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长白山区杓兰属植物ISSR-PCR最佳反应体系的建立



全 文 :·生物技术· 北方园艺2013(24):92~95
第一作者简介:孙叶迎(1989-),女,硕士研究生,研究方向为分子
标记。E-mail:sunyeying3928@163.com.
责任作者:刘洪章(1957-),男,博士,教授,博士生导师,研究方向
为植物资源。E-mail:lhz999@126.com.
基金项目:农业部野生植物资源调查资助项目;吉林省科技厅资
助项目(20100254)。
收稿日期:2013-09-13
长白山区杓兰属植物ISSR-PCR最佳反应体系的建立
孙 叶 迎,陈 丽 飞,刘 树 英,刘   昕,曹   岩,刘 洪 章
(吉林农业大学 生命科学学院,吉林 长春130118)
  摘 要:以长白山区的5种杓兰属植物大花杓兰、杓兰、东北杓兰、山西杓兰、斑花杓兰为试
材,对影响PCR扩增效果的模板浓度、引物浓度、dNTP浓度、Taq酶量以及退火温度进行了优
化,以期建立杓兰属植物ISSR-PCR的反应体系。结果表明:25μL反应体系中DNA模板的量为
30.00ng、引物0.60μmol/L、dNTP 0.20mmol/L、Taq酶0.75U;该体系以5种杓兰属植物,4个
引物进行扩增验证,能够得到清晰的条带,且具有多态性,而且有可重复性;表明建立的杓兰属
ISSR-PCR体系适用遗传多样性的研究。
关键词:长白山区;杓兰属;ISSR;反应体系
中图分类号:S 682.31 文献标识码:A 文章编号:1001-0009(2013)24-0092-04
  杓兰属(CypripediumLinn.)为兰科多年生草本植
物[1]。由于花唇瓣特化呈兜状,被称为“大口袋花”,西方
人称其拖鞋兰。杓兰属植物花形奇特、颜色艳丽,具有
极高的观赏价值。杓兰属共有50余种,主要产于东亚、
北美、欧洲等温带地区和亚热带山地,向南可达喜马拉
雅地区和中美洲的危地马拉[1]。我国杓兰属植物种类
繁多,资源丰富,有30余种,广布于东北至西南山地和台
湾地区高山[2]。在长白山区分布的杓兰属植物有大花
杓兰、斑花杓兰、杓兰、东北杓兰和山西杓兰。针对杓兰
属遗传学和分子生物学方面的研究较少,目前在遗传标
记方面的研究以AFLP、RAPD法为主,对其遗传结构以
及多样性进行分析[3-4]。ISSR(Inter-Simple Sequence
Repeat,ISSR)简单重复区间序列标记,是由加拿大蒙特
利尔大学的Zietkiewicz等[5]于1994年提出的一种建立
在PCR技术上的分子标记技术。该技术具有操作简单、
成本低、条件稳定、快速、灵敏、检测多态能力强、所需
DNA模板量少等优点,目前已被广泛应用于植物品种
鉴定、遗传作图、基因定位、遗传多样性、进化及分子生
态学等研究[6-10]。
该研究对杓兰属植物ISSR反应体系进行优化,并
对PCR反应程序中的退火温度进行优化,以期建立适合
杓兰属植物的ISSR-PCR反应体系,为利用ISSR标记技
术研究杓兰属植物的遗传多样性、种质资源研究、分子
育种等提供依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试大花杓兰、杓兰、东北杓兰、山西杓兰、斑花杓
兰5种杓兰属植物材料均采自吉林省长白山区。取材
料的嫩叶用锡箔纸包好放入到液氮中,置于-80℃超低
温冰箱中备用。
Taq酶(5U/μL)、dNTPs(25mmol/L)、2 000bp
DNA Marker均购于大连宝生物工程有限公司,引物由
北京三博远志生物技术有限责任公司合成。CTAB、
PVP、β?巯基乙醇、琼脂糖等为北京鼎国生物技术有限公
司生产的分析纯试剂。
1.2 试验方法
1.2.1 DNA的提取以及检测 采用改良的CTAB法
提取DNA。用1% 的琼脂糖凝胶(含核酸染料)电泳检
测DNA质量,同时取1μL样品用紫外分光光度计测定
DNA的浓度以及纯度。将样品稀释为20ng/μL并存放
于-20℃冰箱中备用,以便用于ISSR反应条件的优化。
1.2.2 杓兰属ISSR反应体系的优化 试验以UBC847
