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Molecular identification of Cynomorii Herba using ITS2 DNA barcoding

中药材锁阳的ITS2条形码分子鉴定研究



全 文 :·资源与鉴定·
中药材锁阳的 ITS2条形码分子鉴定研究
侯典云1,2,宋经元2,石林春2,杨培2,陈士林2,3,姚辉2
(1河南科技大学 农学院,河南 洛阳 471003;2中国医学科学院 北京协和医学院
药用植物研究所 濒危药材繁育国家工程实验室,北京100193;
3中国中医科学院 中药研究所,北京 100700)
  [摘要] 目的:应用DNA条形码技术准确、快速鉴定中药材锁阳及其混伪品。方法:采用试剂盒法提取药材的基因组
DNA,PCR扩增其核糖体DNA的内转录间隔区(internaltranscribedspacer2,ITS2)并进行双向测序,应用CodonCodeAlignerV
371对测序峰图进行校对拼接,比较ITS2序列的GC含量,采用MEGA50计算种内、种间 Kimura2parameter(K2P)遗传距
离,通过中药材DNA条形码鉴定系统比对和构建NJ系统聚类树进行鉴定分析。结果:锁阳药材的ITS2序列长度为229bp,
种内变异较小,平均K2P遗传距离为0003,锁阳药材及其混伪品的种间平均K2P遗传距离为0760,种间最小K2P遗传距离
明显大于锁阳种内的最大K2P遗传距离。中药材DNA条形码鉴定系统比对和NJ树鉴定结果均表明ITS2序列可区分锁阳及
其混伪品。结论:ITS2条形码可有效鉴定中药材锁阳及其混伪品,且具有较好的稳定性和准确性,为保障临床安全用药提供
了新的技术手段。
[关键词] 锁阳;DNA条形码;ITS2;分子鉴定
[收稿日期] 20130513
[基金项目] 国家自然科学基金项目(81130069);国家高技术研究
发展计划(863)项目(2012AA021602);教育部长江学者和创新团队
发展计划项目(IRT1150)
[通信作者] 姚辉,Tel:(010)57833194,Fax:(010)57833038,
Email:scauyaoh@sinacom
  中药材锁阳CynomoriHerba为锁阳科Cynomo
riaceae植物锁阳CynomoriumsongaricumRupr的干
燥肉质茎。具有补肾阳,益精血,润肠通便之功效。
用于肾阳不足,精血亏虚,肠燥便秘等[1],是藏族、
蒙古族和维吾尔族等民族的特有药材[2]。研究表
明,锁阳在防癌、抗肿瘤、提高机体免疫力、抑制人体
免疫缺陷病毒(HIV)等方面也有重要作用[34]。在
我国,锁阳以野生为主,主要分布在宁夏、新疆、甘
肃、青海、内蒙古等西北地区[5]。近年来,由于锁阳
价格不断攀升,药材市场上出现地黄 Rehmannine
Radix、湖北地黄 RehmanniahenryiNEBrown、裂
叶地黄 RpiasezkiMaxim等混伪品[6],另外,锁阳
又常被做为肉苁蓉CistanchesHerba的伪品使用[7],
严重影响了用药安全。目前已采用性状鉴别、显微
鉴别、薄层色谱等技术对锁阳及其混伪品进行了鉴
别[89]。然而,传统的鉴定方法需要较高的专业水平
和丰富的经验,为保障药材质量,确保临床用药安全
有效,亟待应用快速有效的方法对锁阳及其混伪品
进行鉴定。
DNA条形码(DNAbarcoding)技术以稳定的基
因组信息为依据,有望实现对物种鉴定的标准
化[1011]。2010年,Chen等[12]首次提出把 ITS2作为
药用植物鉴定的标准 DNA条形码。Yao等[13]提出
ITS2序列可作为植物物种鉴定的通用条形码。Song
等对ITS2序列的鉴定机制进行了初步研究[14]。目
前,ITS2序列已在多种药用植物及药材的鉴定中得
到了应用[1520]。本研究应用 ITS2序列对药材锁阳
及其混伪品进行鉴定研究,为锁阳药材的快速准确
鉴定提供保障,也为临床用药安全奠定基础。
1 材料
本研究所用材料共7个物种31个样品,包括试
验样品及GenBank下载序列。其中,锁阳药材样品
11个,地黄药材样品6个,湖北地黄样品2个,裂叶
地黄样品2个,肉苁蓉 CdeserticolaMa样品3个,
管花肉苁蓉Ctubulosa(Schenk)Wight样品4个,沙
苁蓉CsinensisGBeck样品3个。所有材料经中
国医学科学院药用植物研究所林余霖研究员鉴定,
凭证样品保存于中国医学科学院药用植物研究所。
实验材料及序列的GenBank登录号见表1。
2 方法
21 DNA提取 锁阳药材用 75%乙醇擦拭表面
后,取约30mg加入3%的 PVP40(聚乙烯吡咯烷
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  表1 研究材料及其ITS2序列信息
