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Establishment of a duplex TaqMan Real-time PCR method for quantifying Puccinia striiformis f. sp. tritici and Blumeria graminis f. sp. tritici

小麦条锈病菌和白粉病菌多重TaqMan Real-time PCR方法的建立



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  45(2): 205 ̄210(2015)
收稿日期: 2014 ̄02 ̄06ꎻ 修回日期: 2014 ̄11 ̄14
基金项目: 国家自然科学基金 ( 31371881)ꎻ国家重点基础研究发展计划 ( 2013CB127700)ꎻ国家科技支撑计划 ( 2012BAD19B04ꎻ
2012BAH29B02)
通讯作者: 马占鸿ꎬ教授ꎬ主要从事植物病害流行和宏观植物病理学研究ꎻ E ̄mail:mazh@cau.edu.cnꎻ
骆 勇ꎬ教授ꎬ主要从事植物病害定量流行学、分子流行学、植物抗病性、病原与寄主互作以及病害综合防治等方面研究ꎻ
E ̄mail: ygluo@ucanr.edu
第一作者: 李勇ꎬ男ꎬ重庆人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事植物病害分子流行学研究ꎻ E ̄mail:liyongcau@qq.comꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2015.02.012
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研究简报
小麦条锈病菌和白粉病菌多重
TaqMan Real ̄time PCR方法的建立
李勇1ꎬ 谷医林1ꎬ 吴波明1ꎬ 金社林3ꎬ 曹世勤3ꎬ 王晓明3ꎬ
孙振宇3ꎬ 骆 勇1ꎬ2∗ꎬ 马占鸿1∗
( 1中国农业大学植物病理学系 农业部植物病理学重点实验室ꎬ北京 100193ꎻ 2美国加州大学 Kearney农业研究中心ꎬParlier CA 93648ꎻ
3甘肃省农业科学院植物保护研究所ꎬ兰州 730070)
Establishment of a duplex TaqMan Real ̄time PCR method for quantifying Puccinia
striiformis f. sp. tritici and Blumeria graminis f. sp. tritici   LI Yong1ꎬ GU Yi ̄lin1ꎬ WU
Bo ̄ming1ꎬ JIN She ̄lin2ꎬ CAO Shi ̄qin2ꎬ WANG Xiao ̄ming2ꎬ SUN Zhen ̄yu2ꎬ LUO Yong1ꎬ2ꎬ MA Zhan ̄
hong1   ( 1Department of Plant pathologyꎬ The Key Laboratory of China Ministry AgricultureꎬChina Agricultural Universityꎬ
Beijing 100193ꎬ Chinaꎻ2 University of Californiaꎬ Kearney Agricultural Centerꎬ Parlier CA 93648ꎬ USAꎻ3 Institute of Plant
Protectionꎬ Gansu Academy of Agriculture Scienceꎬ Lanzhou 730070ꎬChina)
Abstract: Stripe rust and powdery mildew are two major diseases of wheat in China. As typical airborne
diseasesꎬ the airborne inocula bear a direct relationship to disease cycles including primary and secondary
infections. The long distance pathogen dispersal leads to spread and regional development of diseases. Thereforeꎬ
quantitative monitoring of airborne inocula and their dynamics become an important means for disease forecast
and risk analysis of epidemics in the future. In this studyꎬ a set of duplex TaqMan Real ̄time PCR method was
developed and used to quantify the DNA of Puccinia striiformis f. sp. tritici and Blumeria graminis f. sp. tritici
so as to acquire quantitative information of inocula from air samples collected by the spore trap. The results
showed that this method is accurateꎬ specific and highly sensitive to quantify as low as 10 spores and applicable
to monitor inocula dynamics.
Key words: wheat stripe rustꎻ wheat powdery mildewꎻ duplex Real ̄time PCRꎻ spore trap
文章编号: 0412 ̄0914(2015)02 ̄0205 ̄06
    小麦条锈病(Puccinia striiformis f. sp. triticiꎬ
Pst)和小麦白粉病(Blumeria graminis f. sp. triticiꎬ
Bgt)是我国小麦生产上的重要病害ꎮ 条锈病主要
发生在西北、华北、长江中下游和西南各省、自治
区ꎻ白粉病则在西南各省和河南、山东、湖北、江苏、
安徽等省发生较重ꎬ且西北、东北麦区也日趋严
重[1]ꎮ 条锈病菌依靠夏孢子造成小麦初侵染和再
侵染并随气流远距离传播导致大区流行ꎬ白粉病菌
则依赖于分生孢子或子囊孢子进行初侵染和再侵
染ꎮ 二者作为典型的气传病害ꎬ空中的接种体在病
 
