全 文 :植物保护学报 Journal of Plant Protection, 2015, 42(3): 347 - 352 DOI: 10 13802 / j. cnki. zwbhxb. 2015 03 010
基金项目: 国家质检总局科技计划项目(2009IK254,2011IK286,2012IK278),国家“十二五”科技支撑计划(2012BAK11B02)
∗通讯作者(Author for correspondence), E⁃mail: fengciq@ 163. com
收稿日期: 2014 - 09 - 09
玉米细菌性枯萎病菌的环介导恒温
扩增(LAMP)检测方法
封立平1∗ 倪 新2 吴兴海1 伦才智2 吴翠萍3 栾 晶1
(1.山东出入境检验检疫局, 青岛 266002; 2.临沂出入境检验检疫局综合技术服务中心,
山东 临沂 276034; 3.江苏出入境检验检疫局, 南京 210001)
摘要: 为了提高口岸和基层实验室检疫和监测玉米细菌性枯萎病菌的准确性和工作效率,利用环
介导恒温扩增技术(LAMP),根据内切葡聚糖酶(EGase)基因前导序列,设计 2 个内引物和 2 个外
引物,对玉米细菌性枯萎病菌进行快速检测。 结果表明,使用玉米细菌性枯萎病菌的近缘种或引致
相似症状的病原菌菊欧文氏菌玉米致病变种 Erwinia chrysanthemi pv. zeae、玉米内州萎蔫病菌
Clavibacter michiganensis subsp. nebraskensis、燕麦假单胞菌 Pseudomonas avenae、杓兰欧文氏菌
Erwinia cypripedii检测其特异性,仅玉米细菌性枯萎病菌有扩增。 LAMP 检测灵敏度达到 2 pg
DNA,为普通 PCR的 100 倍;与其它检测方法相比,LAMP 方法检测时间短,效率高,不仅降低了设
备投入,易于操作,而且具有较高的灵敏度和特异性,适合玉米细菌性枯萎病菌的现场检疫和大规
模检测。
关键词: 玉米细菌性枯萎病菌; 内切葡聚糖酶; 环介导恒温扩增; 检测
Loop⁃mediated isothermal amplification (LAMP) for detection of
Pantoea stewartii subsp. stewartii
Feng Liping1∗ Ni Xin2 Wu Xinghai1 Lun Caizhi2 Wu Cuiping3 Luan Jing1
(1. Shandong Entry⁃Exit Inspection and Quarantine Bureau, Qingdao 266002, Shandong Province, China; 2. Comprehensive
Technical Service Center of Linyi Entry⁃Exit Inspection and Quarantine Bureau, Linyi 276034, Shandong Province, China;
3. Jiangsu Entry⁃Exit Inspection and Quarantine Bureau, Nanjing 210001, Jiangsu Province, China)
Abstract: In order to improve the accuracy and efficiency of quarantine and monitoring of Pantoea
stewartii subsp. stewartii for the port and the basic⁃level test labs, and establish a rapid detection
method, the loop mediated isothermal amplification (LAMP) technology was applied in the laboratory.
Based on the endoglucanase (EGase) gene leading sequence, two inner primers and two outer primers
were designed through a simple LAMP to detect P. stewartii subsp. stewartii. The results showed that the
LAMP primers did not react with suspensions of Erwinia chrysanthemi pv. zeae, Clavibacter michiganensis
subsp. nebraskensis, Pseudomonas avenae, and Erwinia cypripedii. The LAMP detection system of P.
stewartii subsp. stewartii was designed successfully with the lowest detection limit of 2 pg DNA, 100 times
higher than ordinary PCR technology. Compared with other detection methods, the LAMP method for
detection of P. stewartii subsp. stewartii in this study was rapid, with higher efficiency and lower
equipment investment. The results indicated that LAMP method is easy to conduct, and has high
sensitivity and specificity, indicating that it is suitable for the on⁃site quarantine and large⁃scale
monitoring of P. stewartii subsp. stewartii.
