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Detection and establishment of ISSR-PCR system for multipurpose tree species Sapindus mukorossi

多用途树种无患子ISSR-PCR体系建立与检测



全 文 :广 西 植 物 Guihaia Dec.2015,35(6):899-904           http://journal.gxzw.gxib.cn 
DOI:10.11931/guihaia.gxzw201405042
刁松锋,邵文豪,姜景民,等.多用途树种无患子ISSRGPCR体系建立与检测[J].广西植物,2015,35(6):899-904
DiaoSF,ShaoWH,JiangJM,etal.DetectionandestablishmentofISSRGPCRsystemformultipurposetreespeciesSapindusmukorossi[J].Guihaia,
2015,35(6):899-904
多用途树种无患子ISSRGPCR体系建立与检测
刁松锋1,2,邵文豪1,姜景民1∗,栾启福1
(1.中国林业科学研究院 亚热带林业研究所,浙江 富阳311400;2.中国林业科学研究院 经济林研究中心,郑州450003)
摘 要:无患子(Sapindusmukorossi)是我国长江以南地区传统的重要绿化树种,其果皮富含皂苷,种仁富含
油脂,为新型木本油料树种之一.为了获得基于KODFX高保真DNA聚合酶试剂盒的无患子ISSRGPCR的
最佳反应体系,该文采用正交优化设计相结合的方法,研究了引物浓度、dNTPs浓度、KODFX酶、模板DNA
浓度和 Mg2+浓度对无患子ISSRGPCR反应体系的影响,并在此基础上对退火温度进一步优化,最终确立了适
合无患子的ISSRGPCR反应的最佳体系和程序,即20μLPCR反应体系中,引物0.5μmol􀅰LG1、dNTPs0.05
mmol􀅰LG1、KODFX酶0.06U􀅰μLG1、模板DNA浓度1.0ng􀅰μLG1和Mg2+1.0mmol􀅰LG1.当以UBC841为
引物时,PCR扩增程序为94℃预变性2min,98℃变性10s,48.6℃退火30s,68℃延伸90s,35个循环,
68℃延伸7min,4℃保存.这一优化的ISSRGPCR反应体系的建立,为无患子种质资源的遗传多样性、亲缘
关系及遗传结构研究、种质创新与分子辅助育种等奠定了良好的基础.
关键词:无患子;ISSR;PCR反应体系;正交设计
中图分类号:S718.46,Q943  文献标识码:A  文章编号:1000G3142(2015)06G0899G06
DetectionandestablishmentofISSRGPCRsystemfor
multipurposetreespeciesSapindusmukorossi
DIAOSongGFeng1,2,SHAOWenGHao1,JIANGJingGMin1∗,LUANQiGFu1
(1.ResearchInstituteofSubtropicalForestry,ChineseAcademyofForestry,Fuyang311400,China;2.NoGtimber
ForestryResearchandDevelopmentCenter,ChineseAcademyofForestry,Zhengzhou450003,China)
Abstract:SapindusmukorossiisatraditionalandimportantvirescencetreespeciesinthesouthpartofChinawith
richsaponinsinpeelandrichoilinseed.ThistreespeciesisoneofthenewlyGdevelopedwoodyoilspeciesthatwere
approvedbytheStateForestryAdministrationofChina.ForoptimizingISSRGPCRreactionsystemofS.mukorossi,
basedonKODFXHighGfidelityDNAPolymeraseKit,orthogonaldesignexperimentswereconducted.ThemainfacG
torsafectingISSRGPCRamplification,suchassuitableconcentrationofprimer,dNTPs,KODFXDNApolymerG
ase,DNAtemplateand2×PCRbufferforKODFXwerestudied.Furthermore,theannealingtemperaturewasopG
timizedonthebaseoftheabovetests.AnidealyISSRGPCRreactionsystemwasestablished,namely25μLreaction
systemcontainingprimer0.5μmol􀅰LG1,dNTPs0.05mmol􀅰LG1,KODFXDNApolymerase0.06U􀅰μLG1、DNAtemG
plate1.0ng􀅰μLG1andMg2+1.0mmol􀅰LG1.TheoptimalPCRamplificationprogramwas:TheprofileofISSRGPCR
wasaninitialdenaturationstepfor2min94℃,folowedby35cyclesof30sat98℃fordenaturation,30sat
48.6℃forannealing,90sat68℃forextension,finalyextensionat68℃for7minandholdingthesamplesat4
℃.ThisoptimizedISSRGPCRreactionsystemwouldprovidethebasisfortheanalysisofgeneticdiversity,genetic
收稿日期:2014G07G21  修回日期:2014G10G11
基金项目:国家林业公益性科研专项(201404104,200804032);浙江省重大科技专项重点农业项目(2011C12015).
