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Development of a RT-LAMP Method for the Rapid Detection of Cucumber mosaic virus from Vegetables

蔬菜中黄瓜花叶病毒的RT-LAMP快速检测



全 文 :园艺学报,2016,43 (6):1203–1210.
Acta Horticulturae Sinica
doi:10.16420/j.issn.0513-353x.2016-0006;http://www. ahs. ac. cn 1203
收稿日期:2016–03–17;修回日期:2016–06–13
基金项目:重庆市社会事业与民生保障科技创新专项(cstc2015shms-ztzx80011);国家自然科学基金项目(30900937);中央高校基本
科研业务费专项资金项目(XDJK2016A009,2362015xk04);中国烟草总公司四川省公司科技项目(201202007);中国烟草总公司湖南省公
司科技项目(14-16ZDAa02)
* 同等贡献作者
** 通信作者 Author for correspondence(E-mail:sunxianchao@163.com;13963973187@126.com)
蔬菜中黄瓜花叶病毒的 RT-LAMP 快速检测
赵雪君 1,*,邓永杰 1,*,魏周玲 1,张 旺 1,黄国联 2,李 斌 3,陈德鑫 4,**,
青 玲 1,孙现超 1,**
(1 西南大学植物保护学院,重庆 400716;2湖南省烟草公司郴州市公司,湖南郴州 423000;3 中国烟草总公司四川
省公司,成都 610000;4中国农业科学院烟草研究所,山东青岛 266101)
摘 要:为了建立黄瓜花叶病毒(Cucumber mosaic virus,CMV)可视化的反转录环介导等温扩增
(Reverse transcription loop-mediated isothermal amplification,RT-LAMP)检测体系,根据 CMV 的外壳蛋
白(coat protein,CP)基因核苷酸序列设计 4 条引物,优化了 RT-LAMP 反应体系中的 dNTPs 和 Mg2+浓
度、反应温度和反应时间,同时对体系进行了特异性和灵敏性的测定。最终确定 RT-LAMP 的最优反应体
系为 dNTPs 1.2 mmol · L-1,Mg2+ 6 mmol · L-1,在 61 ℃的条件下反应 40 min。该 RT-LAMP 体系比 RT-PCR
反应体系的灵敏度高 100 倍,并且反应产物可以通过将反应管快速离心后观察底部沉淀或通过加入 SYBR
GreenⅠ后的显色反应进行结果判定。该RT-LAMP检测体系可以对多种蔬菜的CMV进行高效快速的检测,
操作简便,花费较小,十分适合生产上检测 CMV 使用。
关键词:黄瓜花叶病毒;蔬菜;外壳蛋白基因;反转录环介导等温扩增技术;检测
中图分类号:S 63 文献标志码:A 文章编号:0513-353X(2016)06-1203-08

Development of a RT-LAMP Method for the Rapid Detection of Cucumber
mosaic virus from Vegetables
ZHAO Xue-jun1,*,DENG Yong-jie1,*,WEI Zhou-ling1,ZHANG Wang1,HUANG Guo-lian2,LI Bin3,
CHEN De-xin4,**,QING Ling1,and SUN Xian-chao1,**
(1College of Plant Protection,Southwest University,Chongqing 400716,China;2Chenzhou Tobacco Company,Hunan
Provincial Tobacco Monopoly Administration,Chenzhou,Hunan 423000,China;3Sichuan Province Tobacco Monopoly
Administration,Chengdu 610000,China;4Tobacco Research Institute,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Qingdao,
Shandong 266101,China)
Abstract:In order to develop a reverse transcription loop-mediated isothermal amplification
(RT-LAMP)assay for rapid and sensitive detection of Cucumber mosaic virus(CMV)from different kind
of vegetables,four primers were designed according to the coat protein(CP)gene of CMV. The reaction
conditions of RT-LAMP,including the concentrations of dNTPs,Mg2+,reaction temperature and reaction
time were optimized. The specificity and sensitivity of RT-LAMP were testified. The optimum conditions
for RT-LAMP can carried out under the concentrations of 1.2 mmol · L-1 dNTPs and 6 mmol · L-1 Mg2+.