引物对影响杓兰属植物的ISSR反应的主要因素Taq酶
浓度、dNTPs浓度、DNA模板量、引物浓度优化。每组
试验中除了试验的成分以外,其它成分与其它组试验成
分相同。参考文献[11-14],采用25μL体系,在基本反
应体 系 中 所 含 的 成 分 有:2.5μL 10×bufer,
0.15mmol/L dNTP,0.40μmol/L引物,30.00ng DNA
模板,最后加双蒸水补足。
1.2.3 退火温度的选择 在单因素筛选出最佳反应体
系后,设置退火温度为47℃、50℃、53℃、56℃、59℃进行
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温度梯度退火,选择引物的最佳退火温度。
1.2.4 反应产物的电泳和检测 用6%聚丙烯酰胺凝
胶,1×TBE电泳缓冲液,500V电压60min,2 000bp
Marker进行分子量标记,银染,显影观察并照相、记录每
次试验至少重复2遍,记录和分析重复出现的条带。
表1 ISSR-PCR反应体系的条件
  Table 1 Conditions of ISSR-PCR reaction system
影响因素
浓度梯度
1  2  3  4  5
DNA模板量/ng  20.00  30.00  40.00  50.00  60.00
dNTPs浓度/mmol·L-1  0.10  0.15  0.20  0.25  0.30
引物浓度/μmol·L-1  0.40  0.60  0.80  1.00  1.20
Taq酶浓度/U  0.50  0.75  1.00  1.25  1.50
2 结果与分析
2.1 CTAB法提取的杓兰属植物DNA的质量
图1 5种杓兰的DNA电泳结果
注:M为2 000bp marker,下同。1~5分别为大花杓兰、杓兰、东
北杓兰、山西杓兰、斑花杓兰。
Fig.1 The electrophoretogram of 5 Cypripedium
Note:The size of Marker is 2 000bp.The same below.The num-
bers 1to 5are Chypripedium acranthumSw.,Cypripedium calceolus
L.,Cypripedium×ventricosumSw.,Cypripedium shanxiense C.Chen.
and Cypripedium gutatumSw..
表2 DNA的质量
  Table 2 The qualities of DNA
编号 DNA样品 OD260/OD280 OD260/OD230  DNA浓度/ng·μL-1
1 大花杓兰 1.90  1.90  1 029
2 杓兰 1.91  2.06  2 424
3 东北杓兰 1.96  1.91  995
4 山西杓兰 2.11  2.16  368
5 斑花杓兰 1.95  1.87  1 605
2.2 DNA模板量对PCR反应的影响
DNA模板的质量是影响PCR成败的重要因素之
一。由图2可知,20.00、30.00、40.00、50.00ng DNA均
能扩增出的产物条带,60.00ng DNA没有扩增出产物
条带。在扩增出的产物条带中可以看出,30.00ng
DNA扩增出的产物条带比较清晰,容易判读,随着
DNA浓度的升高,个别模板出现没有扩增条带的现
象。由此可见,并不是模板浓度越高越好。因此,杓兰
属植物的ISSR-PCR反应的最佳模板量为30.00ng。
图2 不同DNA模板的量的扩增效果
注:1~5分别为20.00、30.00、40.00、50.00、60.00ng DNA模板的
量。5个重复为5个不同的杓兰品种,下同。
Fig.2 Banding patternamplified by diferent
concentrations of template DNA
Note:The numbers of 1to 5are the quantitie of DNA template,re-
spectively are 20.00,30.00,40.00,50.00,60.00ng.