植物病理学报 45卷
害循环中至关重要ꎬ并与病害的发生发展密切相
关[2]ꎮ 因此ꎬ对空中病原孢子数量动态的研究有
利于认识病害的流行规律和提高预测预报水平ꎮ
    相比传统的病原定量测定方法(显微形态鉴
别和计数)ꎬ分子检测方法具有客观、准确、快速、
高通量等优点ꎮ Luo 等[3]利用定容式孢子捕捉器
进行连续采样ꎬ将收集在胶带上的样本进行洗脱后
提取 DNAꎬ研发出了核果褐腐病菌 Monilinia
fructicola的 SYBR Green Real ̄time PCR检测技术ꎮ
Klosterman 等[4] 开发了一套基于 ITS 序列的
TaqMan Real ̄time PCR方法用来定量测定孢子捕
捉器采集样本中的菠菜霜霉病菌 Peronospora effu ̄
saꎮ Barnes 等[5]建立一套基于 ITS 序列的巢式
TaqMan Real ̄time PCR方法ꎬ可以将降水中的大豆
锈菌 Phakopsora pachyrhizi检测到个位数孢子ꎬ用
于监测美国主要大豆产区生长季降水样本中孢子
沉降的模式和规律ꎮ
    本研究开发了一套多重 TaqMan Real ̄time PCR
方法用于定量检测小麦条锈病菌和白粉病菌ꎮ 结合
Burkard multi ̄vial cyclone sampler 采集孢子捕捉样
本ꎬ提取 DNA后ꎬ应用建立的标准曲线ꎬ可对样本中
的条锈病菌和白粉病菌数量进行定量检测ꎬ并用于
田间实地测定空气中两种病菌的浓度ꎮ
1  材料与方法
1.1  PCR体系
1.1.1  引物与荧光探针  根据 NCBI 上 Pst 和 Bgt
ITS序列设计引物和探针(见表 1)ꎮ
1.1.2  Real ̄time PCR 反应条件   反应体系为 20
μL:四条引物各 0.30 μL (10 μM )、两条探针各
0.25 μL (10 μM )、Taq 酶 0.60 μL (5 U / μL )、
dNTP 2.00 μL (2 500 μM )、10× PCR buffer 2.00
μL、MgCl23. 20 μL (25 μM )、ddH2 O 8. 80 μL、
DNA 模板 2. 00 μLꎮ 反应参数: 95 ℃ 预变性
3 minꎬ1个循环ꎻ94 ℃变性 20 sꎬ55 ℃退火 30 sꎬ
72℃延伸 30 sꎬ40个循环ꎮ
1.1.3  特异性测定  以小麦常见病原菌(表 2)基
因组 DNA为模板(浓度为 1 ng / μL)ꎬ验证反应的
特异性ꎮ
1.1.4  灵敏度测定  将浓度为 1 ng / μL 的 Pst 和
Bgt DNA10倍梯度稀释至最低 10-5ng / μLꎬ进行灵
敏度测定ꎮ
1.1.5  多重定量的准确性   采用正交试验设计ꎬ
2因素(两种病菌 DNA)ꎬ4 水平(4 个浓度梯度
1 ng / μL、2 ´10-2 ng / μL、4 ´10-4 ng / μL 和 0)ꎬ两
种病菌 DNA 各取 1 μLꎬ作为模板进行定量检测ꎮ
分析在不同浓度水平下ꎬ两种病菌 DNA 对相互定
量结果的影响ꎮ
1.2  孢子数量的定量测定
1.2.1  标准样本与模拟样本   分别配制浓度为
625、125、25、5、1 个孢子 / μL 的 Pst 夏孢子和 Bgt
分生孢子悬浮液ꎮ 为模拟含有空气尘埃等杂质的
孢子捕捉样本ꎬ用收集管收集自然环境中不含有
Pst、Bgt的空气尘埃等杂质ꎬ待下一步提取模拟样
本 DNA时使用ꎮ
1.2. 2   DNA 提取和 Real ̄time PCR 检测   使用
PowerSoil® DNA Isolation Kitꎬ参照其使用说明提
取 DNAꎮ 其中标准样本直接取 10 μL 孢子悬浮液
进行DNA提取ꎬ模拟样本是将 10 μL孢子悬浮液随
机加入一个含杂质的收集管中ꎬ然后用裂解液全部
洗脱进裂解管后进行 DNA提取ꎮ 提取的标准样本
和模拟样本 DNA进行 Real ̄time PCR定量分析ꎮ
Table 1  Information of primers and probes for duplex Real ̄time PCR
Pathogen
Target region and
GeneBank accession
Sequence of primers and
corresponding probes / 5′ ̄3′
Amplified fragment
length / bp
Pst
ITS
GU382673.1
Pst ̄F:AACCCTCTCATTAAATAATTTTG
Pst ̄R: CCAACTTATAGAAAAGTGACTTA
Pst ̄P:FAM ̄ATTACAGCAGCACTCAACATCCATT ̄BHQ1
102
Bgt
ITS
AB022377.1
Bgt ̄F: CCGTAACAACCTCTCAAG
Bgt ̄R: CAACCTGAGCAATTAAGGA
Bgt ̄P: HEX ̄TATTGGGACTCGCTGCCTC ̄BHQ1
157
602
 