Key words: Pantoea stewartii subsp. stewartii; endoglucanase; loop mediated isothermal amplification
(LAMP); detection
玉米是我国农业的主要栽培作物,也是关系到
国家粮食安全的重要品种,在国民经济中占有重要
地位。 我国从 2010 年开始出现了玉米净进口态势,
并且进口数量逐年增加,进口国家主要是美国。 入
境美国玉米携带玉米细菌性枯萎病菌 Pantoea stew⁃
artii subsp. stewartii (Smith) Mergaert et al. 传入传
播的风险极大,有效防控该病害的入侵是保护我国
农业生产的一项重要举措。 玉米细菌性枯萎病菌异
名为 Erwinia stewartii (Smith) Dye,是《中华人民共
和国进境植物检疫危险性病、虫、杂草名录》中的检
疫性有害生物,也是进境相关植物源性产品、饲料和
繁殖材料的必检项目。 该病菌主要通过病种子进行
远距离传播,其引起的玉米细菌性枯萎病是玉米上
的毁灭性病害,受害植株萎蔫、矮缩或干枯,是维管
束型病害。 该病最早发生于美国,后扩散到欧洲、大
洋洲等地(齐玲玲等,2010),我国目前尚无该病害
分布或发生的相关报道。 目前检疫该菌的方法主要
以传统的分离培养、生理生化鉴定和各类 PCR分子
鉴定技术为主。 传统的检测方法主要是病原菌的分
离培养鉴定,如用黑色素选择性培养基分离、检验和
鉴定该细菌(郭翼奋等,1982),但该方法检测灵敏
度低、耗时长,已不能满足口岸快速检测的需求。
PCR技术目前主要利用该病原的 16S rDNA 和 16S⁃
23S rDNA ITS区域的序列差异设计引物,有时无法
实现完全特异性检测,存在假阴性和假阳性反应,在
实际工作中往往造成漏检和疫情逃逸等问题(吴琼
等,2004)。 因此,急需建立玉米细菌性枯萎病菌的
快速、准确、高效、低成本的检测方法。
环介导恒温扩增( loop⁃mediated isothermal am⁃
plification,LAMP)是 Notomi et al. (2000)开发的一
种先进、灵敏的体外恒温核酸扩增技术,可在恒温条
件下和短时间内将目标 DNA从几个拷贝扩增到 109
拷贝。 其特点是针对靶基因(DNA、cDNA)的 6 个区
域,设计 4 条特异引物,利用一种链置换 DNA 聚合
酶(BstDNA polymerase)在恒温中反应 1 h,即可完
成核酸扩增反应。 与其它方法相比,LAMP 具有高
特异性、高灵敏度和高效扩增等优点,该方法成本
低,操作简单,不受样品中基因组 DNA的影响,所需
样品少,且反应产物可以通过肉眼观测 SYBR Green
Ⅰ染液的颜色变化来判断,因此该技术在快速检测
病原和诊断疾病方面已表现出极大的实用价值。 目
前许多学者利用 LAMP 技术对难以培养、生化反应
不明显及传统表型方法不能鉴定的细菌进行了快速
准确的鉴定(王丽等,2006),如应用 LAMP 法已经
成功检测到单增李斯特菌 Listeria monocytogenes、空
肠弯曲菌 Campylobacter jejuni、阪崎肠杆菌 Enter⁃
obacter sakazakii等(林超等,2009;高宏伟等,2010;
徐晓可等,2013)。 但该技术在植物病原细菌方面
的应用还较少。
本研究建立了一种利用环介导等温核酸扩增技
术(LAMP)检测玉米细菌性枯萎病菌 P. stewartii
subsp. stewartii的方法,对 LAMP反应体系进行了特
异性和灵敏性检测,同时与普通 PCR检测技术进行
了灵敏度的比较,以期为口岸和基层实验室检疫和
监测玉米细菌性枯萎病菌提供新的技术手段,为制
定该病的防治策略、防止该病原菌的入侵风险提供
理论依据。
1 材料与方法
1 1 材料
供试菌株:玉米细菌性枯萎病菌 P. stewartii
