基金项目:科技部国际合作项目 (2009DFA31950);国家科技部质检总局项目 (2011IK164);国家“十二五”科技支撑计划课题 (2012BAK11B03)
作者简介:郑斯竹 (1984-),女,山东掖县人,助理农艺师,博士研究生,主要从事昆虫分子鉴定研究; E-mail:zhengsizhu@126.com通讯作者:嵇保中 (1956-),男,江苏南京人,教授,博士,从事森林有害生物治理、昆虫生理和药剂毒理方面的研究; E-mail:jbz9885@njfu.edu.cn
1. 南京林业大学 森林资源与环境学院,江苏 南京 210037;2. 江苏出入境检验检疫局植物检疫实验室,江苏 南京 210001
1.College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China; 2. Plant Quarantine Laboratory of Jiangsu Entry- Exit Inspection and Quarantine Bureau of China, Nanjing 210001, Jiangsu, China
Monochamus alternatus; longicorn larva; preservation; DNA extraction; magnetic beads method
为了开展天牛科昆虫分子系统学研究,采用酚 -氯仿提取法、 TakaraDNA快速提取试剂盒及 GenMagBio动物细胞组织 /细胞基因组 DNA磁珠提取试剂盒 3种方法分别对 75%乙醇常温保存、无水乙醇 -20℃冷藏保存和活体 4℃保存 3种保存方式且保存时间 1年以上的松墨天牛幼虫进行 DNA提取,并对不同提取方法所获取的 DNA纯度与质量进行分析比较,确定了长时间保存天牛幼虫以无水乙醇浸渍 -20℃冷藏保存效果最佳,而用 GenMagBio磁珠法提取试剂盒提取 DNA出现降解的标本提取效果最好。应用 GenMagBio磁珠提取试剂盒对实验室保存多年的天牛幼虫标本进行 DNA提取,并对提取 DNA是否适合后续的 PCR扩增及 DNA序列测定进行了实验验证,结果符合预期。
To explore the molecular phylogenetic relationship of Cerambycidae, the genome DNA of Monochamus alternatus larvae which were frozen under -20℃ , preserved in 100% ethanol or kept in 75% ethanol under normal temperature or kept as a living under 4℃ for more than one year, were extracted by using three methods, henol-chloroform method, Takara kit and GenMagBio kit. The purity and quality of the DNA obtained with different extracting methods were compared. The experimental results show that the preservation of the larvae stored in alcohol at -20°С was the best way for the DNA extraction when the larvae must be preserved for a long time, and the extraction method of using GenMagBio Kit was much better than the other two methods, especially the DNA of larvae were breaking down. It was also proved that the DNA obtained were suitable for the subsequent PCR amplification and DNA sequence testing.