  2期 李勇ꎬ等:小麦条锈病菌和白粉病菌多重 TaqMan Real ̄time PCR方法的建立
1.2.3  标准曲线的建立  以 Ct 值为横坐标ꎬ孢子
数对数为纵坐标ꎬ对标准样本、模拟样本和二者合
并后的所有样本分别作直线回归ꎬ得到标准曲线及
其方程ꎮ
1.3  田间测试
1.3.1  地点选择  孢子捕捉器安放于甘肃省农业
科学院植物保护研究所甘谷试验站内一层建筑楼
顶(经度 E 105. 29144°ꎬ纬度 N 34. 76281° ꎬ海拔
1 289 m)ꎮ 小麦条锈病和白粉病在当地常年发生ꎮ
1.3.2  样本的获得和处理  孢子捕捉器每个样本
采集时间为 0:00至次日 0:00ꎬ吸入空气的速率为
16.5 L / minꎬ每周采集 2 ~ 3 个样本ꎮ 监测时间为
2013年 4-11 月ꎬ样本到达实验室后进行 DNA 提
取和 Real ̄time PCR检测ꎮ
2  结果与分析
2.1  PCR体系
2.1.1  反应特异性  Pst 和 Bgt 基因组 DNA出现显
著扩增ꎬ其他病原菌基因组 DNA未有扩增 (表 2)ꎮ
2.1.2  反应灵敏度  图 1 ̄A和图 1 ̄B 显示两种病菌
DNA可检测出的最低浓度为 10-4 ng / μLꎬ浓度为 10-5
ng / μL的 Pst 和 Bgt DNA及阴性对照未见扩增ꎮ
Table 2  The results of specificity test of designed primers used in this study
Pathogen ( race or source) Amplified or not
Puccinia striiformis f. sp. tritici(CY31) +
P. striiformis f. sp. tritici(CY32) +
P. striiformis f. sp. tritici(CY33) +
P. triticina -
P. graminis f. sp. tritici -
Bipolaris sorokiniana -
Blumeria graminis f. sp. tritici
( race unknownꎬ provided by Professor Zhou Yilin from Institute of
Plant Protectionꎬ Academy of Agricultural Sciences of China)

B. graminis f. sp. tritici(sampled in Beijing) +
B. graminis f. sp. tritici(sampled at Gangu Countyꎬ Gansu Province) +
Fusarium graminearum -
Rhizoctonia cerealis -
B. sorokiniana -
  Note:“+” indicates amplifiedꎬ “-” indicates not amplified.
Fig. 1  Sensitivity test of Real ̄time PCR for Pst (A) and Bgt (B)
Note:The amplification curves from left to right in both subfigures indicate a gradient concentration
of template DNA as 1ꎬ10-1ꎬ10-2ꎬ10-3ꎬ10-4ng / μL for Pst ( fig.1 ̄A) and Bgt ( fig.1 ̄B) .
702
 