Table1 MaterialsandtheinformationofITS2sequences
基原植物拉丁名 单倍型 序列长度/bp GC的量/% GenBank登录号 采集地
Cynomoriumsongaricum A1 229 480 KC463817 安徽亳州药材市场
Csongaricum A1 229 480 KC463818 安徽亳州药材市场
Csongaricum A1 229 480 KC463819 北京某药店
Csongaricum A2 229 480 KC463820 北京某药店
Csongaricum A1 229 480 KC463821 新疆布尔津县
Csongaricum A2 229 480 KC463822 新疆高蕴县
Csongaricum A3 229 480 KC463823 宁夏中卫市
Csongaricum A1 229 480 KC463824 河北安国药材市场
Csongaricum A1 229 480 HQ222981 GenBank
Csongaricum A1 229 480 JF915368 GenBank
Csongaricum A1 229 480 JF915369 GenBank
Rehmanniaglutinosa B1 231 658 KC463825 北京药用植物研究所
Rglutinosa B1 231 658 KC463826 北京药用植物研究所
Rglutinosa B1 231 658 KC463827 北京药用植物研究所
Rglutinosa B1 231 658 KC463828 河南温县
Rglutinosa B1 231 658 KC463829 河南温县
Rglutinosa B1 231 658 KC463830 河南温县
Rhenryi C1 230 648 DQ272447 GenBank
Rhenryi C1 230 648 EF363671 GenBank
Rpiasezki D1 230 661 EF363670 GenBank
Rpiasezki D1 230 661 DQ069316 GenBank
Cistanchesinensis E1 225 631 JF915389 GenBank
Csinensis E1 225 631 JF915388 宁夏盐池县
Csinensis E1 225 631 JF915390 GenBank
Cdeserticola F1 229 550 GQ434850 宁夏永宁县
Cdeserticola F1 229 550 JF915378 内蒙阿拉善左旗
Cdeserticola F1 229 550 JF915370 内蒙阿拉善左旗
Ctubulosa G1 233 549 JF915383 内蒙呼和浩特
Ctubulosa G1 233 549 JF915379 内蒙磴口县
Ctubulosa G1 233 549 GQ434562 安徽亳州药材市场
Ctubulosa G1 233 549 GQ434563 内蒙磴口县
酮),用DNA提取研磨仪(RetschMM400,Germany)
研磨2min(30次/s)后,用植物基因组 DNA提取试
剂盒(TiangenBiotechCo,China)提取总 DNA,56
℃ 水浴过夜,其余步骤按照试剂盒说明进行。
22 PCR扩增及测序 ITS2序列扩增用正向引物
为5′ATGCGATACTTGGTGTGAAT3′,反向引物为
5′GACGCTTCTCCAGACTACAAT3′[12]。PCR反应
体积为 25μL,包括 2×EasyTaqPCRSuperMix
(TransGenBiotechCo,China)125μL,25μmol·
L-1引物各1μL、模板DNA约50ng,ddH2O补足至
25μL。PCR扩增程序为:94℃变性5min;94℃变
性30s,56℃退火30s,72℃延伸45s,40个循环;
72℃ 延伸10min。PCR产物经纯化后,使用 ABI
3730XL(AppliedBiosystemsCo,USA)测序仪进行
双向测序。
23 数据处理 测序峰图利用 CodonCodeAligner
V371(CodonCodeCo,USA)校对拼接,去除低质
量序列及引物区,获得 ITS2序列。利用软件
MEGA50(molecularevolutionarygeneticsanalysis)
分析比对[21],并基于 Kimura2parameter(K2P)模
型进行种内种间遗传距离分析,用邻接(NJ)法构
建系统聚类树,利用 bootstrap(1000次重复)检验
各分支的支持率。登录中药材 DNA条形码鉴定系
统(htp://wwwtcmbarcodecn/)进行序列相似性搜
索(BLAST)[22]。利用BLAST比对和 NJ树对锁阳、