2.3 引物浓度对PCR反应的影响
在PCR反应中,引物的浓度是反应的关键,PCR反
应的特异性是由引物与模板的结合程度来决定的。当
引物的浓度过高时会引起错配、非特异性扩增,甚至形
成引物二聚体。引物浓度过低时,引物与模板结合的机
会减少,结合量减少,得到的产物少,扩增出来的条带就
比较弱。由图3可知,当引物浓度为0.40mmol/L时,
条带较弱;引物浓度为0.60mmol/L时,扩增条带较全
面、稳定、清晰,无特异性条带。因此,杓兰属植物的
ISSR-PCR反应的最佳模板浓度是0.60mmol/L。
图3 不同引物浓度的扩增效果
注:1~5分别为0.40、0.60、0.80、1.00、1.20μmol/L引物的浓度。
Fig.3 Banding patternamplified by
diferent concentrations of primer
Note:The numbers of 1to 5are the concentration of primer,respec-
tively are 0.40,0.60,0.80,1.00,1.20μmol/L.
2.4 dNTP浓度对PCR反应的影响
从图4可以看出,dNTP浓度过高时,无扩增条带;浓
度过低时,条带较少,不清晰。在0.20mmol/L时,条带较
清晰。因此,dNTP的最佳试验浓度为0.20mmol/L。
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图4 不同dNTP浓度的扩增效果
注:1~5分别为0.10、0.15、0.20、0.25、0.30mmol/L dNTP的
浓度。
Fig.4 Banding patternamplified by
diferent concentrations of dNTP
Note:The numbers of 1to 5are the concentration of dNT,respec-
tively are 0.10,0.15,0.20,0.25,0.30mmol/L.
2.5 Taq酶浓度对PCR反应的影响
Taq DNA聚合酶的浓度对PCR反应影响也很大,
是影响PCR反应的重要因素之一。从图5可以看出,
Taq NDA酶的浓度过高则会引起非特异性扩增,产生弥
散带,背景颜色重;浓度过低,扩增出来的条带较少,因
此,PCR时要选择适当的酶浓度。该试验中5个不同浓
度梯度的酶浓度中0.75U的酶含量扩增出来的条带最
清晰,无特异性扩增条带,最适合该PCR体系。
图5 不同Taq酶浓度的扩增效果
注:1~5分别为0.50、0.75、1.00、1.25、1.50UTaq酶的量。
Fig.5 Banding patternamplified by diferent
concentrations of Taq DNA polymerase
Note:The numbers of 1to 5are the quantitie of Taq DNA Polymer-
ase,respectively are 0.50,0.75,1.00,1.25,1.50U.
2.6 退火温度对PCR的影响
退火温度影响引物与模板结合,由5个退火温度梯
度可以看出,56℃时,扩增产物特异性强,条带清晰;温度
低于或高于56℃时,特异性较差,有些条带不明显,甚至
扩增不出来。因此,确定了引物UBC847的最佳退火温
度为56℃,其它引物由此方法得到最佳退火温度。
2.7 体系稳定性的检测
随机选取其余4个引物(UBC807、UBC855、UBC841、
UB873)对优化好的PCR体系的稳定性进行检测(图7)。
图6 不同退火温度的扩增效果
注:1~5分别为47℃、50℃、53℃、56℃、59℃的退火温度。
Fig.6 Banding patternamplified by
diferent annealing temperatures
Note:The numbers of 1to 5are the annealing temperatures,respec-
tively are 47℃,50℃,53℃,56℃,59℃.
图7 扩增结果稳定性检测
注:1~5 分 别 为 引 物 UBC847、UBC807、UBC855、UBC841、
UBC873。 
Fig.7 The detection of the stable of amplified results
Note:The numbers of 1to 5are the 5primers,respectively are
UBC847,UBC807,UBC855,UBC841,UBC873.
