3 21447.71
4 1 4 20032.00
5 2 1 19580.45
6 2 2 19777.78
7 2 3 19847.11
8 2 4 19824.00
9 3 1 18021.33
10 3 2 19102.89
11 3 3 22022.22
12 3 4 21408.00
13 4 1 24133.33
14 4 2 24366.22
15 4 3 23176.89
16 4 4 20000.23
K1 86048.59 84140.44
K2 79029.34 84410.44
K3 79554.44 86493.93
K4 91676.67 81264.23
k1 21512.15 21035.11
k2 19757.34 21102.61
k3 19888.61 21623.48
k4 22919.17 20316.06
R 12647.33 5229.70
2000
bp
1000
750
500
250
100
M LA LB H1 C1 A1 L1 H2 C4 A4 L3 LA LB H1 C1 A1 L1 H2 C4 A4 L3
COI 16S rDNA
LA :新鲜标本足部 ;LB :无水乙醇浸泡标本足部 ;H1,C1,A1,L1 :自然干燥标本头部、胸部、腹部、足部 ;
H2 :45℃回软标本头部 ;C4 :65℃回软标本胸部 ;A4 :65℃回软标本腹部 ;L3 :55℃回软标本足部
图 5 不同模板 DNA 的 PCR 扩增产物
本成功提取到质量较好的 DNA。因此,针对昆虫干
标本,其 DNA 保存的难易程度应该具有种属差异性,
这种差异可能与它们自身的生存环境、食性及自身
代谢产生的某些具有抑菌作用的特殊化合物有关。
野外干标本通常需回软后针插制成储存干标本,
考虑到回软操作对标本 DNA 的影响,本实验设置
2016,32(7) 255张红利等:保存方式和回软温度对蜜蜂标本 DNA提取的影响
了 6 个水浴温度对标本进行回软,储存半年后进行
DNA 的提取。在单因素实验中发现,95℃蒸汽回软
的蜜蜂标本中,DNA 完全降解。剩余的 5 个梯度温
度中,相较而言,75℃蒸汽回软的蜜蜂标本提取到
的 DNA 效果较差。因此,在设计正交试验时,剔除
95℃和 75℃两个温度水平。比较蜜蜂标本不同部位
的 DNA 提取结果发现,足部与头部 DNA 保存较完
整,不易发生降解,能提取到高质量的 DNA。和志
娇等[17]认为,从蜜蜂足部提取 DNA 容易受到花粉
DNA 的污染,本实验以桃花新鲜花粉及自然干燥花
粉为材料均未提取到 DNA,因此蜜蜂的足部虽细小
但完全能用于 DNA 的提取。另外,本研究中取蜜蜂
标本前足、中足、后足各一只便可提取到满足实验
研究要求的 DNA,这对于从分子水平研究那些珍贵
稀有标本具有重要的意义和价值。
正交实验结果中,通过分析样品目标条带的光
密度值,发现温度对不同部位产生的影响是不一致
的。对于足部和头部来说,随着温度的升高,其保
存的完整 DNA 的量总体呈下降趋势 ;而对于腹部
与胸部来说,随着温度的升高,其保存的完整 DNA
量总体呈上升趋势,这说明回软过程中 DNA 可能
不仅发生了化学降解反应,还有可能伴随着部分的
酶降解反应。对于足部和头部来说,以化学降解为
主,温度越高降解越严重 ;而对于胸部和腹部来
说,以酶降解为主,温度越低,降解程度越高。由
部位来看,K4>K1>K3>K2,这说明与腹部及胸部相
比较,蜜蜂足部和头部虽然所含组织较少,但提取
出来的完整 DNA 量要比其多,与我们通常认为的组
织越大,提取到的 DNA 越好相反。这提示我们在标
本中获得高浓度、高质量的 DNA 主要取决于标本中
所保留的完整 DNA 的量,样品虽少,但也可以获
得高浓度的 DNA,而取材的多少居于次要因素。因
而在提取标本 DNA 时,不能一味追求选择大的组
织或者通过增加组织量来祈求获得高浓度、高质量
的 DNA,更应该注重组织的保存状况。由温度来
看,K3>K2>K1>K4,即对于整体来说,65℃回软保
存的完整 DNA 量最多 ;55℃与 45℃回软保存的完
整 DNA 量次之,且 55℃与 45℃回软对标本整体总
DNA 量的影响几乎没有差别 ;而 85℃回软保存的完
整 DNA 量较少,说明标本回软过程中,并非温度越
低,保存的完整 DNA 越多。回软温度的确定既要考
虑高温造成的化学损伤,也应注意适当的高温可以
通过抑制酶的活性减弱酶降解反应从而对 DNA 起到
一定的保护作用。
4 结论
通过本研究,我们发现从不同方式保存的蜜蜂
标本中均可提取到较高质量的总 DNA。同自然干燥
法相比,回软操作明显破坏了蜜蜂 DNA 的稳定性,
但 65℃对 DNA 的破坏性最小。蜜蜂 DNA 提取的最
佳部位为足部,DNA 保存最完整。通过线粒体基因
16S rDNA 和 CO I 保守片段的扩增,进一步证实本
实验提取的总 DNA 质量较好。
参 考 文 献
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(责任编辑 马鑫)