地黄和肉苁蓉药材及其同属近缘种进行鉴定分析。
3 结果
31 锁阳药材基因组 DNA提取及 PCR扩增 提
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取的锁阳药材基因组 DNA电泳检测显示条带呈弥
散状态,说明 DNA降解严重。NanoDrop检测结果
表明,所有锁阳药材基因组 DNA的 A260/A280均在
16~18,仅有2个样品的 A260/A230小于20,有少
量糖类物质的污染,但所有样品的DNA浓度都大于
10mg·L-1。所有样品的 PCR电泳结果均显示较
亮条带,说明无论DNA的降解或糖类及蛋白质的污
染都没有影响锁阳药材ITS2序列的PCR扩增。
32 锁阳药材及其混伪品的ITS2序列分析 本研
究中11个锁阳药材的 ITS2序列长度均为229bp,
GC量为480%,序列变异较小,仅存在2个变异位
点,分为 3个单倍型,单倍型 A1序列全部与
KC463817相同,单倍型A2的序列全部与KC463820
相同,KC463823为单倍型 A3。基于 K2P模型的遗
传距离分析表明,锁阳种内变异较小,其 K2P遗传
距离为0~0009,平均 K2P遗传距离为0003。31
份样本的种间变异较大,平均 K2P遗传距离为
0760,其中地黄与肉苁蓉种间的 K2P遗传距离为
0032~0353,锁阳与地黄及肉苁蓉的种间 K2P遗
传距离为1076~1267。所有样本的种间最小遗
传距离明显大于锁阳的种内最大遗传距离。各样本
的ITS2序列长度、GC量、单倍型及GenBank登录号
见表1。
33 锁阳药材及其混伪品的ITS2序列鉴定 利用
中药材 DNA条形码鉴定系统对锁阳及其混伪品的
ITS2序列进行比对,结果表明ITS2序列可以准确区
分锁阳、地黄、肉苁蓉及其混伪品。基于 ITS2序列
构建的NJ系统聚类树见图1,结果显示,锁阳单独
聚为一支,地黄及其近缘种湖北地黄、裂叶地黄分别
聚为一支,肉苁蓉与其同属的管花肉苁蓉和沙苁蓉
也分别聚在一起,均表现出良好的单系性,NJ树可
明确区分锁阳及其混伪品。因此,ITS2序列作为条
形码可快速准确鉴别锁阳及其混伪品。
4 讨论
分子生物学鉴定是应用 DNA分子标记技术鉴
定中药原植物及其药材和饮片的方法,在物种鉴定
方面表现出了独特优势,如 RFLP(restrictionfrag
mentlengthpolymorphism)技术、RAPD(randomam
plifiedpolymorphismDNA),SSR(simplesequencere
peat)技术等弥补和克服了传统鉴定方法的诸多缺
陷,得到了广泛的应用,但这些分子标记技术往往表
现出通用性低,可重复性不强的特点[23]。与其他分
  
bootstrap1000次重复,支上数值仅显示自展支持率≥50%。
图1 基于 ITS2序列构建的锁阳及其混伪品的NJ树
Fig1 NJtreebasedonITS2sequencesfromCynomoriumson
garicumanditsadulterants
子鉴定方法相比,DNA条形码技术具有明显优势,
供试材料可以不受发育阶段、环境条件、存在形态等
影响;鉴定过程更加趋于标准化,操作简单等,在中
药鉴定领域中展示了广阔的应用前景[11]。而且随
着DNA条形码技术的逐步发展,研究者又提出了叶
绿体超级条形码的概念,并得到了初步应用[24]。锁
阳应用历史悠久,是我国重要的民族中药,近年来,
随着其用量的逐渐增多,市场上混伪品时有出现,为
了确保临床用药安全,本研究采用DNA条形码技术
对中药材锁阳及其常见混伪品进行鉴定研究。结果
表明ITS2条形码序列可有效鉴别锁阳药材及其混
伪品,为锁阳药材鉴定的标准化奠定了基础,具有重
要的应用和参考价值。
直接从药用植物叶片中提取基因组 DNA的方
法已相对成熟[10],而药材 DNA的提取仍然需要探
索,能否获得药材的基因组 DNA是中药材 DNA条
形码技术研究的前提和基础,也是该技术在药材鉴
定领域推广应用的必要条件[18,25]。为了获得锁阳
药材的基因组DNA,本研究对常用的试剂盒法进行
了如下改良:PVP是酚类物质的络合物,可以与多酚
结合形成不溶的络合物,有效去除多酚,同时它还可
以和多糖结合,去除多糖,进而减少 DNA中酚类和
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糖类物质的污染。经过摸索,本研究中加入3%的
PVP40,可以显著提高锁阳药材 DNA的提取效果;
为了获得尽可能多的 DNA,本研究采用56℃水浴
过夜,使细胞裂解液充分裂解,可有效提高 DNA提
取的成功率。另外,植物和真菌中广泛存在ITS2片
段,如药材表面有真菌污染,PCR扩增产物就有可
能是真菌的ITS2片段,从而影响实验结果。锁阳药
材多成块状,硬度较大,而且表面经常伴有杂质,为