Zhao Xue-jun,Deng Yong-jie,Wei Zhou-ling,Zhang Wang,Huang Guo-lian,Li Bin,Chen De-xin,Qing Ling,Sun Xian-chao.
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RT-LAMP reaction was carried out at 61 ℃ for 40 min. The sensitivity of the RT-LAMP assay was
100-folder than that of a standard RT-PCR method. Furthermore,the products amplified by RT-LAMP
could be visibly detected by the precipitate of the tube after fast centrifugation or by reacting with SYBR
GreenⅠ. The RT-LAMP is highly specific,sensitive and economical,which makes it a quick method for
detecting CMV from several kinds of infected vegetables and a useful technique for CMV detection in
field condition.
Key words:Cucumber mosaic virus;vegetable;CP;RT-LAMP;detection

黄瓜花叶病毒(Cucumber mosaic virus,CMV)属于雀麦花叶病毒科(Bromoviridae)黄瓜花叶
病毒属(Cucumovirus),可以侵染甜瓜、南瓜、黄瓜、菠菜、番茄、萝卜等 67 个科 1 000 多种植物
(谢联辉 等,1999),被列为国际上最重要的十大植物病毒之一(Scholthof et al.,2011)。快速准
确地检测 CMV 是控制其危害的前提(Roger,2001)。至今国内外研究者建立了多种检测 CMV 的方
法,但均因各自的局限性而不适于生产上推广应用。
环介导等温扩增技术(Loop-mediated isothermal amplification,LAMP)是由日本学者于 2000
年研发的一种新的核酸扩增方法(Nagamine et al.,2001)。该方法基于目的基因的 6 个区域设计 4
条引物,利用链置换的原理在 60 ~ 65 ℃等温扩增 30 ~ 60 min,可以获得大量的核酸产物(Hong et
al.,2004)。其检测结果可以通过肉眼观察是否有焦磷酸沉淀的产生(Mori et al.,2001)、琼脂糖凝
胶电泳图、加入荧光染料显色或浊度仪读数来判断。因 LAMP 具有快速、准确和简便等优点,至今
在食品、动物以及人类医学的病原微生物检测中得到广泛应用(Notomi et al.,2000;Kuboki et al.,
2003;Poon et al.,2005;Imai et al.,2006;Komiyama et al.,2009;Mori et al.,2013)。在植物病
毒的检测方面,RT-LAMP 用于禾谷类(周彤 等,2012)、果树(彭军 等,2012;王永江 等,2013;
韩剑 等,2014)、瓜类(Li et al.,2013)和蔬菜(Fukuta et al.,2003;闻伟刚 等,2010;乔楠和
曹佳,2011)上的病毒检测。
目前,中国研究者所建立的 RT-LAMP 均只针对一种蔬菜上的病毒检测,尚未见用于多种蔬菜
上 CMV 的 RT-LAMP 检测报道,而生产上迫切需要建立一套高效、快速且方便地检测多种蔬菜上
CMV 的技术体系。本研究中针对 CMV CP 基因设计 4 条引物,并对 LAMP 反应体系中的 MgSO4、
dNTPs、反应时间和反应温度进行优化,同时对建立的 RT-LAMP 方法与普通 RT-PCR 方法进行比较
及评估,为生产上 CMV 的快速检测提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 材料
试验于 2014—2015 年在西南大学完成。14 份具有典型病毒病症状的蔬菜样品采自重庆西南大
学后山实验农场,其中黄瓜 3 份(1 ~ 3 号)、莴苣 2 份(4 号、5 号)、辣椒 2 份(6 号、7 号)、南
瓜 2 份(8 号、9 号)、冬寒菜 2 份(10 号、11 号)和番茄 3 份(12 ~ 14 号)。经 RT-PCR 验证的
CMV 阳性黄瓜样品来源于本实验室。分别受到马铃薯 Y 病毒(Potato virus Y,PVY)、马铃薯 X 病
毒(Potato virus X,PVX)、烟草花叶病毒(Tobacco mosaic virus,TMV)、芜菁花叶病毒(Turnip mosaic
virus,TuMV)和番茄花叶病毒(Tomato mosaic virus,ToMV)侵染的蔬菜发病叶片采自重庆北碚
蔬菜基地,经 ELISA 检测为阳性后液氮速冻,保存于–80 ℃备用。
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表 1 基于 CMV CP 序列设计的检测引物
Table 1 Primers designed based on the sequence of CMV CP
引物
Primer
引物序列(5′–3′)
Sequence
F3 TATACCGTGTGGGTGACA
B3 GAGCACGGCGTACTTTCG
FIP CCGTCCGCGAACATAGCAGAG-GTCCGTAAAGTTCC
TGCCTC