近年来,随着分子生物学技术在昆虫学各个领域中的广泛应用,基因条码技术的兴起以及外来生物基因库的逐步建立,使因昆虫卵、幼虫等阶段特征差异小,有些鉴定特征在不同的发育时期不够稳定等因素引起的形态鉴定困难有了新的解决途径。如何从昆虫样品中获得有效的DNA 模板是分子鉴定成功的前提,DNA 提取质量的优劣,也直接关系到下游实验的安全与成败。昆虫幼虫标本由于缺乏坚硬体壁的保护,所以采集后的处理方式、后期储存条件等因素对其DNA 质量影响大,一旦保存不当其基因组 DNA降解会非常严重,还会产生许多 PCR实验抑制因子。而许多实验室因为以前没有考虑到要开展分子生物学实验,对所拥有的标本简单地采用 75%酒精常温保存,使得许多珍稀幼虫标本用传统方法进行 DNA提取时,提取结果无法满足实验需要,使后续实验难以进行。采用传统的酚 -氯仿法提取 DNA,操作复杂而耗时, DNA回收率低,无法充分去除对 PCR实验的抑制因子,且对人体带有潜在的危险性。目前常用的 TakaraDNA快速提取试剂盒可应用于 1~ 100 mg动物组织 DNA的快速提取,全程只需要 2.5 h,高效快速,但其过程中所使用的异丙醇、异丁醇等试剂同样具有污染性,且对样品质量要求较高。基于磁珠法的 DNA提取方法是近年兴起的一种新技术,目前已广泛应用于法医学 [1]、医学、分子生物学 [2]等领域,该方法以纳米磁珠为 DNA载体,将分离技术和富集技术有机地结合为一体,通过简单的洗脱即可以得到高纯度 DNA。笔者尝试使用磁珠 DNA提取法提取不同保存条件下的昆虫幼虫 DNA,并与上述 2种常用提取方法进行比较,对所获得的 DNA进行了质量和纯度等方面的检测分析,以期获得分子检测所需要的最佳幼虫标本保存方法和 DNA提取方法。
本研究实验标本松墨天牛 Monochamus alternatus幼虫于 2010年 4月采集于南京紫金山,分别以 75%乙醇常温、无水乙醇 -20°С冷藏和活体 4°С保存 3种方式保存。实验标本墨天牛 M. spp.幼虫( 2010.03)为 100%乙醇常温固定保存;云杉大墨天牛 M. urussovi幼虫( 2006.08)、落叶松断眼天牛 Tetropium gabrieli幼虫( 2009.06)、褐梗天牛 Arhopalus rusticus幼虫( 2009.05)3种为 75%乙醇常温固定保存。
3种保存方法保存的天牛幼虫标本,每种样品取 3份,采用酚氯仿法、 Takara快速提取试剂盒、 GenMagBio磁珠提取试剂盒 3种方法进行 DNA提取。
酚 -氯仿法 [3]:剪取松墨天牛幼虫虫体腹部一段,去除消化道、脂肪、体壁,保留肌肉约 19 mg于 MM400球磨仪中震荡研磨( 30次 /s)20~ 30 s,后加入 1 mL提取液(10 mmol/L三羟甲基氨基甲烷盐酸盐, 1 mmol/L乙二胺四乙酸, 1%十二烷基硫酸钠),使蛋白酶 K终浓度达到 10 µg/mL,55℃水浴3~ 5 h。水浴结束后,苯酚 /氯仿 /异戊醇( v/ v, 25:24:1)抽提 2次,氯仿抽提至无沉淀产生。 2倍体积无水乙醇 -20℃过夜沉淀 DNA,12 000 r/ min 离心 10 min;弃上清,70% 乙醇清洗沉淀 2 次,干燥后溶解于 50 μLTE中。
TaKaRa DNA快速提取试剂盒提取 DNA[4]:剪取松墨天牛幼虫虫体腹部一段,去除消化道、脂肪、体壁,保留肌肉约 19 mg于 MM400球磨仪中震荡研磨(30次 /s)20~ 30 s,12 000 r/ min 离心 10 min。后续实验采用 TaKaRa DNA提取试剂盒提取 DNA,操作方法根据其使用说明书。
