全 文 :林业科学研究 2016,29(4):615 619
ForestResearch
文章编号:10011498(2016)04061505
管芯片技术通量检测杨树溃疡病病菌的应用
王凯英1,高 茜1,严东辉1,2
(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 国家林业局森林保护学重点实验室,北京 100091;
2.南京林业大学南方现代林业协同创新中心,南京 210037)
收稿日期:20160309
基金项目:水解纤维素产烃树木内生菌资源利用技术引进(2013410)、效应物在杨盘二孢半活养方式及亲和寄主致病性中的作用
(31370645)
作者简介:王凯英(1990—),女,河北邯郸人,在读硕士研究生,森林植物微生物组学,Email:wkylibra@163.com
通讯作者:博士,研究员,主要从事森林病理与树木微生物群学(microbiomics),Email:yandh@caf.ac.cn
关键词:溃疡病菌;Botryosphaeriadothidea;芯片杂交;检测;管芯片
中图分类号:S79211 文献标识码:A
DetectionofPoplarCankerFungalPathogensbyArrayTubeTechnique
WANGKaiying1,GAOQian1,YANDonghui1,2
(1.ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,KeyLaboratoryofForestProtectionof
StateForestryAdministration,Beijing 100091,China;2.CoInnovationCenterforSustainableForestryinSouthernChina,
NanjingForestryUniversity,Nanjing 210037,Jiangsu,China)
Abstract:[Objective]UsingArayTube,ahighthroughputmicroaraytechnology,todetectpoplarcankerpatho
gensinBeijingarea.[Method]TheDNAextractedfromsymptomaticandasymptomaticpoplarbarkwereusedto
hybridizingbyArayTube.TheresultsofhybridizationwererecordedandanalyzedbyIconoClustAT3.0.Thenthe
hybridizationresultswereverifiedbycloningofthecorespondingtissue.[Result]TheresultsshowedthatBotryo
sphaeriadothideaandValsasordidaweresuccessfulydetectedasthetargetpathogensinsymptomaticsamplesby
microarayhybridization.TheB.dothideawasalsofoundasanendophyteinhealthytissue.[Conclusion]There
sultsindicatedthattheArayTubetechniqueisanefectivemethodforquickdetectionofpoplarcankerpathogens,it
couldbefurtherappliedinotherforestplantpathogendetectionordiagnosis.
Keywords:cankerpathogens;Botryosphaeriadothidea;microarayhybridization;detection;ArayTube
基因芯片技术因能对生物样本进行快速、高通
量的定性和定量分析,而在植物病害诊断中也得到
普遍的应用[1]。树木溃疡病是指引起木本植物树皮
上出现溃疡腐烂等症状的病害[2]。引起杨树溃疡病
的真菌种类较多,加之其无性型和有性型多样,所
以,关于杨树溃疡病病原菌的报道多有不同。另外,
受地理位置、寄主植物关系及分类体系的限制,迫切
需要发展不依赖于常规分离培养的病原鉴定新
技术。
以ArayTube(AT)为基础的管芯片技术,在衣
原体、细菌及真菌鉴定中都得到了应用[3-5]。Sachse
等[6]利用 AT平台技术构建了包含35个探针有效
针对ompA基因的管芯片技术,用于快速、准确分析
衣原体菌株的基因分型。Borel等[7]利用 ArayTube
检测衣原体,通过对 339个样本的分析检测,发现
AT可以检测混合感染临床样本,与传统16SPCR相
比,灵敏度更高。Felde等[5]为了检测环境样本中的