subsp. stewartii(保藏编号 ATCC29227)、玉米内州萎
蔫病菌 Clavibacter michiganensis subsp. nebraskensis
(保藏编号 ATCC27822)、菊欧文氏菌玉米致病变种
Erwinia chrysanthemi pv. zeae、燕麦假单胞菌 Pseudo⁃
monas avenae,由中国检验检疫科学研究院提供;杓
兰欧文氏菌 Erwinia cypripedii,由本试验室从进境韩
国大花惠兰中分离。
培养基:营养琼脂培养基(nutrient agar medium,
NA):牛肉浸膏 3 g、蛋白胨 10 g、氯化钠 5 g、琼脂粉
15 g,加蒸馏水溶解,调 pH 至 7 0,定容至 1 000
mL。 肉汤液体培养基(nutrient broth medium,NB):
牛肉浸膏 0 5 g、蛋白胨 1 0 g、氯化钠 0 5 g,加蒸馏
水溶解,调 pH至 7 2 ~ 7 5,定容至 1 000 mL。
试剂:Bst DNA Polymerase Large Fragment,New
England Biolabs(NEB)公司;DNA marker,宝生物工
程(大连)有限公司;dNTPs,生工生物工程(上海)股
份有限公司;琼脂糖,Promega(北京)生物技术有限
公司;细菌 DNA提取试剂盒,天根生化科技(北京)
有限公司;营养肉汤,北京陆桥技术有限责任公司;
843 植 物 保 护 学 报 42 卷
SYBR GreenⅠ,嘉美生物技术有限公司。
仪器:BioPhotometer Plus 核酸蛋白测定仪,Ep⁃
pendorf中国有限公司;DYCP⁃32C 型水平电泳仪,北
京六一仪器厂;Vilber Lourmat 凝胶成像系统,法国
VILBER LOURMAT公司;WFH⁃201B 紫外透射反射
仪,上海沪粤明科学仪器有限公司。
1 2 方法
1 2 1 细菌培养及 DNA提取
将目标菌株玉米细菌性枯萎病菌 P. stewartii
subsp. stewartii 与 4 种对照菌株包括玉米内州萎蔫
病菌 C. michiganensis subsp. nebraskensis、菊欧文氏
菌玉米致病变种 E. chrysanthemi pv. zeae、燕麦假单
胞菌 P. avenae、杓兰欧文氏菌 E. cypripedii 分别接
种于 NA 平板上,28 ℃培养直至长出单菌落,挑取
单菌落上的菌体培养物于灭菌离心管中,加 ddH2O
至 1 5 mL,12 000 r / min离心 1 min,除去上清液,收
集菌体沉淀,根据细菌总 DNA提取试剂盒说明书进
行各病原菌总 DNA提取。
1 2 2 LAMP反应引物设计及合成
根据玉米细菌性枯萎病菌特异性基因内切葡聚
糖酶 ( EGase) 基因前导序列 ( GenBank 登录号:
ZP09830405 1)为靶标,利用在线设计软件 Primer
Explorer 3 设计 LAMP 反应引物,通过考虑碱基组
成、GC 含量、二级结构的形成和 Tm 值等因素对备
选引物进行筛选以得到特异性的引物序列。 所得引
物序列由南京金斯瑞生物有限公司合成。 正向内侧
引 物 FIP: 5′⁃TCAAAAGCCGCGCGGTCATC⁃TCAGCC
ATACCGAAGGGC⁃3′,反向内侧引物 BIP: 5′⁃AC⁃
CACGTTGCGAAATCCGCAA⁃GCTACCGGATCCTGTG
CT⁃3′,正向外侧引物 F3: 5′⁃ACGGGCGCATTATT⁃
GATACG⁃3′,反向外侧引物 B3:5′⁃CACATCGCCAT⁃
CAGAAGCAT⁃3′。
1 2 3 LAMP方法的优化
根据反应体系条件对 LAMP 反应体系进行优
化,即依次对反应温度、镁离子浓度、内外引物浓度
进行单因素变化试验。 其中反应温度变化范围为
59 ~ 65 ℃,镁离子终浓度变化范围为 0 ~ 12 mM,内
外引物比例范围为 1 ∶ 1 ~ 1 ∶ 12。