BIP GCTGCATCTGGAGTCCAAGCC-TGTCGCCAATATCA
GCGC
F1 GCGGATCCATGGACAAATCTGAATCAAC
R1 GAGCTCTCAAACTGGGAGCACCCCTGA
反转录试剂盒(PrimeScriptTM RT reagent Kit)、dNTPs、DNA marker 购自宝生物工程(大连)
有限公司,植物总 RNA 小剂量提取试剂盒 TRIzol® Reagent 购自 Invitrogen 公司,10× Bst DNA 缓冲
液和 Bst DNA 聚合酶购自美国 NEB 公司,MgSO4 购自 Sigma 公司,SYBR GreenⅠ购自北京鼎国公
司。其他常用试剂为国产或进口分析纯。
1.2 方法
引物设计与样品总RNA提取根据GenBank
中 CMV CP 基因序列(登录号:KJ702361),利
用primer explorer 4.0软件(http:// primerexplorer.
jp/elamp4.0.0)设计 RT-LAMP 的 4 条特异性引
物,外引物 F3、B3 和内引物 FIP、BIP。设计
RT-PCR 的上、下游引物 F1 和 R1。引物合成
均由华大基因公司完成。
参照 TRIzol® Reagent(Invitrogen)说明书,
从 100 mg 发病组织(加 1 000 μL TRIzol)中提
取总 RNA,–80 ℃保存备用。
1.3 RT-PCR 检测方法的建立
以提取的 2 μL 总 RNA 为模板,使用 R1 引物,参照反转录试剂盒(PrimeScriptTM RT reagent Kit,
TaKaRa)使用说明进行反转录合成 cDNA。PCR 的反应体系为 25 µL(胡小燕 等,2011)。扩增条
件为:95 ℃预变性 3 min,95 ℃变性 30 s,56 ℃退火 50 s,72 ℃延伸 110 s,30 个循环,最后 72 ℃
延伸 10 min。PCR 产物进行 1%琼脂糖凝胶电泳,凝胶成像仪观察结果。
1.4 RT-LAMP 体系的建立
反应体系为:1.6 μmol · L-1 FIP 引物,1.6 μmol · L-1 BIP 引物,0.2 μmol · L-1 F3 引物,0.2 μmol · L-1
B3 引物,20 mmol · L-1 Tris-HCl(pH 8.8,25 ℃),10 mmol · L-1 KCl,10 mmol · L-1 (NH4)2SO4,0.1%
TritonX-100,Bst DNA polymerase 8 U,M-MuLV 反转录酶 100 U,RNase Inhibitor 20 U,Mg2+浓度
梯度设置为 2、4、6、8 和 10 mmol · L-1 MgSO4,dNTPs 浓度梯度设置为 0.4、0.8、1.2、1.6 和 2.0
mmol · L-1,植物总 RNA 2 μL,补 ddH2O 至 25 µL。反应时间梯度设置为 30、40、50、60 和 70 min,
反应温度梯度设置为 60、61、62、63、64 和 65 ℃。RT-LAMP 产物的检测方法分别利用沉淀反应
(Mori et al.,2001)、显色反应和琼脂糖凝胶电泳(陈柳 等,2015)。
1.5 RT-LAMP 的特异性和灵敏性检测
TRIzol® Reagent 提取分别感染病毒 PVY、PVX、TMV、TuMV、ToMV 的蔬菜叶片总 RNA,
按优化后的 RT-LAMP 反应体系扩增和电泳检测。
提取感染 CMV 的蔬菜总 RNA,以此为模板,用无 RNA 酶的水 10 倍梯度稀释至 108 倍,采用
RT-PCR 和 RT-LAMP 方法进行灵敏度比对试验,对 14 份蔬菜样品进行检测,比较两种方法的阳性
检出率和符合率。
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2 结果与分析
2.1 RT-LAMP 反应体系的建立及优化
Mg2+的浓度在 2、4、6、8 和 10 mmol · L-1 范围内调整,6 mmol · L-1 时条带亮度最强,所以选
择 6 mmol · L-1 为 Mg2+的最佳浓度(图 1,A)。在设置的 dNTPs 范围内,当浓度为 0.4 mmol · L-1 时,
出现微弱的条带,当达到 1.2 mmol · L-1 时,可以看到清晰明亮的条带,继续增加浓度,亮度不再增
强,确定 1.2 mmol · L-1 为 dNTPs 的最佳浓度(图 1,B)。时间优化结果表明,当反应 30 min 时,
RT-LAMP 就可以检测到微弱的条带,40 min 后,随着时间的延长,扩增产物没有明显的差异,所
以选择 40 min 为最佳反应时间(图 1,C)。在 6 个温度梯度内,当 RT-LAMP 反应温度为 61 ℃时,
RT-LAMP 的条带明亮清晰,继续增加温度,亮度不再增强,所以选择 61 ℃为最佳反应温度(图 1,
D)。
结合上述优化条件,最终确定的 RT-LAMP 体系为 1.6 μmol · L-1 FIP 引物,1.6 μmol · L-1 BIP 引
物,0.2 μmol · L-1 F3 引物,0.2 μmol · L-1 B3 引物,20 mmol · L-1 Tris-HCl(pH 8.8,25 ℃),10 mmol · L-1
KCl,10 mmol · L-1 (NH4)2SO4,0.1% TritonX-100,Bst DNA polymerase 8 U,M-MuLV 反转录酶 100
U,RNase Inhibitor 20 U,6 mmol · L-1 MgSO4,1.2 mmol · L-1 dNTPs,感病植物总 RNA 2 μL,以灭
菌 ddH2O 补足至 25 µL。最佳反应条件:61 ℃反应 40 min,80 ℃终止反应 2 min。