炭疽杆菌Bacilusanthracis,分别以毒力基因rpoB和
16SrDNA为靶标基因设计探针,构建了 AT芯片。
采用8个供试菌株检测芯片的有效性,并结合环境
林 业 科 学 研 究 第29卷
样本分离物的检测,证明该芯片能够从含有B.cere
us种和Bacilus其他种的环境样本中特异性地检测
出B.anthracis。Tambong等[8]根据ITS设计了包含
有172条寡核苷酸探针的芯片用于检测腐霉菌
Pythium,每一个物种芯片杂交结果模式都是明显不
同的,从而从土壤中同时检测出 50个 Pythium菌
株,获得的结果与基于形态和 ITS数据分析的结果
完全吻合。因此,管芯片技术平台可用于森林病害
病原物的诊断和鉴定。
目前,管芯片技术在杨树溃疡病病原诊断和鉴
定中还没有得到应用。本研究是在原有的分子技术
基础上,利用PCR直接扩增植物组织中真菌种群及
生物素标记,通过管芯片杂交,对来自北京不同区县
的24个杨树样本进行检测,旨在为杨树溃疡病的病
害流行和病原生态研究提供新方法,也为树木病害
的检测提供新技术参考。
1 材料与方法
1.1 病原检测管芯片组成
杨树主要病害病原管芯片由本实验室构建和评
价[9],点制由 Clondiag公司在 ArayTube(AT)平台
上完成。构建好的管芯片共含探针29个,检测病原
对象包括引起杨树溃疡病的病菌 Botryosphaeriado
thidea和腐烂病菌Valsasordida在内的5个属16个
种真菌。探针源自ITS和EF1α基因。本研究主要
检测病原菌B.dothidea和 V.sordida。本文点阵布
局示意图仅标识这两个种的专化型探针位置如图
1,探针详细信息见表1。
表1 探针信息
菌种 靶标基因 探针点阵编号 注释
B.dothidea EF1
1
2
溃疡病菌
V.sordida ITS 50 烂皮病菌
Biotin(生物素) 杂交标记点 53 杂交阳性对照
1.2 杂交样本采集
采集北京地区有感病症状和无感病症状的杨树
树皮组织供检测(表2)。
1.3 管芯片标记及杂交
通过CTAB法[10-11]提取有症状和无症状杨树
树皮样本的总 DNA,然后置于 -20℃条件下保存
备用。
利用引物ITS1/ITS4[12]扩增核糖体内部转录间
隔区ITS15.8SITS2基因片段;利用引物EF1728F/
图1 管芯片点阵的探针布局示意图
EF1986R[13]扩增延伸因子EF1α,反向引物5’端添
加生物素,经由PCR[14]反应将生物素标记在目的基
因上,扩增程序:预变性94℃ 3min,变性94℃30s,
退火55℃30s,延伸72℃30s,24个循环,最后延伸
72℃ 3min。
杂交试剂盒由 Clondiag公司提供,杂交过程除
了文 中 指 出 外,按 照 试 剂 盒 所 述 方 法 进 行
(ClondiagChipTechnologies)。简要过程如下:上
述 PCR生物素标记产物10μL中加入90μL的杂
交液 C1(ClondiagChipTechnologies),在杂交仪
(Thermomixercomfort,Eppendorf,Cologne,Germa
ny)55℃ 550rpm下杂交1h;经 HRP(辣根过氧化
物酶,Clondiag)进行连接(30℃,550rpm,10min),
经洗脱液 C5(Clondiag)洗脱后,用 Clodiag提供的
HRP底物D1(Clondiag)在30℃ 进行5min显色反
应。杂交显色结果用管芯片读器(ArrayTube03,
Clondiag)通过IconoClustAT3.0软件(Clondiag)记
录分析。
1.4 环境样本克隆
为了进一步验证芯片杂交结果,对所有杂交样
本进行ITS扩增,然后进行克隆。将 PCR产物经过
纯化之后进行克隆,利用 pGEMTeasy载体,转入
Trans1T1phageResistant感受态细胞中。
每一个菌液作为 PCR模板,反应体系和先前一
样,菌液模板加入1μL,扩增后,选择不同大小片段
的克隆子进行测序(华大基因公司)。测序引物为
M13F,测序完毕之后,将载体序列弃去,并用剩余序
列在NCBI(NationalCenterforBiotechnologyInforma
tion)中进行Blast搜索比对。
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第4期 王凯英,等:管芯片技术通量检测杨树溃疡病病菌的应用
2 结果与分析
2.1 环境样本芯片杂交
利用建立和完成的检测新技术,作者对北京地
区杨树溃疡病的病原真菌进行了大量样本检测。其
中12个感病样本中有 6个样本检测出了 B.do
thidea,分别采自延庆、平谷、大兴、房山、顺义和怀
柔;只有采自朝阳区的杨树样品检测出了 Valsasor
dida。而在健康样本中,有3个样本检测出含有 B.