作者简介:刁松锋(1989G),男,安徽亳州人,硕士,主要从事林木遗传育种研究,(EGmail)stanfordiao@yeah.net.
∗通讯作者:姜景民,博士,研究员,从事林木遗传育种和种质资源研究,(EGmail)zzzyjiang@yeah.net.
structure,germplasminnovationandmolecularassistedselectioninS.mukorossi.
Keywords:Sapindusmukorossi;ISSR;PCRreactionsystem;orthogonaldesignexperiments
  无患子(Sapindusmukorossi)也称为肥皂树、
菩提树,是无患子科(Sapindaceae)无患子属(SapG
indus)落叶乔木,广泛分布在亚洲、中南美洲、北美
洲南部、太平洋岛屿的暖温带和热带低山丘陵及石
灰岩地区,中国分布于秦岭—淮河以南低山丘陵地
区,欧洲也有分布 (中国植物志编委会,1998;
Chhetrietal.,2008).无患子皂苷在果皮中含量
可达11.5%(Pandey,2008),易降解,无有害物质
残留,对环境无污染,是一种优良的天然表面活性
剂,具有良好的起泡性和去污能力,是天然的环境友
好型洗涤剂(Ghagietal.,2011).无患子皂苷具有
抗病毒、降血压等药理作用(Ibrahimetal.,2008;
Vermaetal.,2012).无患子种仁含油率达42.7%
(黄素梅等,2009),不饱和脂肪酸含量达86.63%,为
重要的生物质能源树种(Sunetal.,2012).目前,
国内外学者对无患子的多在苗木繁育与优树选择
(林文荣,2007;刁松锋等,2014a)、表型及经济性状
变异(邵文豪等,2012,2013;刁松锋等,2014b,c)、光
合生理(孟德悦等,2013;刁松锋等,2014d)、医药病
理(Ibrahimetal.,2008;Vermaetal.,2012)和化
学成分及其提取工艺(黄素梅等,2009;魏凤玉等,
2010)等领域,对于一些天然分布的无患子群体,人
们对其遗传背景知之甚少.目前有彭珠清等(2014)
对无患子SARPGPCR反应体系进行研究;洪莉等
(2013)采用SARP技术对无患子种质资源多样性
及亲缘关系进行分析;刘宝等(2014)也采用SARP
技术对不同地理种源无患子的分子多态性进行分
析,但对无患子ISSRGPCR反应体系的研究尚未见
有报道.总体来看,目前对我国无患子种质资源和
天然群体遗传多样性的系统研究还很匮乏,这严重
限制了它的推广应用.因此,如何提高无患子的资
源利用率,挖掘有价值的种质资源材料已成为无患
子产业发展亟待解决的重要问题.
1994年,加拿大蒙特利尔大学Zietkiewicz教授
建立了ISSR(interGsimplesequencerepeats)分子标
记技术,与RFLP和RAPD技术相比有更高的重复
性和稳定性(Zietkiewiczetal.,1994).另一方面,
ISSR分子标技术具有操作简单快捷DNA用量少
技术要求低成本低等特点,引物设计无需知道基因
组序列,只要目标区域的长度在可扩增范围内,就能
扩增出微卫星重复间的DNA片段.因此,当前ISG
SR分子标记技术广泛用于遗传多样性分析(沈庆庆
等,2013)、遗传作图(Bornetetal.,2001)、亲缘关
系(梅洛银等,2013)和种质资源研究(陈虎等,2012)
等领域,但是ISSR技术也存在缺陷,稳定性易受到
引物浓度、dNTPs、模板DNA量、酶以及引物退火
温度等条件的影响,扩增出来的条带随机性较大.
因此,在利用ISSR技术进行遗传性分析时,为保证
结果的清晰可靠和准确,必须对反应体系进行优化.
因此,本研究采用正交试验设计对以上几个因素进
行筛选,初步建立了一套适用于无患子的ISSRG
PCR反应体系,为研究无患子遗传多样性、种质创
新与分子辅助育种奠定良好的基础.
1 材料与方法
1.1材料
所用材料来自无患子天然分布区的11个省区
的18个自然保护区的野生资源,采样时选择包含5
株以上成年个体的种群进行采样,单株之间的距离
在50m以上,共采集272株个体的当年生嫩叶.采
集的叶片放入盛有硅胶的密封袋中带回实验室,放
入G70℃冰箱中保存.
