土壤細菌群落密度實時熒光定量PCR檢測體系的建立

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(1.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)院重點實驗室，海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站，黑龍江 哈爾濱 150081；2.東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040；3.中國科學院 研究生院，北京 100049； 4.中國科學院 生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

在土壤微生物群落生態(tài)學研究中量化微生物群落的組成、確定群落的優(yōu)勢種群和檢測具有某種生物學功能微生物類群的豐度是非常必要的[1-2]。然而，由于許多環(huán)境微生物的不可培養(yǎng)性，為研究增添了一些障礙[3]。實時熒光定量PCR(Real-Time PCR)技術(shù)作為一種核酸定量的手段，以其高靈敏性、高特異性、高精確度、實時性和污染少等優(yōu)點，在微生物生態(tài)學中逐漸得到廣泛的應用[2]。同時與其他的分子生物學技術(shù)的聯(lián)合應用，不僅可以定性也可以定量研究微生物群落結(jié)構(gòu)組成及數(shù)量變化，深入探索微生物群落與環(huán)境因子之間的相互作用及其動態(tài)變化過程[2]。Real-Time PCR技術(shù)在土壤微生物環(huán)境監(jiān)測和研究上的應用始于近年，國外在環(huán)境中微生物群落變化的動態(tài)監(jiān)測、微生物群落生理代謝研究和環(huán)境微生物群落分布的研究等方面已有了很多的應用[2,4-7]，國內(nèi)在土壤微生物研究領(lǐng)域這項技術(shù)的應用方面的報道還比較少。Real-Time PCR標準曲線的標準樣品一般是含有與PCR目的片斷同源且純度較高的DNA模板[8-9]，但分析土壤環(huán)境樣品時，特別是目的片斷為某些功能基因的時候，很難得到這樣的標準品。因此，利用構(gòu)建克隆子的方法制作土壤樣品的標準樣品，并對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，建立土壤樣品的實時Real-Time PCR檢測體系，為Real-Time PCR這一技術(shù)在土壤微生物群落生態(tài)學研究中的應用作初步嘗試，為后續(xù)動態(tài)研究土壤微生物群落變化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品

共采集3個土壤樣品作為處理，編號P1和P2的兩個樣品采自大慶市讓胡路區(qū)代號為分別為中101-X308和中922-X309的兩處油井附近，生產(chǎn)時間均不足5 a。樣品C采自中國科學院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站裸地生態(tài)系統(tǒng)土壤，無多環(huán)芳烴污染始和農(nóng)藥施用歷史。3個土壤樣品均為去除表層后5 cm～15 cm深的土壤，pH值分別為9.68、9.02和7.56。

1.2 Real-Time PCR測定總細菌數(shù)量

1.2.1土壤微生物基因組總DNA提取。土壤微生物DNA提取采用Bio 101 FastDNA SPIN Kit(Bio 101，Inc.，USA)，土壤用量為0.5 g鮮土。用體積分數(shù)為1.0 %的瓊脂糖凝膠電泳和微量核酸蛋白質(zhì)分析儀(Nanodrop)檢驗DNA質(zhì)量并確定其濃度。

1.2.2普通PCR反應條件和反應體系的優(yōu)化。優(yōu)化后的PCR 反應體系和反應程序如下：50 μL體系，buffer 5 μL，dNTP 4 μL，MgCl21.5 μL，BSA 0.3 μL，Taq 0.3 μL，H2O 35.9 μL，引物每條各100 nM，模版DNA 1 μL。16S rDNA片段PCR反應程序為預變性94 ℃ 4 min后，94 ℃ 1 min,55 ℃ 1 min,72 ℃ 1 min，30個循環(huán)。

引物序列：16Sr DNA序列：F27 5′-AGAGTTTGATCMTGGCTCAG-3′，R1492 5′-TACGGYTACCTTGTTACGACTT-3′[10]，引物訂自上海生物工程公司。

1.2.3Real-Time PCR標準樣品的制作。選取1份質(zhì)量較高的PCR產(chǎn)物，采用DNA凝膠純化試劑盒純化擴增后的基因片段，將片斷連接在pGEM-T Easy 載體中，然后轉(zhuǎn)化到E.coli.JM109中，涂布到含有氨芐青霉素(Ampicillin)/IPTG/X-Gal的LB(Luria-Bertani)培養(yǎng)基上，37 ℃下培養(yǎng)16 h～24 h。隨機挑選2～3個白斑克隆子測序，基因測序工作由上海生物工程公司完成。

將測序結(jié)果導入MEGA 4.0軟件，經(jīng)過剪裁處理選取一個插入片段序列完整(兩端引物完整)、長度合適(目標長度1 500 bp)的克隆子。利用質(zhì)粒提取試劑盒提取克隆子的質(zhì)粒，測定其DNA濃度，并將其以10倍為間隔系列稀釋成實時熒光定量PCR測定標準品。