1 2 4 LAMP扩增结果的判断方法
将 1 个玉米细菌性枯萎病菌阳性菌株和 1 个不
添加玉米细菌性枯萎病菌模板 DNA 的 LAMP 反应
溶液按设计的 LAMP 反应程序进行反应,反应前在
PCR管内盖上加入 SYBR GreenⅠ荧光染料使其附
在管盖内侧,反应结束后瞬时离心将 SYBR GreenⅠ
加入 LAMP反应液中进行显色观察,肉眼可见阳性
菌株反应管颜色为绿色,未添加阳性菌株反应管颜
色为橙色;用 1 5%琼脂糖凝胶电泳分析,阳性菌株
扩增产物出现梯形条带。 2 种方法的扩增产物判断
结果一致,即可将 SYBR GreenⅠ染色、凝胶电泳 2
种方法作为 LAMP扩增结果判定的可信方法。
1 2 5 LAMP特异性检测
根据玉米细菌性枯萎病菌内切葡聚糖酶
(EGase)基因前导序列建立的 LAMP 方法分别扩增
玉米细菌性枯萎病菌和其对照菌株。 分别以玉米细
菌性枯萎病菌及其对照菌基因组 DNA为模板,采用
已优化的反应体系进行 LAMP 方法特异性检测,检
测结果通过荧光染料法和 1 5%琼脂糖凝胶电泳进
行分析。
1 2 6 LAMP灵敏度检测
按照 1 2 1 进行玉米细菌性枯萎病菌的培养
及 DNA提取,将得到的 DNA利用核酸蛋白测定仪
测定浓度,将 DNA提取液浓度稀释为 100 μg / μL,
然后对其进行 10 倍系列稀释,分别为: 100、10 - 1、
10 - 2、10 - 3、10 - 4、10 - 5、10 - 6,对应的菌液 DNA 浓
度分别为 100、10、1、0 1、0 01 μg / μL 及 1、0 1
pg / μL。 用 DNA稀释液做模板进行 LAMP扩增,电
泳检测其灵敏度并计算 DNA 含量。 DNA 含量 =
DNA提取液浓度 ×稀释度 ×模板 DNA 体积,其中
DNA提取液浓度为 100 μg / μL,模板 DNA 体积为
2 μL。
1 2 7 LAMP与 PCR灵敏度的比较
使用 1 2 6 中梯度稀释的模板同时进行 PCR
检测,比较 PCR 方法与 LAMP 方法灵敏度的差异。
PCR 引物序列:EGaseUP5′⁃GGCGGCGGTGAAAGAG
TT⁃3′, EGaseNP5′⁃GATGCACCGACGGAAACAA⁃3′。
引物由华大基因公司合成。 50 μL反应体系各成分
为:5 U / μL Ex Taq 1 μL、2 5 mmol / L dNTP 2 μL、
10 × PCR Buffer 5 μL、10 mmol / L上游引物 1 μL、10
mmol / L下游引物 1 μL、模板 DNA 2 μL,补 ddH2O
至 50 μL。 PCR反应条件为 94 ℃预变性 5 min;94
℃变性 45 s,64 ℃退火 45 s,72 ℃延伸 1 min,30 循
环;72 ℃延伸 7 min,然后 4 ℃保存。
2 结果与分析
2 1 LAMP方法的优化结果
优化后的 LAMP反应体系为 50 μL,其中包含:
① 模板预处理反应液 16 μL:10 μmol / L 内引物 FIP
和 BIP各 2 μL、5 μmol / L外引物 F3 和 B3 各 2 μL、
9433 期 封立平等: 玉米细菌性枯萎病菌的环介导恒温扩增(LAMP)检测方法
10 μmol / L dNTP 8 μL;② 溶液 I 32 μL:基础反应液
25 μL、8 U / μL Bst DNA Polymerase 4 μL,补 ddH2O
3 μL。 其中基础反应液成分为:10 × Thermol Buffer、
20 mmol / L Tris⁃HCl ( pH 8 8,25 ℃)、10 mmol / L
KCl、 10 mmol / L ( NH4 ) 2SO4、 8 mmol / L MgSO4、
0 01% Triton X⁃100;③ 模板 2 μL。 其中各组分均
为工作液浓度。
提取的待检样品核酸纯度比值 DNA OD260 /