图 1 CMV RT-LAMP 检测体系的优化
M:Marker;N:阴性对照。
Fig. 1 Optimization of the RT-LAMP reaction for CMV detection
M:Marker;N:Negtive control.

2.2 RT-LAMP 产物的检测
RT-LAMP 反应完成后,通过快速瞬时离心,可观察到阳性反应管底有白色沉淀(图 2,A),加
入 1 µL SYBR GreenⅠ后的反应产物显示为绿色(图 2,B),凝胶琼脂糖电泳结果显示有梯状条带
的产生(图 2,C)。而阴性反应管和健康对照没有白色沉淀,染色结果为橘黄色,也无梯状条带的
产生。3 种检测方法结果一致,均可用于检测 RT-LAMP 反应产物,而以染色法最为简单。


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图 3 CMV RT- LAMP 的特异性检测
Fig. 3 Specific assay of CMV RT-LAMP

图 2 CMV RT-LAMP 产物的检测
A:沉淀反应;B:染色反应;C:琼脂糖凝胶电泳。M:MarkerⅠ;1:阴性结果;2 ~ 4:阳性结果;5:健康对照。
Fig. 2 Detection of CMV RT-LAMP products
A:Observation of turbidity;B:Result of staining reaction;C:Agarose gel electrophoresis.
M:MarkerⅠ;1:Negative result;2–4:Positive result;5:Healthy control.
2.3 RT-LAMP 的特异性测定
用建立的 RT-LAMP 反应体系检测蔬菜上
常见的病毒 PVY、PVX、TMV、TuMV、ToMV。
结果显示 RT-LAMP 体系仅对 CMV 检测呈阳
性,而对其他病原检测为阴性,无交叉反应(图
3),与预期的结果吻合,说明建立的 CMV
RT-LAMP 检测方法具有很高的特异性,能用于
后续的 CMV 检测分析。
2.4 RT-LAMP 的灵敏性测定
提取的 RNA 的 RIN 值为 8.4,浓度为 1.56 × 10-1 μg · μL-1,以 10 倍的梯度稀释 RNA 至 108 倍。
电泳结果显示,RT-PCR 的检测灵敏度能够达到 104 稀释度(图 4,A),而 RT-LAMP 的检测灵敏度
能够达到 106 稀释度(图 4,B),由此可见,RT-LAMP 的灵敏度是常规 RT-PCR 的 100 倍。