GenMagBio动物细胞组织 /细胞基因组 DNA磁珠提取试剂盒:直接剪取松墨天牛幼虫虫体 19 mg,保留脂肪、体壁、消化道不做任何处理,放于 MM400球磨仪中震荡研磨( 30次 /s) 20~ 30 s,加入 180 μL Lysis Buffer、20 μL Proteinase K(55℃温浴 3~ 5 h,加入 200 μL Binding Buffer和 200 μL无水乙醇,充分混匀,加入 20 μL磁珠,轻柔颠倒混匀 10 min。离心管置于磁力架,吸弃管内液体,保留磁珠, Wash Buffer І (500 μL颠倒混匀 2 min置于磁力架,弃去管内液体,Wash Buffer Ⅱ同样洗涤 2次,离心管仍置于磁力架上,缓慢加入 Wash Buffer Ⅲ, 1 min后移走管内液体。加入 Elution Buffer, 55℃水浴 10 min洗脱磁珠上吸附的 DNA。
1μLDNA稀释 50 倍,在 EPPENDORF 公司生产的生物分光光度计( Biophotometer6131)下测定波长 260、280 nm 的光吸收值 (OD) 并自动计算 OD260/OD280的比值以及相应的质量浓度值。当 OD260 /OD280的值低于 1.6时,样品中有蛋白质或酚的污染;高于 1.9则说明样品中有 RNA污染。
单轮 PCR引物: J1718,5′- GGA GGA TTT GGA AAT TGA TTA GTT CC -3′;N2191, 5′-CCC GGT AAA ATT AAA ATA TAA ACT TC -3′ [5]。巢式 PCR使用引物:第一轮, J173:5′-TAA CAG CAC ATG CTT TTG TA-3′;J1331:5′-GGA TAG TCT GAG TAT CGT CG-3′(自行设计);第二轮, J1718和 N2191。PCR扩增产物经 1.5%琼脂糖电泳分离,可得到 528 bp 左右的扩增片段。
使用 GenMagBio动物细胞组织 /细胞基因组 DNA磁珠提取试剂盒对墨天牛属、落叶松断眼天牛、褐梗天牛及云杉大墨天牛 4个 75%酒精常温保存的幼虫标本进行 DNA提取、巢式 PCR扩增,根据电泳图上此扩增片段的有无判断是否提取到目标 DNA。对目标 DNA纯化测序,测序结果经网上比对,查看是否为目标片段,即线粒体 COI基因 DNA的扩增片段,以对 GenMagBio磁珠试剂盒效果进行验证。
从表1可看出, 75%乙醇常温保存标本用3种方法提取出的 DNA浓度和 OD值都是最低的。活体标本与无水乙醇 -20°С保存的标本使用酚 -氯仿法和 GenMagBio磁珠试剂盒法提取的 DNA OD260/280值都处于 1.7~1.9之间,属于高质量 DNA,Takara快速提取试剂盒提取的 DNA OD260/280值高于 1.9,含 RNA污染。从质量浓度的角度看,活体 4°С冰箱保存方法保存的标本 DNA质量浓度最高, 75%乙醇常温保存标本的质量浓度最差,无水乙醇 -20°С保存的标本质量浓度居中。而从 3种提取方式看,同质量样品常规酚 -氯仿法提取出的 DNA量最大, Takara试剂盒最小, GenMagBio磁珠试剂盒居中。尤其是使用 Takara试剂盒提取 75%乙醇常温保存的样品, DNA的浓度与 OD260/280值都无法测量,可能是标本本身 DNA降解严重且该方法使用过程中 DNA损耗大。实验结果符合文献所述常规酚氯仿法最适于新鲜标本的大量 DNA提取,而现在一般实验室采用的无水乙醇 -20°С保存标本方式, DNA也同样存在降解现象。活体保存虽然实验效果最好,但现在的保存技术还无法做到长时间保存,笔者最长保存松墨天牛幼虫时间为 1~ 2 a。
表1 不同保存和提取方法样品的 DNA浓度与纯度 †
Table 1 The purity and concentration of DNA samples obtained with different extraction and preservation methods
3种方法分别提取 3种保存方式松墨天牛幼虫标本 DNA,对所得 DNA COI保守区域进行 PCR扩增。扩增片段大小为 525 bp。扩增结果如图1所示。