OD280在 1 6 ~ 2 0 范围内,核酸浓度在 40 ~ 100 ng /
μL范围内。 将装有 16 μL 模板预处理反应液的反
应管加入 2 μL待检模板 DNA,94 ℃水浴 5 min,59
℃水浴 45 s,共 6 个循环。 然后将上述模板预处理
混合溶液加入 32 μL 溶液Ⅰ中,63 ℃ 60 min,反应
结束后 80 ℃10 min,降温至 4 ℃。
2 2 LAMP特异性检测
SYBR GreenⅠ染色结果表明,玉米细菌性枯萎
病菌菌株颜色为绿色,而对照菌株和空白对照均为
橙色(图 1⁃a);凝胶电泳结果表明,玉米细菌性枯萎
病菌菌株有扩增,呈阳性反应,而对照菌株均无扩增
(图 1⁃b)。
图 1 玉米细菌性枯萎病菌 LAMP反应体系
特异性试验结果
Fig. 1 Specificity tests for the LAMP assay of Pantoea
stewartii subsp. stewartii
a: SYBR GreenⅠ染色检测; b: 凝胶电泳检测; M:
DL 2000 marker; 1: 玉米细菌性枯萎病菌; 2: 菊欧文氏
菌玉米致病变种; 3: 玉米内州萎蔫病菌; 4: 燕麦假单
胞菌; 5: 杓兰欧文氏菌; B: 空白对照。 a: SYBR Green
I test method; b: gel electrophoresis test method; M: DL
2000 marker; 1: P. stewartii subsp. stewartii; 2: E. chry⁃
santhemi pv. zeae; 3: C. michiganensis subsp. nebrasken⁃
sis; 4: P. avenae; 5: E. cypripedii; B: black control.
2 3 LAMP灵敏度检测
用建立的 LAMP检测方法扩增不同稀释度的模
板,凝胶电泳结果表明,随着模板浓度的降低,条带
逐渐变淡,至稀释度 10 - 5时没有扩增产物(图 2),即
本 LAMP方法的检测限为 2 pg DNA。
图 2 玉米细菌性枯萎病菌 LAMP反应体系
灵敏度试验结果
Fig. 2 Sensitivity tests for the LAMP assay of Pantoea
stewartii subsp. stewartii at different DNA dilutions
M: DL 2000 marker; 1 ~ 7: 玉米细菌性枯萎病菌稀
释倍数分别为 100、10 - 1、10 - 2、10 - 3、10 - 4、10 - 5、10 - 6。
M: DL 2000 marker; 1 - 7: DNA dilutions are 100, 10 - 1,
10 - 2, 10 - 3, 10 - 4, 10 - 5, and 10 - 6, respectively.
2 4 LAMP与 PCR最低检测限比较
用普通 PCR方法扩增不同稀释度的模板,结果
表明,灵敏度最低检测限为稀释度 10 - 3(图 3)。 通
过比较可以看出,LAMP 方法的灵敏度是普通 PCR
的 100 倍。
图 3 玉米细菌性枯萎病菌的 PCR灵敏度检测结果
Fig. 3 Sensitivity tests for PCR assay of Pantoea stewartii
subsp. stewartii at different DNA dilutions
M: DNA marker DL 2000; 1 ~ 5: 玉米细菌性枯萎病
菌稀释度分别为 100、10 - 1、10 - 2、10 - 3、10 - 4; B: 空白对
照。 M: DNA marker DL 2000; 1 - 5: DNA dilutions are
100, 10 - 1, 10 - 2, 10 - 3, and 10 - 4, respectively; B: nega⁃
tive control.
