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Establishment and optimization of sliver staining differential display of microtubers from Pinellia ternata in vitro

半夏试管块茎银染mRNA差异显示条件的建立及优化



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IdentificationofGynostemmafromtheiradulterantCayratiajaponica
byPCR-RFLP
WANGChong,ZHANGYuanyuan,YANGJuan,JIANGLingyan,LIMiaomiao,ZHAOGuifang
(KeyLaboratoryofResourceBiologyandBiotechnologyinWesternChina(NorthwestUniversity),
MinistryofEducation,Xi'an710069,China)
[Abstract] Objective:ToestablishaconvenientandefectivemethodfortheidentificationofGynostemmaandCayratiajaponi
ca.Method:Eightspecies,includingGynostemmpentaphylum,G.pentagynum,G.cardiospermum,G.longipe,G.yixingense,G.
laxiflorum,G.guangxienseandC.japonicawereinvestigatedthroughPCR-RFLPofsixchloroplastDNAfragments.Thesixgene
fragmentsweredigestedbysixrestrictionendonucleaserespectively,includingTaqⅠ,HpaⅡ,EcoRⅠ,RsaⅠ,HhaⅠ,HindⅢ.Re
sult:SevenspeciesofGynostemmaandtheiradulterantcouldbeidentifiedbytrnK1ftrnK2randRsa.Conclusion:PCR-RFLPpro
videsaquick,reliablemolecularmarkertechniqueforidentificationofGynostemmaandtheiradulterantCayratiajaponica.
[Keywords] Gynostemma;Cayratiajaponica;PCRRFLP;classifiedidentification
[责任编辑 吕冬梅]
[收稿日期] 20071212
[基金项目] 国家农业成果转化资金重点项目(05EFN213400124);淮北市重大专项(06085)
[通讯作者] 薛建平,Tel:(0561)3802025,Email:xuejp2000@yahoo.com.cn
半夏试管块茎银染 mRNA差异显示条件的
建立及优化
薛建平1,黄月琴1,2,徐有明2,田振东2
(1.淮北煤炭师范学院 生命科学学院 资源植物生物学安徽省重点实验室,安徽 淮北 235000;
2.华中农业大学 园艺林学学院,湖北 武汉 430070)
[摘要] 目的:建立半夏试管小块茎DDRTPCR反应最佳体系,为进一步研究半夏试管小块茎相关基因表达
提供技术参考。方法:以半夏试管苗的叶柄