1.2主要试剂与仪器
所用试剂为 BufferA(100mmol􀅰LG1 TrisG
HClpH9.5、1mmol􀅰LG1 KCl和10mmol􀅰LG1
EDTA)、琼脂糖、DNA marker(天根 D2000)、6×
DNALoadingBuffer(天根)、UniRedNucleicAcid
Stain(天根)、1× TBE(pH8.3)和KODFX高保真
DNA聚合酶试剂盒(由天根生化科技杭州有限公司
提供),该试剂盒包含2×PCRbufferforKODFX
(含2.0mmol􀅰LG1 Mg2+,以下简称 Mg2+)、2.0
mmol􀅰LG1dNTPs和1.0U􀅰μLG1KODFX酶(以
下简称KODFX).
主要仪器:琼脂糖凝胶电泳仪(TakaraGTPG
600)、台式高速冷冻离心机(Neofuge15R)、NanoG
Drop2000紫外分光光度计(ThermoFisher公司生
产)、TakapaPCR ThermalCyclerDicePCR 仪
(TP600)、FRG980A全自动紫外与可见光凝胶成像
系统装置(复日科技公司).
009 广 西 植 物                  35卷
1.3基因组总DNA提取与检测
DNA提取按照新型KODFX试剂盒的说明进
行,即取无患子叶片约3mm 小块,添加BufferA
100μL,充分振荡后放入95℃水浴10min,离心机
12000r􀅰minG1离心4min,取上清液置于G20℃冰
箱备用.利用紫外分光光度计检测DNA完整性、
浓度及纯度和1.5%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA
质量,120V电泳30min后,通过FRG980A生物电
泳图像分析系统观察拍照.
1.4PCR正交试验设计
采用正交设计L16(45),针对本实验中ISSRG
PCR反应体系的5个因素(引物、dNTPs、KOD
FX、模板 DNA 和 Mg2+)分别进行4个水平筛选
(表1),25μL无患子ISSRGPCR各个反应体系的成
分组成及正交试验设计见表2.本实验采用加拿大
英属哥伦比亚大学报道的 UBC841号(GAGAGA
GAGAGAGAGAYC)引物,该引物是本课题组通
过大量预实验从100条引物中筛选出的36条可以
扩增出较亮条带的引物之一.正交表中的每个处理
分别重复3次.
表1 正交试验因素表
Table1 Orthogonalfactorsandlevels
因素Factor
水平Level
1 2 3 4
引物Primer(μmol􀅰LG1) 0.3 0.4 0.5 0.6
dNTPs(mmol􀅰LG1) 0.2 0.3 0.4 0.5
KODFX(U􀅰μLG1) 0.02 0.04 0.06 0.08
模板DNATemplateDNA(ng􀅰μLG1) 1.0 2.0 3.0 4.0
Mg2+(mmol􀅰LG1) 0.4 0.6 0.80 1.0
1.5PCR扩增、电泳以及凝胶成像
按照KODFX试剂盒说明书要求,PCR预扩增
的反应条件为94℃预变性2min,98℃变性10s,
51.2℃退火30s,68℃延伸1.5min,40个循环,于
4℃保存.将PCR扩增产物用1× TBE配制的
1.5%的琼脂糖凝胶电泳分离,120V的恒流电压电
泳30min.电泳结束把凝胶放入FRG980A生物电
泳图像分析系统观察拍照并统计条带.
1.6退火温度的优化
在筛选出的最优反应体系的基础上进行退火温
度的梯度优化筛选试验.温度梯度设置为46.0℃、
47.0℃、48.0℃、49.0℃、50.0℃、51.0℃和52.0
℃.每个温度梯度进行3次重复,其他条件不变.
数据处理利用Excel2010软件和SAS8.2软件
完成,利用Sigmaplot10.0软件作图.