1.2.4樣品定量。將樣品與標準品一起進行Real-Time PCR檢測，包括陰性對照在內(nèi)每個樣品設(shè)3個重復。Real-Time PCR反應體系為25 μL，其中包含0.5 μL(約2.5 ng)模板DNA，12.5 μL SYBR Premix Ex Taq(TaKaRa Biotechnology),引物各100 nM，反應在Axygen公司200 μL圓頂PCR管中進行。Real-Time PCR定量擴增儀型號為iQ5(Bio-rad,USA)。16S rDNA片段PCR反應程序為預變性94 ℃ 4 min后，94 ℃ 1 min,55 ℃ 1 min,72 ℃ 1 min，30個循環(huán)。每個循環(huán)中熒光收集在83 ℃下進行，以防止由于引物二聚體的存在所引起的誤差。 溶解曲線程序為65 ℃～98 ℃,每0.2 ℃讀數(shù),其間停留6 s。Real-Time PCR測定控制軟件iCycler software(version 1.0.1384.0 CR)。

2 結(jié)果與分析

2.1 標準樣品的測序結(jié)果

經(jīng)過篩選，最后確定將細菌16S rDNA 序列的C0-B31號克隆子作為制作標準曲線的標準樣品，其16S rDNA片段序列長度為1467 bp，符合完整的16S rDNA序列要求。兩端劃線部分為引物，且序列完整。該序列與NCBI數(shù)據(jù)庫相似序列比對結(jié)果表明，其與Actinoplanes sp.SE50/110(CP003170)具有98 %的相似度。

2.2 Real-Time PCR標準曲線測定結(jié)果及可信性分析

將10倍濃度梯度的標準樣品PCR過程中檢測熒光的結(jié)果繪制成擴增曲線，見圖1。如圖所示，各樣品平行間所測定的Ct值差異很小，即樣品平行間一致度較好試驗測定值可信度較高。

圖1 Real-Time PCR擴增曲線Fig.1 Real-Time PCR amplification curve

圖2 Real-Time PCR溶解曲線Fig.2 Real-Time PCR melting curve

利用10倍濃度梯度的標準樣品PCR過程中熔解溫度的測定值做熔解曲線，見圖2，熔解曲線無雜峰表明擴增片段長度一致無引物二聚體。

分別以10倍濃度梯度的標準樣品中DNA模板濃度與Ct值為橫縱坐標的標準曲線，見圖3。由于Real-Time PCR絕對定量是建立在模板的初始濃度與域值循環(huán)數(shù)Ct(Cycle threshold)值關(guān)系的基礎(chǔ)上，因此，為保證樣本定量有穩(wěn)定可重復的試驗結(jié)果，Real-Time PCR標準曲線參數(shù)的優(yōu)化非常的重要。理論上一條合格的標準曲線具有3個特點：一致的重復反應、高的線性(R2> 0.980)和高的擴增效率(E：90 %～105 %)以及斜率(S≈-3.32)。標準曲線參數(shù)符合要求(標準品擴增效率E=101.7 %，R2=0.985，S=-3.28)且重復性好，說明以此標準樣品構(gòu)建的標準曲線是合格的。

圖3 Real-Time PCR標準曲線Fig.3 Real-Time PCR standard curve

2.3 細菌的定量結(jié)果

利用Real-Time PCR的方法測定了3個土壤樣品中16S rDNA片段的拷貝數(shù)，結(jié)果顯示：編號為C的土壤樣品細菌16S rDNA片段拷貝數(shù)達到5.0×109個·g-1，高于其它兩個處理。編號P2的土壤16S rDNA片段拷貝數(shù)為4.0×109個·g-1，編號P1的土壤總細菌的含量最低，16S rDNA片段拷貝數(shù)為1.4×109個·g-1。

3 討 論

傳統(tǒng)的平板計數(shù)法定量研究土壤微生物的群落數(shù)量變化有很大的缺陷，因為在現(xiàn)有技術(shù)下可分離培養(yǎng)的微生物只占環(huán)境微生物的0.1 %～10 %，平板計數(shù)法會大大低估土壤微生物的真實數(shù)量。利用Real-Time PCR技術(shù)對土壤微生物細胞個體數(shù)量進行絕對定量的方法快捷且準確性比較高，不僅可以定量細菌、真菌和放線菌等微生物類群，而且還可以對某些微生物功能基因拷貝數(shù)進行定量，從而有目的的對功能微生物進行研究。利用16S rDNA片段PCR克隆庫作為標準品制作的標準曲線方法簡便且可以重復使用，是制作標準品的好方法。在不同細菌細胞中16S rDNA片段拷貝數(shù)一般為每個細胞1～13個，因此如定義平均細胞拷貝數(shù)為6.5個，則本研究中C、P1和P2樣品的細菌細胞數(shù)分別為7.7×108個·g-1、2.2×108個·g-1和6.2×108個·g-1，這一結(jié)果要比傳統(tǒng)方法得到的結(jié)論高1～3個數(shù)量級[11]。

反應體系中擴增效率大于100 %的原因有可能是因為反應抑制劑的存在。因為反應樣品模板中反應抑制劑的濃度也隨稀釋度增加而減小，低濃度模板樣本中抑制劑的濃度低對反應Ct值的延遲程度較小，導致低濃度樣品Ct值比理想情況略高，使標準曲線斜率的絕對值以及由其計算所得的擴增效率會略微增加。由于本試驗樣本DNA來自于土壤，導致以此為基礎(chǔ)制作的標準樣品也不可避免地含有微量的PCR反應抑制劑，所以出現(xiàn)反應擴增效率略大于100 %屬于正常現(xiàn)象，只要其小于105 %就不會顯著影響定量結(jié)果。綜上所述，本研究建立的實時熒光定量PCR檢測體系可以較傳統(tǒng)方法更靈敏地定量未知模板的土壤細菌數(shù)量。

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