避免PCR扩增过程中真菌的污染,首先用75%乙醇
仔细擦洗其表面并刮去外皮,然后再用刀片刮取其
内部组织供提 DNA用。结果显示,本研究获得的
ITS2序列不存在真菌ITS2序列的干扰,有效提高了
利用 DNA条形码技术鉴定锁阳药材的稳定性和准
确性。
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MolecularidentificationofCynomoriHerbausingITS2DNAbarcoding
HOUDianyun1,2,SONGJingyuan2,SHILinchun2,YANGPei2,CHENShilin2,3,YAOHui2
(1AgriculturalColege,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471003,China;
2TheNationalEngineeringLaboratoryforBreedingofEndangeredMedicinalMaterials,
InstituteofMedicinalPlantDevelopment,ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalColege,
Beijing100193,China;
3InstituteofChineseMateriaMedica,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China)
[Abstract] Objective:ToidentifytheCynomoriHerbaanditsanaloguesspeciesusingDNAbarcodingtechnique.Method:
TotalgenomicDNAextractedfromalmaterialsusingtheDNAextractionkit.Theinternaltranscribedspacer2(ITS2)regionswere
amplifiedusingpolymerasechainreaction(PCR),andpurifiedPCRproductsweresequencedbidirectionaly.Sequenceassemblyand
consensussequencegenerationwereperformedusingtheCodonCodeAligner3.7.1.TheKimura2Parameter(K2P)distancesandGC
contentwerecomputedusingMEGA5.0.Speciesidentificationanalyseswereconductedthroughthespeciesidentificationsystemfor
traditionalChinesemedicineandneighborjoining(NJ)trees.Result:TheITS2sequencelengthsofCynomoriHerbawere229bp.
TheaverageintraspecificgeneticdistancesofCynomoriHerbawere0.003.TheaverageinterspecificgeneticdistancesbetweenCyno
moriHerbaanditsadulterantsspecieswere0.760.Theresultsshowedthattheminimuminterspecificdivergenceislargerthanthe
maximumintraspecificdivergence.ThespeciesidentificationsystemfortraditionalChinesemedicineandNJtreesresultsindicated
thatCynomoriHerbaanditsadulterantsspeciescanbeeasilyidentification.Conclusion:TheITS2regionisaneficientbarcodefor
identificationofCynomoriHerba,whichprovideanewtechniquetoensureclinicalsafetyinutilizationoftraditionalChinesemedicine.
[Keywords] CynomorIHerba;DNAbarcoding;ITS2;molecularidentification
doi:10.4268/cjcmm20132307
[责任编辑 吕冬梅]
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