植物病理学报 45卷
2.1.3  多重定量的准确性   对于各个浓度的 Pst
DNA(1 ng / μL、2 ´10-2 ng / μL、4 ´10-4 ng / μL 和
0)ꎬ均有各个浓度 Bgt DNA 与其混合的 4 个处理ꎬ
反之亦然ꎮ 用 SAS软件 GLM过程对每一浓度 4个
处理的 Ct值数据进行方差分析ꎬP值均大于0.05ꎬ显
示各组处理结果均无显著差异ꎬ确定该多重定量方
法ꎬ在 1 ng / μL以下的 DNA 浓度范围内ꎬ两种病原
菌 DNA的定量没有相互干扰(表 3)ꎮ
2.2  标准曲线
    使用 SAS程序的 GLM过程ꎬ通过分析标准样
本、模拟样本直线回归方程截距和斜率的差异ꎬ来
判断二者是否存在显著差异ꎮ 结果显示在 α=0.05
水平ꎬ标准样本和模拟样本的定量结果均无显著差
异 (表 4)ꎮ 所以合并标准样本和模拟样本数据做
直线回归ꎬ得到本研究定量测定 Pst 的标准曲线方
程 y=-0.309 x+11.74ꎬR2 =0.984ꎬP<0.01(图 2 ̄A)
和 Bgt的标准曲线方程 y = -0.280 x+10.66ꎬR2 =
0.994ꎬP<0.01(图 2 ̄B)ꎮ
2.3  田间测定
    孢子捕捉样本检测结果(图 3)表明:在 6月初
Table 3  The result of orthogonal experiment on various concentration
of temple DNA in Real ̄time PCR
Pst DNA ng / uL Bgt DNA ng / uL Ct value ̄FAM Ct value ̄HEX

1 23.07 22.82
2 ´10-2 22.62 29.14
4 ´10-4 22.51 35.97
0 22.71 -
2 ´10-2
1 30.13 22.87
2 ´10-2 29.82 29.29
4 ´10-4 29.77 35.33
0 29.75 -
4 ´10-4
1 35.41 22.67
2 ´10-2 36.10 29.08
4 ´10-4 35.48 35.02
0 36.46 -

1 - 22.76
2 ´10-2 - 29.10
4 ´10-4 - 35.65
0 - -
  Note:Ct value is average of three replicates.
Table 4  Linear regression equations and variance analysis of sample groups
Pathogen Standard sample Simulative sample P value ( intercept) P value (slope)
Pst
y=-0.297 x+11.41
R2 = 0.988
y=-0.323 x+12.15
R2 = 0.985
0.328 3 0.078 6
Bgt
y=-0.287 x+10.85
R2 = 0.997
y=-0.273 x+10.49
R2 = 0.993
0.378 1 0.086 7
802
 
  2期 李勇ꎬ等:小麦条锈病菌和白粉病菌多重 TaqMan Real ̄time PCR方法的建立
 
Fig. 2  Standard curves of Real-time PCR for Pst (A) and Bgt (B)
Fig. 3  The result of airborne inoculum of Pst (A) and Bgt (B) monitoring
902
 
植物病理学报 45卷
前ꎬ空中 Pst浓度很低ꎬ之后急剧上升ꎬ并出现较大
的波动至 7月初ꎬ之后下降维持在低值ꎬ在 10 月初
迎来第二次高峰ꎬ10 月中旬再次进入低值ꎻBgt 在
4月中旬有一次小高峰ꎬ之后一个月进入低值ꎬ5 月
中旬开始进入持续一个半月的高峰期ꎬ期间明显波
动ꎬ7 月初下降并维持在低值ꎬ10 月初再次达到高
峰ꎬ10月中旬再进入低值ꎮ
3  结果与讨论
    本研究建立了一种能同时检测 Pst 和 Bgt 的
多重 TaqMan Real ̄time PCR 方法ꎬ样本提取 DNA
后ꎬ进行 Real ̄time PCR 反应ꎬ结合建立的标准曲
线ꎬ可计算出样本所含孢子数量ꎬ对两种病菌的检
测灵敏度达 10 个夏孢子或分子孢子ꎬ方法具有良
好的特异性ꎬ定量结果准确ꎮ 结合孢子捕捉器采集
样本ꎬ可对空中的两种病菌浓度进行监测ꎮ 通过在
试验站的实测应用ꎬ得到了 2013 年 4 ̄11 月空中两
种病菌孢子的浓度动态ꎮ
    两种病菌空中孢子浓度变化呈现较为一致的
规律ꎬ有明显的高峰期和低值期ꎮ 5 ̄6 月空中孢子
波动明显ꎬ可能与当地 5 ̄6 月份频繁的降雨有关ꎮ
孢子捕捉器周边小麦从 6月下旬开始陆续收割ꎬ而
空中孢子数量从 7月份开始降到较低值ꎬ极可能与
田间寄主数量急剧减少有关ꎮ 两种病菌空中孢子
浓度在 10月上旬出现高峰ꎬ推测此时段监测到的
大量病菌可能来源于当地高海拔地区自生麦苗上
的越夏菌源的传播扩散ꎮ 由于 10月上旬该地小麦
处于出苗期ꎬ这些下传菌源对当地小麦条锈病、白
粉的发生有何影响尚待研究ꎮ
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责任编辑:曾晓葳
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