试管小块茎为材料,利用正交试验设计,研究模板。Mg2+,dNTPs,引
物和DNA聚合酶等因素,对DDRTPCR反应体系的影响。结果与结论:20μL的反应体系中含有 dNTPs150μmol
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·L-1,Taq酶06U,锚定引物2μmol·L-1,随机引物1μmol·L-1,Mg2+25mmol·L-1,2μL10×bufer和25
μg的cDNA模板。各因素影响程度依次为Taq酶>cDNA模板>dNTPs>Mg2+>引物。
[关键词] 半夏;试管块茎;DDRTPCR;正交优化;非变性PAGE;银染
[中图分类号]Q786 [文献标识码]A [文章编号]10015302(2008)19217005
  目前研究基因差异表达分析的方法有很多,如
抑制消减杂交(SSH)、代表性差异分析(RDA)、mR
NA差异显示技术(DDRTPCR)、基因表达系列分析
技术(SAGE)和 DNA微阵列技术(DNAmicroaray)
等。其中,Liang等[1]建立的差异反转录 PCR技术
(diferentialdisplayreversetranscriptionPCR,DDRT
PCR)是以 PCR技术和聚丙烯凝胶电泳技术为基
础,结合银染或放射性自显影等显色技术,能快速有
效地鉴定并克隆2个或多个平行材料之间的差异表
达基因,为差异表达基因的分离克隆提供了一个全
新的思路。该方法以其 RNA用量少,灵敏度高,操
作简单、快速和可分析低丰度 mRNA等特点,近年
来迅速应用于诸如抗病基因分离,植物阶段发育等
许多领域的基因差异表达研究[25]。迄今为止,关于
半夏块茎发育过程中基因的差异表达还未见报道,
涉及到其形成的基因表达机制仍不清楚。本试验在
前期工作基础上,通过对影响 DDRTPCR技术的模
板浓度、引物浓度、dNTPs浓度、镁离子浓度以及
Taq酶用量等主要因素在差异显示反应过程中的交
互作用分析[6],旨在建立无同位素的银染差异显示
的最佳反应条件,为半夏试管小块茎发育相关的基
因异表达分析,以及试管块茎诱导发育的更深入研
究奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
半夏材料由资源植物生物学安徽省重点实验室
提供,经薛建平教授鉴定为天南星科三叶半夏
PineliaternataBreit.的试管苗和试管微型块茎[7]。
1.2 方法
1.2.1 RNA的提取及纯化 用改进的异硫氰酸胍法
提取试管苗叶柄和叶柄培养30d后形成的试管小块
茎的总 RNA,08%琼脂糖凝胶电泳检测其完整
性[8]。紫外分光光度计测定 A260,A280,计算 RNA含
量和纯度。用 DNaseⅠ消化总 RNA除去样品中痕量
DNA,12%琼脂糖凝胶电泳检测RNA完整性。
1.2.2 cDNA第1链的合成 以总 RNA为模板,
用锚定引物反转录,65℃ 10min,42℃ 45min,48
℃15min,合成cDNA第1链,反转录产物 -20℃
储存备用。锚定引物HT10M(5AAGCTTTTTTTTTT
TA/G/C3primers)和随机引物(B0301B0326),购
自上海生工生物工程技术服务有限公司。
1.2.3 DDRTPCR最佳反应体系的建立 以模板
(cDNA)浓度、锚定引物浓度(锚定引物浓度为随机引
物浓度的2倍)、dNTPs浓度、镁离子浓度以及Taq酶
用量为因素,设计5因素4水平正交试验方案(表
1)。各试验反应总体积均为20μL。反应条件为,94
℃预变性2min,94℃变性30s,40℃退火2min,72
℃延伸40s,循环40次,72℃延伸7min。4℃保存。
1.2.4 PCR产物的聚丙烯酰胺凝胶电泳分析[4] 
取6μLPCR产物加入4μL2×DNA上样缓冲液,
在6%非变性聚丙烯酰胺胶垂直板上用1×TBE电
泳缓冲液电泳,先于250V/10W预电泳30min,然
后上样电泳4~5h,直至溴酚蓝离胶底15cm。电
泳完毕,取下胶板银染。在去离子水中漂 20~30
min,固定液(10%乙醇+05%NaAc)中固定3min,
染色液(10%乙醇 +05%NaAc+02%AgNO3)中
染色5min,去离子水中漂洗3~5min,显色液(3%
NaOH+05%甲醛)中显5~10min。
1.2.5 差异片段回收再扩增 对比染色结果,将仅
在处理中出现的差异条带切下,在去离子水中漂洗
2次后放于05mL离心管中,加入50μL无菌水,
沸水中煮10min,13000r·min-1离心10min,取5
μL上清液作为再扩增模板,进行二次PCR扩增,扩
增体系同前。
2 结果与分析
2.1 RNA质量
RNA的纯度和完整性对 DDRTPCR的成功至
关重要。本试验采用用改进的异硫氰酸胍法提取,
提取的总RNA用紫外测定表明A260/A280介于19~
20,28S,18S条带清晰、比值恰当,说明提取的总
RNA质量良好,符合反转录的要求。总 RNA用
DNaseⅠ(Promega,USA)消化去掉样品中的痕量
DNA。纯化后的样品完整性好,纯度高可用于
DDRTPCR。
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2.2 DDRTPCR正交优化
本正交试验为5因素4水平,共16个组合(表
1)。经非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳和银染显色后,
半夏叶柄以及诱导形成试管小块茎后总 RNA的
DDRTPCR正交试验的扩增结果可以分为以下几种
情况(图1)。有扩增带,但带数少且重复性差,如
1,7,9号实验;有扩增带,带数多但重复性差,如2~
6,10,16号实验;有扩增带,带数较多且重复性较
好,如8,11,12,14,15号实验;有扩增带,带数很多,
谱带清晰,重复性好,如 13号实验,片段大小
100~1000bp,主要集中在100~500bp,说明该组
合的扩增效率最高,综合正交试验的观察结果,13
号为16个处理组合中最佳的。
极差R的大小反映了该因素对扩增结果的影
表1 DDRTPCR正交优化对差异条带多态性的影响
序号