从图1可看出,用酚氯仿法与 Takara试剂盒提取的活体保存松墨天牛 DNA的 PCR扩增结果并不好,酚氯仿只扩增出 1条带, Takara试剂盒法扩增出 2条带且颜色暗淡, GenMag磁珠试剂盒法则 3条带全扩出且亮。通过表1分析,可能是酚氯仿法提取出的 DNA浓度过高不适合直接进行 PCR扩增,应按比例稀释,而 Takara试剂盒法浓度和 OD值都在标准范围,其原因需进一步探讨, GenMag磁珠试剂盒则扩增效果稳定。 3种方法提取无水乙醇 -20度冷藏保存标本 DNA的 PCR扩增产物条带基本全部跑出,条带明显,说明该保存方法保存 DNA可满足进一步分子实验。 3种方法提取 75%乙醇常温保存样品提取出的 DNA都未能在单轮 PCR条件下扩增出条带,说明 DNA确实出现大量降解,导致目标 DNA片段多少,所以将 1b~ 3b 9份 DNA样品进行巢式 PCR。
图1 3种取方法天牛 COI基因单轮 PCR结果电泳检测图谱
Fig.1 Single-PCR amplification results of COI obtained by three methods
经过巢式 PCR扩增后 GenmagBio磁珠提取试剂盒提取的松墨天牛幼虫样品扩增出条带,而其它2种方法提取出的 DNA仍未扩增出条带(见图2),说明 GenMagBio磁珠试剂盒因其只吸附 DNA的特性,提取对 DNA降解严重样品提取效果最好,其 OD值过低可能由于 DNA大量断裂成小分子片段引起。为进一步证明此方法获得的结果为实验所要,选取墨天牛属、落叶松断眼天牛、褐梗天牛、云杉大墨天牛实验室 75%酒精常温保存幼虫标本进行巢式 PCR扩增。从图3可看出该方法能提取到目标 DNA。之后对目标 DNA的 PCR产物进行纯化测序,测序结果经 GENBANK上比对,验证其为预期的线粒体 COI基因片段。
昆虫幼虫标本体壁柔软,组织幼嫩,极易破碎分解,造成 DNA降解。为防止保存标本的 DNA降解以便于日后的分子实验,目前实验室多采用无水乙醇 -20°С的方法保存标本 [6]。本研究的实验表明,同样保存时间下,相同体积活体保存样品和无水乙醇 -20°С保存样品所提取的 DNA量从 1 248 μg/mL下降到了 478 μg/mL,说明无水乙醇 -20°С保存样品同样存在较明显的 DNA降解。但活体低温保存仅限于脂肪含量高、有较长越冬期的部分天牛幼虫,且也无法长期保存。在实验中发现活体直接 -70°С冷冻保存后 DNA降解严重,说明单纯的温度降低对 DNA影响远小于其体内水分的影响。不过实验证明无水乙醇 -20°С的方法保存的标本完全可以满足后续分子实验需要。所以目前最适合普通实验室昆虫幼虫保存的方法还是无水乙醇 -20°С保存。不过为了更长期地保存昆虫幼虫标本以满足分子生物学实验的需要,还需要进一步探索效果更好的幼虫标本保存方法。
磁珠法提取 DNA试剂盒是纳米技术、分子生物学技术、生物医学技术和法医学技术的综合高科技产品,已经广泛应用于分子生物学、医学、法医学、考古学等许多领域。实验证明磁珠 DNA提取试剂盒在提取 DNA已严重降解的天牛幼虫标本时,效果远好于现在常用的酚氯仿法与 TakaraDNA快速提取试剂盒,虽然在提取 75%酒精常温保存的松墨天牛幼虫时 OD值偏低,只有1.53,但在 PCR实验中扩增出目标条带,其原因可能是由于 DNA含量过少。而且 GenMagBio磁珠提取试剂盒相比其它 2种方法操作更为简单,转移离心管的次数较少,不易污染,且不需要使用离心机,提取过程不到 1 h。不足之处在于 DNA提取量少于传统的酚 -氯仿法,这可能与磁珠本身吸附量限制有关,对于少量的 DNA提取则不存在影响。另外磁珠只吸附 DNA的特性在 DNA纯化、微量检测等方面是其它方法不可代替的,且提取过程 DNA损失少,提取出的 DNA纯度高,所以可利用本方法在珍稀昆虫标本的微量 DNA提取上进行探索。
中南林业科技大学学报
《中南林业科技大学学报》原名《中南林学院学报》,是中南林业科技大学主办的以林为特色的自然科学学术期刊。该刊1981年创刊,2010变更为月刊,月底出版,国内外公开发行。国际刊号为ISSN 1673-923X,国内刊号为CN43-1470/S。该刊是教育部优秀科技期刊,全国优秀高校学报,湖南省一级期刊。是全国中文核心期刊,中国科学引文数据库来源期刊,中国精品科技期刊,中国科技核心期刊。该刊入编了国内所有的期刊数据库。
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