表2 ISSRGPCR反应正交设计L16(45)
Table2 L16(45)orthogonaldesignforthefactors
andlevelsofISSRGPCRreaction
处理
Processing
引物
Primer
(μmol􀅰
LG1)
dNTPs
(mmol􀅰
LG1)
KODFX
(U􀅰
μLG1)
模板 DNA
Template
DNA
(ng􀅰μLG1)
Mg2+
(mmol􀅰
LG1)
1 0.3 0.2 0.02 1.0 0.4
2 0.3 0.3 0.04 2.0 0.6
3 0.3 0.4 0.06 3.0 0.8
4 0.3 0.5 0.08 4.0 1.0
5 0.4 0.2 0.04 3.0 1.0
6 0.4 0.3 0.02 4.0 0.8
7 0.4 0.4 0.08 1.0 0.6
8 0.4 0.5 0.06 2.0 0.4
9 0.5 0.2 0.06 4.0 0.6
10 0.5 0.3 0.08 3.0 0.4
11 0.5 0.4 0.02 2.0 1.0
12 0.5 0.5 0.04 1.0 0.8
13 0.6 0.2 0.08 2.0 0.8
14 0.6 0.3 0.06 1.0 1.0
15 0.6 0.4 0.04 4.0 0.4
16 0.6 0.5 0.02 3.0 0.6
2 结果与分析
2.1ISSRGPCR反应体系正交试验的直观分析
对16个处理3次重复的48个样品的条带依据
凝胶条带的强弱和杂带多少进行打分,其中条带数
量多、清晰度高满分为10分,依次后推,最低分值为
1分.根据打分情况求出每个因素同一水平下的试
验值之和Ki,以及每一因素水平下的数据ki,并求
同一因素不同水平间平均值的极差R(表3).R 反
映了各因素对反应体系的影响,极差越大表明其对
反应体系的影响就越大.由表3可以看出,引物对
无患子PCR反应体系影响最大,KODFX次之;
Mg2+最小,模板DNA则较小.Ki反映了每个因
素不同水平对反应体系的影响程度,ki值越大则说
明这个水平在该因素中表现最好.因此,根据表3可
知,引物、KODFX和 Mg2+在第3水平最优,dNTPs
和模板DNA分别在第4水平和第1水平最优.
2.2PCR正交试验的方差分析
对5个因素进行方差分析,结果如表4.由表4
可以发现,引物、KODFX和dNTPs对PCR反应体
系的影响达到极显著水平(P<0.01),模板DNA对
反应体系的影响则为显著水平(P<0.05),而 Mg2+
1096期         刁松锋等:多用途树种无患子ISSRGPCR体系建立与检测
对体系的影响不显著.这与正交试验的直观分析结
果是一致的.
表3 16组正交设计直观分析
Table3 16setsoforthogonaldesignintuitiveanalysis
处理
Processing
引物
Primer
(μmol􀅰
LG1)
dNTPs
(mmol􀅰
LG1)
KODFX
(U􀅰
μLG1)
模板DNA
Template
DNA
(ng􀅰
μLG1)
Mg2+
(mmol􀅰
LG1)
K1 19.3 22.1 28.3 33.6 16.2
K2 28.6 26.8 30.9 29.7 22.8
K3 35.4 32.7 37.4 26.3 27.4
K4 31.2 36.5 34.2 21.6 23.5
k1 2.4 2.7 4.7 8.9 2.1
k2 2.9 3.3 7.3 7.5 2.5
k3 13.2 5.5 10.8 6.8 4.7
k4 3.7 8.5 9.2 4.4 3.2
R 10.8 5.8 6.1 4.5 2.6
表4 正交设计方差分析
Table4 Varianceanalysisoforthogonaldesign
变异来源
Variationsource
平方和
(SS)
Square
sum
自由度
(DF)
Degreeof
freedom
均方
(MS)
Mean
square
F 值
Fvalue
引物Primer 89.62 3 29.87 11.85∗∗
dNTPs 38.09 3 12.70 5.04∗∗
KODFX 51.76 3 17.25 6.85∗∗
模板DNATemplateDNA 20.84 3 6.95 2.76∗
Mg2+ 9.57 3 3.19 1.27
误差Error 7.55 3 2.52
总计Total 217.43 15
 注:∗ 表示在0.05水平差异显著;∗∗ 表示在0.01水平差异显著.
 Note:∗and∗∗ Differencesaresignificantatthe0.05and0.01.
2.3几个不同水平的因素对PCR反应体系的影响
从图1可以看出,5个不同因素在Ⅰ~Ⅳ水平下
对PCR扩增的影响不同,其中引物浓度、KODFX、
Mg2+的PCR扩增DNA条带数呈现单峰曲线变化,
并且都在第Ⅲ水平下,即分别为0.5μmol􀅰LG1、
0.06U􀅰μLG1和1.0mmol􀅰LG1时,扩增出的DNA
条带数最多;PCR扩增DNA条带数随着dNTPs浓
度在Ⅰ~Ⅳ水平增加时而呈上升趋势,且在第Ⅳ水
平(0.05mmol􀅰LG1)扩增条带数达到最多;而模板
DNA浓度(DNA)处于下时PCR扩增出的DNA条
带数则随着模板DNA浓度的增加而减少.
