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0.5μmolLG1、dNTPs0.05
mmolLG1、KODFX酶0.06UμLG1、模板DNA浓度1.0ngμLG1和Mg2+1.0mmolLG1.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
systemcontainingprimer0.5μmolLG1,dNTPs0.05mmolLG1,KODFXDNApolymerase0.06UμLG1、DNAtemG
plate1.0ngμLG1andMg2+1.0mmolLG1.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(100mmolLG1 TrisG
HClpH9.5、1mmolLG1 KCl和10mmolLG1
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2.0mmolLG1 Mg2+,以下简称 Mg2+)、2.0
mmolLG1dNTPs和1.0UμLG1KODFX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
12000rminG1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(μmolLG1) 0.3 0.4 0.5 0.6
dNTPs(mmolLG1) 0.2 0.3 0.4 0.5
KODFX(UμLG1) 0.02 0.04 0.06 0.08
模板DNATemplateDNA(ngμLG1) 1.0 2.0 3.0 4.0
Mg2+(mmolLG1) 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
(ngμLG1)
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0.5μmolLG1、
0.06UμLG1和1.0mmolLG1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(0.05mmolLG1)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0.5μmolLG1primer、0.5mmolLG1dNTPs、
0.06UμLG1KODFX、1.0ngμLG1模板DNA浓
度和1.0mmolLG1Mg2+.
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0.5μmolLG1、dNTPs0.5
mmolLG1、KODFX0.06UμLG1、模板DNA浓
度1.0ngμLG1和 Mg2+1.0mmolLG1.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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