模板
/μg

锚定引物
/μmol·L-1

MgCl2
/mmol·L-1

dNTPs
/μmol·L-1

Taq酶
/U
条带数 多态性
1 10 05 10 100 02 5 +
2 10 10 15 150 04 7 
3 10 15 20 200 06 9 
4 10 20 25 250 08 9 
5 15 05 15 200 08 8 
6 15 10 10 250 06 7 
7 15 15 25 100 04 6 +
8 15 20 20 150 02 10 
9 20 05 20 250 04 5 +
10 20 10 25 200 02 8 
11 20 15 10 150 08 10 
12 20 20 15 100 06 10 
13 25 05 25 150 06 15 
14 25 10 20 100 08 10 
15 25 15 15 250 02 10 
16 25 20 10 200 04 7 
  注:+多态性劣;表示中;表示良;表示优
  
1~16.半夏叶柄条带;1′~16′.半夏叶柄形成试管小块茎后的条带;Mmarker
图1 通过银染法得到差异显示图谱
响程度,正交试验结果的直观统计分析表明,在此次
正交试验所设计的各因素的浓度梯度下,Taq酶对
DDRTPCR扩增结果的影响最大,其次分别是模板,
dNTP,Mg2+,引物。
利用K值可以确定每一个因素各水平的最佳
浓度,每个因素的4个 K值中最大的所对应的水平
即为该因素最佳浓度。此次试验的最佳处理组合为
dNTPs15μmol·L-1,Taq酶 06U,锚定引物 2
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μmol·L-1,随机引物1μmol·L-1,Mg2+250mmol
·L-1,再加上10×bufer和25μg的 cDNA模板。
这个处理组合从理论上来说应该是最理想的条件体
系。为了验证这个推论,用这个最佳处理组合和13
号处理组合进行了比较,实验结果表明2个体系的
扩增结果都理想,但最佳处理组合扩增出的条带明
显比13号处理组合扩增条带要多,谱带更清晰。所
以选用最佳处理组合为正式试验的 DDRTPCR反
应体系。
为进一步探讨处理间及各因子水平之间的差
异,进行方差分析。结果表明,Taq酶浓度对 DDRT
PCR扩增结果的影响差异显著(P<005),其他因
素的影响均不显著。由此可见,Taq酶是影响
DDRTPCR扩增结果的主要因素,此结果与极差分
析的结果相吻合。
2.3 差别显示片断的回收
cDNA差异片段从聚丙烯酰胺凝胶中切下后,
在去离子水中漂洗2次后放于05mL离心管中,加
入50μL无菌水,沸水中煮10min,13000r·min-1
离心10min,取5μL上清液作为再扩增模板,扩增
体系同 DDRTPCR,PCR重扩增产物进行2%琼脂
糖凝胶电泳(图2)。
图2 差异表达片断PCR重扩增的琼脂糖凝胶电泳
3 讨论
虽然DDRTPCR技术已广泛应用于差异表达基
因的研究,并且仍在不断地优化和改进,但是该技术
在实际应用中仍存在一些问题[911]。如假阳性差异
带过高,差异显示 PCR时的差异带往往不能在
Northern杂交和反向Northern杂交中重现;其次,获得
的片段短,mRNA的平均长度112kb,差异显示PCR
所得cDNA片段的长度多在100~400bp,平均长度
约300bp,这些片段大多数位于mRNA3′端300bp左
右的非翻译区,这段mRNA在不同生物间差别较大,
基因文库中常不包括这部分;另外,稀有mRNA差异
显示困难,PCR高度灵敏,易扩增展示稀有mRNA片
段,这既是该方法的优点,也是该方法的不足之处,因
为稀有的mRNA在杂交时往往表达的信号较弱。
实验结果表明,模板浓度、引物浓度、dNTPs浓
度、镁离子浓度以及 Taq酶用量等因素对半夏试管
块茎的DDRTPCR技术体系均有影响。
首先,模板的制备。严格把握实验材料,实验材
料间的遗传背景差异越小,假阳性越低,分离的基因
片段与性状间的相关性越强。所以实验材料间的遗
传背景是一致的,并且采用混合取样的方法来降低
取材对实验造成的假阳性。同时,为了防止DNA污
染造成的假阳性,本试验中采用的 RNA都经过无
RNase的DNaseⅠ消化,去除痕量的 DNA污染。另