dothidea,分别采自房山、顺义和怀柔;此外,采自昌
平、海淀、门头沟、密云及通州的样品中没有杂交到
任何靶标点。结果表明,在未感病的样本中也同样
存在 B.dothidea,不过以潜伏侵染状态存在。与健
康样本相比,感病样本中,B.dothidea数量比较多,
芯片杂交样本中只有靶标探针能成功杂交,结果表
明,本实验室构建的芯片达到了预期目标。
芯片杂交结果见图2。
表2 芯片杂交样本采集地点、寄主和生境
地区 样点 寄主 生境
朝阳 索家坟 北京杨Populusbeijingensis 郊野天然林,榆树,柳树混交,树林成片死亡
昌平 百善 美洲黑杨 Populusdeltoides 新栽植物与农耕地上林子,全死亡,树皮腐烂
大兴 鲍家堡 毛白杨 Populustomentosa 人工林,壤土地,沙土地
怀柔 白河湾 美洲黑杨 Populusdeltoides 天然林,灌木发达
海淀 北大未名 毛白杨 Populustomentosa 行道树
房山 树子湾 美洲黑杨 Populusdeltoides 郊野零星树
密云 番子牌 大青杨 Populususuriensis 郊野林,灌木发达
白头沟 妙峰山 山白杨 Populusdavidiana 天然,零星树妙峰山500米处
平谷 东凡各庄 北京杨 Populusbeijingensis 人工种植与农田旁的行道树
顺义 南坞 美洲黑杨 Populusdeltoides 公路旁人工林,几种白杨派混交
通州 小杨各庄 银白杨 Populusalba 行道树
延庆 百草洼 美洲黑杨 Populusdeltoides 郊野林
A.感病样本;B.无症状样本;黑色箭头指示53号探针;蓝色箭头指示50号探针;绿色箭头指示1号探针;红色箭头指示2号探针;
图2 环境样本芯片杂交结果
2.2 管芯片杂交结果的检验
通过ITS1/ITS4扩增后进行克隆,克隆结果见
表3,采自门头沟、密云、通州、海淀及昌平5个地区
的样本没有与任何探针成功杂交,其中采自前3个
地区样本的寄主为山白杨、大青杨、银白杨,同样也
没有克隆得到该菌,但克隆得到其他真菌 Hyaloden
drielasp.、Coniothyriumfuckeli、Peyronelaeasp.,而
采自海淀和昌平的样本没有克隆结果;采自朝阳的
样本杂交获得V.sordida,但无克隆结果;采自房山、
怀柔、顺义(寄主为美洲黑杨)、大兴(毛白杨)、平谷
(北京杨)的样本则成功杂交到 B.dothidea,通过克
隆也获得了B.dothidea和其他真菌。利用ITS克隆
的同时也得到植物组织的 ITS序列,如 Populusdel
toides。总体克隆结果与管芯片结果相吻合。
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林 业 科 学 研 究 第29卷
表3 环境样本克隆结果和杂交比对
地区 样点 杂交结果 ITS克隆结果
大兴 鲍家堡 B.dothidea B.dothidea,Populusdeltoides
房山 树子湾 B.dothidea Hyalodendrielasp.,Lophiostomacynaroidis,B.dothidea,Populusdeltoides
怀柔 白河湾 B.dothidea Peyronelaeasp.,Coniothyriumfuckeli,B.dothidea,Dothideomycetessp.,Populusdeltoide
门头沟 妙峰山 无 Hyalodendrielasp.,Coniothyriumfuckeli
密云 番子牌 无 Hyalodendrielasp.,Populusdeltoides
平谷 东凡各庄 B.dothidea B.dothidea,Ascomycitasp.,Coniothyriumfuckeli,Dothidemycetessp.
顺义 南坞 B.dothidea B.dothidea,Peyronelaeasp.,Populusdeltoides
通州 小杨各庄 无 Ascomycitasp.,Coniothyriumfuckeli,Populusalba
延庆 百草洼 B.dothidea Hyalodendrielasp.,B.dothidea,Populusdeltoides
朝阳 索家坟 V.sordida ———
昌平 百善 无 ———
海淀 北大未名 无 ———
3 结论与讨论
本研究采用引进的管芯片(ArayTube)平台技
术具有高通量分析能力,其处理具有即时性与平行
性的特点。与片基生物芯片技术相比,管芯片平台
技术中的芯片载体是1.5mlEppendorf离心管,芯片
点制在截面的离心管底部内侧表面,即时与平行的
通量处理,2h的杂交过程不仅减少了环境中污染,
而且明显提高了实验效率。
全部的杂交结果可分为3种。第一种,在采自
房山、顺义和怀柔三个地区的感病样本和未感病样
本中均检测到 B.dothidea,表明 B.dothidea既是致
病菌,又是内生菌,但如何以无害的内生菌变成病原
菌的机制尚不清楚,但外部环境及发育阶段等因素
可能诱变内生菌为致病菌[15];第二,在采自朝阳、大
兴、延庆和平谷4个地区的样本中,只在感病样本中
检测到了病原菌 B.dothidea,而在采自海淀、门头
沟、密云、通州及昌平等5个地区的感病样本和非感
病样本中均没有检测出任何病原菌,表明这5个地
区发生的杨树溃疡病症状可能是由其他病原菌引起
的。李如华等[16]发现在北京地区引起杨树溃疡的
病原菌是多样的,可能是 Lasiodiplodiatheobromae或
Neofusicoccumparvum,也可能存在复合病原[16-19]。
由于本研究采用的探针是专化针对 B.dothidea,因
此,采用本试验设计的管芯片技术无法检测出其他
病原菌,但证明在这些地区发生的杨树溃疡病症状
不是由B.dothidea引起的。
本文首次将管芯片技术应用到树木溃疡病病原
的鉴定中,并且成功快速地检测到了致病菌。该技
术为杨树溃疡病的病原生态及病害流行的探索提供
了新技术手段。由于一些病原菌也是内生菌,在一
定条件下不引起任何症状,如本研究中检测出的 B.
dothidea既是病原菌又是内生菌,并且作为常见的树
木内生真菌,寄主广泛,可能成为树木溃疡病的潜在
病原[20]。因此,病原菌与内生菌在什么条件下会相
互转换,以及其与寄主或环境条件之间的关系如何,
能否采用芯片技术加以解决,还有待于深入研究。
参考文献:
[1]CookKL,SaylerGS.Environmentalapplicationofaraytechnolo
gy:promise,problemsandpracticalities[J].CurentOpinioninBi
otechnology,2003,14(3):311-318.