所选的引物都能扩增出比较理想的的结果,说明优化的
体系比较稳定可靠。
2.8 ISSR-PCR反应体系的确立
该试验建立了杓兰属植物的ISSR-PCR反应体系,
在25μL的体系中含有2.5μL 10×bufer,30.00ng
DNA模板,0.60μmol/L引物0.20mmol/L dNTP,Taq
酶的量为0.75U。扩增条件:94℃预变性4min;94℃变
性1min;56℃退火1min;72℃延伸1.5min,35个循环,
72℃完全延伸10min。
3 讨论与结论
在遗传多样性的研究中,体系稳定性是十分重要
的。ISSR体系的稳定性受很多因素的影响,如模板的
量、Taq聚合酶、引物、dNTP以及退火温度等。其中一
般模板DNA的量对扩增结果影响不大,浓度在5~
500ng都能扩增出较好的结果,但该试验中DNA的
用量达到40.00~50.00ng,扩增条带减少,60.00ng无
扩增条带,这可能是由试验材料不同引起的。在PCR反
应中,各个底物之间是相互作用,相互影响的。反应体
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系中dNTP能与 Mg2+结合,使游离的 Mg2+浓度降低。
因此,dNTP的浓度直接影响到反应中 Mg2+浓度。同
时,高浓度dNTP引起非特异性扩增,低浓度降低反应
产物的量。因此控制好dNTP的浓度对于PCR反应很
重要。Lu[15]认为dNTP的浓度范围在0.02~0.20
mmol/L之间。高丽等[16]认为dNTP的浓度为0.20
mmol/L时,反应扩增出来的产物的量、特异性、忠实性
较好,与该试验结果相符。
Mg2+是Taq DNA聚合酶活性所必需的元素,对
PCR扩增的效率、特异性、退火温度都有影响[17]。Taq
酶的量对反应体系的影响较大,酶浓度过高不仅增加成
本,而且容易产生非特异性产物;酶浓度过低,扩增产物
减少。在PCR反应中,退火温度的高低直接影响到引
物与模板DNA的特异性结合[18]。退火温度和退火时
间取决于引物的长度、碱基组成以及其浓度,通过温度
梯度PCR仪对温度进行筛选可以保证得到清晰稳定的
扩增条带,客观地反映杓兰属植物的遗传多态性。
该试验建立的体系采用单因素梯度试验来进行最
佳组合的摸索,通过试验得到了清晰稳定的条带。因
此,该体系可以用于杓兰属遗传多样性的分析。
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Establishment of the Optimum ISSR-PCR Reaction System of Cypripediumin
the Region of Changbai Mountain of China
SUN Ye-ying,CHEN Li-fei,LIU Shu-ying,LIU Xin,CAO Yan,LIU Hong-zhang
(Cologe of Life Science,Jinlin Agricultural University,Changchun,Jilin 130118)
Abstract:Taking Cypripedium macranthum,Cypripedium calceolus,Cypripedium ventricosum,Cypripedium shanxiense
and Cypripedium gutatumof 5 Cypripediumspecies which distributed in Changbai mountains as test materials,the 4
factors and annealing temperatures which afect the amplification of PCR were optimized.The optimal ISSR-PCR
conditions for Cypripedium were established.The results showed that containing of 30.00ng template DNA,
0.60μmol/L primer,0.20mmol/L dNTP,and 0.75UTaq DNA polymerase in a volume of 25μL was optimal.The
clear,pleomorphic and repetitive amplified bands might be obtained with the above ISSR-PCR reaction conditions by
5 Cypripediumand 4primers.It was revealed that the ISSR-PCR reaction system was suitable for researching of genetic
diversity.
Key words:Changbai mountain;Cypripedium;ISSR;reaction system
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