图 4 RT-PCR(A)和 RT-LAMP(B)灵敏度的比较测定
M:Marker;N:阴性对照。
Fig. 4 Comparison of the sensitivity of RT-PCR(A)and RT-LAMP(B)
M:Marker;N:Negative control.
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2.5 蔬菜样品中 CMV 的 RT-LAMP 检测
对 14 份疑似病样进行了 RT-PCR 和 RT-LAMP 检测。RT-PCR 检测结果显示,有 9 份样品与阳
性对照(15 号)一致,扩增出 657 bp 的目的 DNA 片段(图 5,A),而 4、8、10、11 和 14 号与阴
性对照(16 号)一致,未检测到 CMV。RT-LAMP 检测结果显示 1 ~ 3、6、7、9、11 ~ 14 号共计
10 份样品含有 CMV(图 5,B)。由此表明,本研究中建立的 RT-LAMP 检测体系可以有效地检测出
蔬菜样品中的 CMV,且 RT-LAMP 的检出率(71.42%)略高于 RT-PCR(64.28%)的检出率。


图 5 蔬菜样品中 CMV 的 RT-PCR(A)与 RT-LAMP(B)结果
M:MarkerⅠ;1 ~ 3:黄瓜;4、5:莴苣;6、7:辣椒;8、9:南瓜;10、11:冬寒菜;12 ~ 14:番茄;15:阳性对照;16:阴性对照。
Fig. 5 Results of detecting CMV from random vegetable samples by RT-PCR(A)and RT-LAMP(B)
M:MarkerⅠ;1–3:Cucumber;4,5:Lettuce;6,7:Pepper;8,9:Pumpkin;10,11:Chinese mallow;12–14:Tomato;
15:Positive control;16:Negative control.
3 讨论
RT-LAMP 作为一种新的核酸扩增手段,与基于 PCR 建立的 RT-PCR、实时荧光定量 RT-PCR 相
比,不需要昂贵的 PCR 仪,检测结果便于观察,尤其是反转录和扩增反应都能在恒定温度下同时进
行,成本较低(Nagamine et al.,2002;戴婷婷 等,2015),因此在植物病毒快速检测方面应用越来
越广泛。但 RT-LAMP 对于不同的植物病毒反应体系和反应条件有所不同,应用时需要有针对性地
优化。本试验中以蔬菜上的 CMV 为检测对象,在借鉴前人研究的基础上,对 CMV RT-LAMP 的反
应体系和反应条件进行了优化。因为 60 ~ 65 ℃为 DNA 复性延伸的中间温度,所以选择在此温度范
围内进行优化,确定最优温度为 61 ℃。在反应时间上,现有的用于其他植物病毒检测的 RT-LAMP
最短时间均为 60 min 以上(李曼 等,2014;辛言言 等,2015),本试验中建立的 CMV RT-LAMP
反应体系的反应时间缩短至 40 min,仍可以检测到目的病毒,且其灵敏度是常规 RT-PCR 的 100 倍,
进一步提高了 RT-LAMP 的检测速度。
CMV 可侵染多种蔬菜,因此需要建立一种适用于多种蔬菜 CMV 检测的 RT-LAMP 方法。本研
究中共检测了 14 份蔬菜样品,其中 5 号样品(莴苣)RT-PCR 检测为阳性,而 RT-LAMP 检测为阴
性,推测可能是 CMV CP 核苷酸序列发生了碱基突变。RT-LAMP 的 4 条引物需要与目的基因完全
匹配,而只要扩增序列发生碱基突变,目的片段就不会被扩增,而 RT-PCR 当序列发生少量的突变
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时,不影响产物的扩增。样品 11(冬寒菜)和样品 14(番茄)的 RT-PCR 显示为阴性,RT-LAMP
却有微弱的条带产生,推测原因是 RT-LAMP 的灵敏度高于 PCR 的灵敏度。两种方法均未在 4 号样
品(莴苣)、8 号样品(南瓜)和 10 号样品(冬寒菜)中检测到 CMV,可能其病毒症状是由其他病
毒引起。样品 2(黄瓜)、9(南瓜)和 12(番茄)的 RT-PCR 条带不够清晰,但对应的 RT-LAMP
清晰可见,说明 RT-LAMP 不但可以用于检测 6 种蔬菜中的 CMV,而且其灵敏度高于普通的 RT-PCR。
因此,本研究中建立的 RT-LAMP 可以直接用于生产上多种蔬菜中 CMV 的检测,为早期诊断和预
防 CMV 病毒病害提供有效的方法。

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