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
371对测序峰图进行校对拼接,比较ITS2序列的GC含量,采用MEGA50计算种内、种间 Kimura2parameter(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0003,锁阳药材及其混伪品的种间平均K2P遗传距离为0760,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] 20130513
[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,
Email:scauyaoh@sinacom
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[34]。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 RehmanniahenryiNEBrown、裂
叶地黄 RpiasezkiMaxim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[89]。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[1011]。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[1520]。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 CdeserticolaMa样品3个,
管花肉苁蓉Ctubulosa(Schenk)Wight样品4个,沙
苁蓉CsinensisGBeck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
21 DNA提取 锁阳药材用 75%乙醇擦拭表面
后,取约30mg加入3%的 PVP40(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 229 480 KC463817 安徽亳州药材市场
Csongaricum A1 229 480 KC463818 安徽亳州药材市场
Csongaricum A1 229 480 KC463819 北京某药店
Csongaricum A2 229 480 KC463820 北京某药店
Csongaricum A1 229 480 KC463821 新疆布尔津县
Csongaricum A2 229 480 KC463822 新疆高蕴县
Csongaricum A3 229 480 KC463823 宁夏中卫市
Csongaricum A1 229 480 KC463824 河北安国药材市场
Csongaricum A1 229 480 HQ222981 GenBank
Csongaricum A1 229 480 JF915368 GenBank
Csongaricum A1 229 480 JF915369 GenBank
Rehmanniaglutinosa B1 231 658 KC463825 北京药用植物研究所
Rglutinosa B1 231 658 KC463826 北京药用植物研究所
Rglutinosa B1 231 658 KC463827 北京药用植物研究所
Rglutinosa B1 231 658 KC463828 河南温县
Rglutinosa B1 231 658 KC463829 河南温县
Rglutinosa B1 231 658 KC463830 河南温县
Rhenryi C1 230 648 DQ272447 GenBank
Rhenryi C1 230 648 EF363671 GenBank
Rpiasezki D1 230 661 EF363670 GenBank
Rpiasezki D1 230 661 DQ069316 GenBank
Cistanchesinensis E1 225 631 JF915389 GenBank
Csinensis E1 225 631 JF915388 宁夏盐池县
Csinensis E1 225 631 JF915390 GenBank
Cdeserticola F1 229 550 GQ434850 宁夏永宁县
Cdeserticola F1 229 550 JF915378 内蒙阿拉善左旗
Cdeserticola F1 229 550 JF915370 内蒙阿拉善左旗
Ctubulosa G1 233 549 JF915383 内蒙呼和浩特
Ctubulosa G1 233 549 JF915379 内蒙磴口县
Ctubulosa G1 233 549 GQ434562 安徽亳州药材市场
Ctubulosa G1 233 549 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。
22 PCR扩增及测序 ITS2序列扩增用正向引物
为5′ATGCGATACTTGGTGTGAAT3′,反向引物为
5′GACGCTTCTCCAGACTACAAT3′[12]。PCR反应
体积为 25μL,包括 2×EasyTaqPCRSuperMix
(TransGenBiotechCo,China)125μL,25μmol·
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。
23 数据处理 测序峰图利用 CodonCodeAligner
V371(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
MEGA50(molecularevolutionarygeneticsanalysis)
分析比对[21],并基于 Kimura2parameter(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://wwwtcmbarcodecn/)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
31 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
16~18,仅有2个样品的 A260/A230小于20,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。
32 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480%,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0~0009,平均 K2P遗传距离为0003。31
份样本的种间变异较大,平均 K2P遗传距离为
0760,其中地黄与肉苁蓉种间的 K2P遗传距离为
0032~0353,锁阳与地黄及肉苁蓉的种间 K2P遗
传距离为1076~1267。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。
33 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
Fig1 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
PVP40,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
HOUDianyun1,2,SONGJingyuan2,SHILinchun2,YANGPei2,CHENShilin2,3,YAOHui2
(1AgriculturalColege,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471003,China;
2TheNationalEngineeringLaboratoryforBreedingofEndangeredMedicinalMaterials,
InstituteofMedicinalPlantDevelopment,ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalColege,
Beijing100193,China;
3InstituteofChineseMateriaMedica,ChinaAcademyofChineseMedicalSciences,Beijing100700,China)
[Abstract] Objective:ToidentifytheCynomoriHerbaanditsanaloguesspeciesusingDNAbarcodingtechnique.Method:
TotalgenomicDNAextractedfromalmaterialsusingtheDNAextractionkit.Theinternaltranscribedspacer2(ITS2)regionswere
amplifiedusingpolymerasechainreaction(PCR),andpurifiedPCRproductsweresequencedbidirectionaly.Sequenceassemblyand
consensussequencegenerationwereperformedusingtheCodonCodeAligner3.7.1.TheKimura2Parameter(K2P)distancesandGC
contentwerecomputedusingMEGA5.0.Speciesidentificationanalyseswereconductedthroughthespeciesidentificationsystemfor
traditionalChinesemedicineandneighborjoining(NJ)trees.Result:TheITS2sequencelengthsofCynomoriHerbawere229bp.
TheaverageintraspecificgeneticdistancesofCynomoriHerbawere0.003.TheaverageinterspecificgeneticdistancesbetweenCyno
moriHerbaanditsadulterantsspecieswere0.760.Theresultsshowedthattheminimuminterspecificdivergenceislargerthanthe
maximumintraspecificdivergence.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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