外,为了尽量减少低丰度 RNA的丢失,反转录时起
始模板RNA的投入量应保证不少于3μg[12]。
其次,差显反应条件的优化。采用正交试验设
计的均衡分散、综合可比以及可伸可缩、效用明确的
特性[13]。对影响 DDRTPCR反应条件的主要因素
进行筛选,可缩短实验时间,较快地找到最优水平组
合。本研究采用正交法优化反应条件,充分考虑到
模板、引物、dNTPs、镁离子等各成分的反应浓度以
及Taq酶用量等因素在差异显示反应过程中的交互
作用,一次 PCR反应即可确定最佳反应组合,这样
就简化了反应条件的优选程序,节省了时间,减少了
试剂用量,大大降低了实验成本。因此在新的试验
条件下建立和优化 DDRTPCR反应体系,正交设计
是值得借鉴的方法。
最后,银染染色和二次扩增。核酸银染方法是
一种高灵敏度检测核酸变化的方法,银离子可以与
核酸形成稳定的复合物,其灵敏度可以检测皮克
(picogram)水平核酸的变化,与同位素放射自显影
方法具有相似的灵敏性,并避免同位素曝光切带的
盲目性及对人体和环境造成的危害,同时银染采用
聚丙烯酰胺凝胶电泳,对 PCR扩增产物进行分离。
本实验表明,采用银染显示法不仅快速简便(从
RNA提取到差异条带回收仅需3d),而且凝胶上所
展示的条带直观可见,假阳性率很低,大大减少了验
证回收带的工作量。二次 PCR扩增旨在将获得差
异片段最大限度扩增,以备进一步纯化、测序和克
隆。为了获得高产量,在DDRTPCR反应条件基础
上,增加了 Taq酶浓度和 PCR循环数,此时,虽然
PCR产量明显提高,但也出现了非特异性条带,这
与循环增加、相对低量的模板拷贝数和过高的引物
有关。但将引物降至02~04μmol·L-1,退火温
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度升至42~44℃,能有效消除了非特异性条带,同
时得到较高产量的特异性扩增产物[14]。
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microtubersinvitroinfivefactorsfourlevelsrespectively.Method:P.ternatastemsandmicrotubersinvitrowereselectedasex
plants.TheefectsoffivekindsoffactorswerestudiedbyorthogonaldesignmethodincludingemplatecDNA,Mg2+,dNTPs,primers
andTaqDNApolymerase,andinordertoestablishtheoptimumDDRTPCRsystemofP.ternatamicrotubersinvitro.Resultand
Conclusion:AsatisfactoryDDRTPCRtechniquesystemforP.ternatamicrotubersinvitrowithdesirablerepeatabilityandpolymor
phicbandswasestablished.Inatotalvolumeof20μLDDRTPCRsystem,itcontained10×bufer,150μmol·L-1dNTPs,2μmol
·L-1anchorprimer,1μmol·L-1arbitraryprimer,25mmol·L-1Mg2+,06UTaqDNApolymeraseand25μgtemplatecD
NA.TheefectofthefivefactorswasinsequenceofTaqDNApolymerase>templatecDNA>dNTPs>Mg2+>Primers.Theoptimum
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[Keywords] Pineliaternata;microtubers;DDRTPCR;positivecrosstest;nondenaturingPAGE;silverstraining
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