[2]张星耀,骆有庆.中国重大生物灾害[M].北京:中国林业出版
社,2003.
[3]RuetgerA,FeigeJ,SlickersP,etal.GenotypingofChlamydia
trachomatisstrainsfromcultureandclinicalsamplesusinganompA
basedDNAmicroarayassay[J].MolecularandCelularProbes,
2011,25(1):19-27.
[4]GawlikD,SlickersP,EngelmannI,etal.DNAMicroaraybased
GenotypingofClostridiumdificile[J].BMCmicrobiology,2015,15
(1):1.
[5]MoneckeS,HochaufK,GotschlichB,etal.Acaseofperitonitis
causedbyRhizopusmicrosporus[J].Mycoses,2006,49(2):139-
142.
[6]SachseK,LaroucauK,VorimoreF,etal.DNAmicroaraybased
genotypingofChlamydophilapsitacistrainsfromcultureandclinical
samples[J].VeterinaryMicrobiology,2009,135(1):22-30.
[7]BorelN,KempfE,HotzelH,etal.Directidentificationof
chlamydiaefromclinicalsamplesusingaDNAmicroarayassaya
validationstudy[J].MolecularandCelularProbes,2008,22(1):
55-64.
[8]FelderKM,HoelzleK,WitenbrinkMM,etal.ADNAmicroaray
facilitatesthediagnosisofBacilusanthracisinenvironmentalsam
ples[J].LetersinAppliedMicrobiology,2009,49(3):324
816
第4期 王凯英,等:管芯片技术通量检测杨树溃疡病病菌的应用
-331.
[9]冯小慧.树木溃疡病菌多重PCR基因芯片检测技术构建及在生
态中的应用[D].北京:中国林业科学研究院,2012.
[10]JasalavichCA,OstrofskyA,JelisonJ.Detectionandidentifica
tionofdecayfungiinsprucewoodbyrestrictionfragmentlength
polymorphismanalysisofamplifiedgenesencodingrRNA[J].Ap
plied& EnvironmentalMicrobiology,2000,66(11):4725
-4734.
[11]杨模华,李志辉,张冬林,等.马尾松针叶DNA提取方法研究
[J].中南林业科技大学学报:自然科学版,2008,28(3):39
-44.
[12]WhiteTJ,BrunsT,LeeS,etal.Amplificationanddirectsequen
cingoffungalribosomalRNAgenesforphylogenetics[J].PCR
Protocols:aGuidetoMethodsandApplications,1990,18:315-
322.
[13]CarboneI,KohnLM.Amethodfordesigningprimersetsforspe
ciationstudiesinfilamentousascomycetes[J].Mycologia,1999,91
(3):553-556.
[14]王晓杰,康振生,黄丽丽.PCR技术在植物病害检测中的应用
[J].云南农业大学学报,2005,20(2):179-182.
[15]Patricia,?lvarezLoayza,JamesF.etal.Lightconvertsendosym
bioticfungustopathogen,influencingseedlingsurvivalandniche
spacefilingofacommontropicaltree,Iriarteadeltoidea[J].Plos
One,2011,6(1):e16386.
[16]李如华,严东辉,冯小慧,等.基于分子可操作分类单元的北
京地区杨树内生葡萄座腔菌属真菌多样性[J].林业科学,
2014,50(1):109-115.
[17]McDonaldV,EskalenA.Botryosphaeriaceaespeciesassociated
withavocadobranchcankersinCalifornia[J].PlantDisease,
2011,95(11):1465-1473.
[18]AlvesA,CrousPW,CoreiaA,etal.Morphologicalandmolecu
lardatarevealcrypticspeciationinLasiodiplodiatheobromae[J].
FungalDiversity,2008,28(1):1-13.
[19]AbreoE,MartinezS,BetucciL,etal.CharacterizationofBotryo
sphaeriaceaespeciesassociatedwithgrapevinesinUruguay[J].
AustralasianPlantPathology,2013,42(3):241-249.
[20]SlippersB,WingfieldMJ.Botryosphaeriaceaeasendophytesand
latentpathogensofwoodyplants:diversity,ecologyandimpact
[J].FungalBiologyReviews,2007,21(2):90-106.
(责任编辑:崔 贝)
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