对退火温度梯度进行优化筛选时发现,在48℃
和49℃时,PCR扩增的DNA的条带较多,而且具
有比较清晰的背景.继续以48.2 ℃、48.4 ℃、
48.6℃和48.8℃为温度梯度进行优化,结果表明
PCR扩增的DNA条带在48.6℃表现最优.采用
优化好的体系,即25μL体系中各组分的含量分别
为0.5μmol􀅰LG1primer、0.5mmol􀅰LG1dNTPs、
0.06U􀅰μLG1KODFX、1.0ng􀅰μLG1模板DNA浓
度和1.0mmol􀅰LG1Mg2+.
图1 不同因素水平对ISSRGPCR的影响
Fig.1 InfluenceofdiferentfactorlevelsofISSRGPCR
2.4无患子的ISSRGPCR扩增检测
采用已优化的ISSRGPCR体系,从中筛选出24
条引物均能用于对无患子扩增反应,其中UBC808、
UBC818、UBC824、UBC830、UBC836、UBC840、
UBC841、UBC848、UBC855、UBC860、UBC880、
UBC881和 UBC891具有较好的效果.随机选出
UBC818和UBC841用于不同种源的无患子样本试
验,结果如图2,表明该体系具有良好的效果,可以
用于无患子遗传多样性、亲缘关系及遗传改良研究.
3 讨论与结论
ISSRGPCR反应体系优化常用的试验设计方法
可分为单因素试验和正交试验.
胡翠萍等(2010)对唐古特大黄(RheumtanguG
ticum)ISSR反应体系中各影响因素分别设置单因
素梯度试验,建立了适合唐古特大黄的ISSRGPCR
最佳反应体系;罗成等(2010)通过单因素试验,确立
华中五味子(Schisandrachinensis)ISSR最佳反应
条件.而正交试验设计具有高效、经济布点均衡、试
验次数少、结果直观等优点(王彦华等,2004).目前
该方法也已在枇杷(Eriobotryaspp.)(梅洛银等,
2012)、龙眼(Dimocarpuslongan)(陈虎等,2012)
和荔枝 (Broussonetiapapyriferaz)(沈庆庆等,
2013)等经济林树种的ISSR体系优化中采用.
由于ISSRGPCR反应体系受许多因素的影响,
209 广 西 植 物                  35卷
图2 引物UBC818对江西上犹(上)和引物UBC841对浙江富阳(下)部分个体的扩增图
Fig.2 AmplificationofprimerUBC818inShangyou(above)andUBC841inFuyang(below)population
为了获得重复性和可靠性较高的ISSR谱带,提高
分析的准确性,有必要对各种影响因子,诸如引物、
dNTPs、模板DNA、反应聚合酶(本实验采用 KOD
FX高效反应酶)及退火温度等进行优化筛选,获得
最适宜的ISSR反应体系和程序.本研究结果表明
无患子ISSRGPCR最优体系是在25μL体系中各组
分的含量分别为引物0.5μmol􀅰LG1、dNTPs0.5
mmol􀅰LG1、KODFX0.06U􀅰μLG1、模板DNA浓
度1.0ng􀅰μLG1和 Mg2+1.0mmol􀅰LG1.与彭珠清
等(2014)优化的无患子SRAPGPCR反应体系所需
50ng模板DNA和洪莉等(2013)采用的ISSRGPCR
反应体系所需60ng模板DNA相比,本反应体系仅
需较少的模板DNA,说明KODFX高保真DNA聚
合酶具有明显的高效性.在前人的研究报道中,体
系中各组分的不同含量对PCR的影响程度不同.
周凌瑜等(2008)研究认为引物浓度会对PCR的条
带数、带行产生明显的影响,浓度太高产生新的位
点,且易形成引物二聚体的几率大增.孙清信等
(2012)对紫云英(Astragalussinicus)的研究表明
模板DNA浓度对ISSRGPCR反应体系影响不大,
而廖声熙等(2013)对构树的研究认为模板DNA浓
度对反应体系的影响具有显著性,这与本研究具有
相似的研究结论.前人的研究表明Taq酶对PCR
体系的影响具有极显著性(廖声熙等,2013),本研究
采用新型的KODFX酶在实验中对PCR体系的影
响也具有极显著作用.本研究是基于 UBC841这
一条引物对体系进行优化的,在后续的实验中会增
加引物的筛选范围,进而增加以 KODFX高保真
DNA聚合酶试剂盒为基础的无患子ISSRGPCR反
应体系的通用性.
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