3 讨论
目前各类 PCR 技术由于效率较高已成为病原
053 植 物 保 护 学 报 42 卷
菌检测的重要手段。 如普通 PCR检测方法(吴兴海
等,2007;王赢等,2009)、巢式 PCR 检测方法(王茂
华等,2005)、实时荧光 PCR 检测方法(漆艳香等,
2004)、多重 PCR 检测方法等 ( Frederick et al. ,
2001;Coplin et al. ,2002)。 但是这些 PCR技术存在
会产生个别假阴性和假阳性反应的缺陷。 进一步排
除这些交叉反应需要使用限制性酶切片段反转脉冲
电场电泳,对技术和设备的要求都比较高。 而本研
究建立的玉米细菌性枯萎病菌 LAMP检测方法可以
弥补 PCR检测技术的不足。 由于 LAMP技术采用 4
条引物(其中 2 条超过 40 bp)来识别目的片段 6 个
特异性的区域,使得 LAMP检测方法比 PCR方法具
有更好的特异性,而且灵敏性更高。 在本试验中,
LAMP检测限为 2 pg DNA,灵敏度可达到普通 PCR
的 100 倍。 此外,LAMP 检测方法可实现恒温下反
应,只需要一台水浴锅或者培养箱即可,容易在田间
地头及货场进行检测。 而且,LAMP 检测结果可以
通过肉眼观察 SYBR GreenⅠ染料颜色变化来判断,
比 PCR更早得到反应结果。
国内外鲜见玉米细菌性枯萎病菌的环介导恒温
扩增方法报道。 目前国内只有袁钧等(2013)报道
利用玉米细菌性枯萎病菌基因组 DNA 特有的保守
区域设计 LAMP引物,通过优化其反应条件,建立了
玉米细菌性枯萎病菌的检测体系。 本研究与上述研
究相比,引物设计选取的靶标序列不同。 在袁钧等
(2013)研究中选取玉米细菌性枯萎病菌基因组中
的保守序列 psas为靶标序列,而本研究是根据玉米
细菌性枯萎病菌产生的内切葡聚糖酶(EGase)基因
前导序列设计 LAMP引物。 内切葡聚糖酶 EGase基
因是近年来新发现的与玉米细菌性枯萎病菌的致病
力及传播密切相关的基因,可引起寄主细胞壁和木
质部基质中多糖成分的完全降解,其前导序列调控
EGase的启动和表达(Mojtaba et al. ,2012),是玉米
细菌性枯萎病菌的特异性基因,以该基因为靶标设
计 LAMP 引物保证了检测的高度特异性。 其次,
LAMP扩增结果的判断方法不同。 在袁钧等(2013)
的研究中 LAMP 检测结果的判断采用凝胶电泳方
法,而没有采用 SYBR Green I染料显色进行结果的
快速判定,也没有采用不开盖技术,仍停留在 LAMP
技术 2000 年发展阶段的水平。 由于 LAMP 高温反
应后产生的气溶胶极易导致污染,因此假阳性率高。
而且用凝胶电泳方法判断 LAMP 检测结果耗时费
力,不能满足快速检测的要求。 而本研究采用了不
开盖检测,在 LAMP 反应前于 PCR 管内盖上加入
SYBR GreenⅠ荧光染料使其附在管盖内侧,待反应
结束后瞬时离心将 SYBR GreenⅠ加入 LAMP 反应
液中进行显色观察,具有可视性、即时性的检测优
势;并且避免了开盖造成气溶胶污染。 因此检测的
准确性和灵敏度更有保证。
本研究建立的玉米细菌性枯萎病菌的环介导恒
温扩增(LAMP)检测方法是一种先进的即时检测技
术方法,将为入境植物产品中玉米细菌性枯萎病菌
的检疫提供新的技术保障。 这不仅能使工作效率得
到突破性的提高,同时可使检测成本大幅降低。 由
于条件所限,试验主要针对口岸检测工作进行,仅选
取了目前在玉米上能造成严重危害且与玉米细菌性
枯萎病菌近缘或症状相似的对照菌,引物的特异性
应该通过收集更多的菌株来进行进一步的检测。
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(责任编辑:高 峰)
253 植 物 保 护 学 报 42 卷