大頭典竹ISSR反應體系建立與優化

瞿印權 徐雯 沈露 何天友++魏建文 榮俊冬 鄭郁善

摘要：以大頭典竹葉片為材料，采用單因素分析法和正交設計直觀分析法，對影響PCR擴增效果的Mg2+、dNTPs、TaqDNA聚合酶、引物、模板DNA含量這5個PCR反應體系主要成分以及退火溫度和循環次數進行篩選。通過研究建立了適合大頭典竹的ISSR-PCR反應體系：20 μL反應液中含2.5 mmol/L Mg2+，0.25 mmol/L dNTPs，1.25 U TaqDNA聚合酶，0.6 μmol/L引物，10 ng模板DNA，2 μL 10×Buffer，10.55 μL ddH2O。相應反應程序為94 ℃預變性 5 min；94 ℃ 變性45 s，54.5 ℃退火30 s，72 ℃延伸90 s，35個循環；72 ℃延伸10 min，4 ℃保存。應用建立的優化反應體系成功地篩選出16條多態性較高的引物，表明該體系具有較高穩定性、重現性、適用性，可較好地應用于大頭典竹不同地理種源間的遺傳多樣性研究。

關鍵詞：大頭典竹；ISSR；反應體系；優化

中圖分類號： S795.901文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0034-06

地球上的竹類植物共有88屬1 400多種，主要分布在亞太區、美洲區、非洲區[1]。中國竹類主要分布于長江中下游，其中以福建、浙江、江西、湖南4省最多，占全國竹林面積的60.7%[2]。大頭典竹[Dendrocalamopsis beecheyana var. pubescens （P. F. Li） Keng f.]屬于竹亞科（Bambusoideae）綠竹屬[Dendrocalamopsis （Chia et H. L. Fung） Keng f.]的叢生竹，別稱新竹、榮竹，具有繁殖生長快、根系發達、適應性廣等特點。目前，在我國關于大頭典竹在分子生物方面的研究較少。[JP]

近年來，隨著現代分子生物學的快速發展，分子標記技術被廣泛應用于遺傳多樣性以及指紋圖譜構建的研究[3-5]。目前應用最為廣泛的分子標記技術主要有RFLP、RAPD、AFLP、ISSR、SRAP等[6]。其中SSR序列廣泛分布在高等生物的染色體上，因此利用該簡單重復序列標記（inter simple sequence repeat，ISSR）技術可以獲得較多的分子標記。ISSR的引物長度較RAPD引物長，因此ISSR具有重現性的特點，可以獲得較可靠的遺傳多樣性信息，有利于植物種間及種內的鑒別[7]。已有研究表明，竹亞科植物不同地理種源間的遺傳變異較豐富[8]，為了進一步證實上述觀點，本試驗采用ISSR方法對大頭典竹的群居差異進行研究，旨在建立 ISSR-PCR最佳反應體系，為其地理種源的遺傳多樣性分析和親緣關系的鑒定奠定理論基礎。

1材料與方法

1.1材料

供試的材料來源于福建省東山國有赤山林場的大頭典竹地理種源試驗樣地。采摘洗凈的竹葉3～5張，放入自封袋并冰袋保存，盡快轉移至-80 ℃冰箱，以備DNA的提取。

[BT2+*5]1.2試劑與儀器

主要試劑：ISSR引物都參考哥倫比亞大學公布的100條引物，由上海生物工程技術服務有限公司合成。TaqDNA聚合酶、dNTPs Mixture、Mg2+、RNA降解酶、DNA ladder Marker、10×PCR Buffer、6×loading Buffer均購上海生物工程技術服務有限公司；瓊脂糖、核酸染料均購自北京賽西盛公司。

主要儀器：JS-680全自動數碼凝膠成像分析儀、T6新世界紫外分光光度計、Lab Cycler PCR儀、DYY-8C電泳儀、TGL-20M臺式高速冷凍離心機等。

1.3DNA的提取與檢測

大頭典竹DNA的提取采用博日公司Biospin植物基因組DNA提取試劑盒提取的方法。將提取出的DNA用紫外分光光度計檢測其濃度、純度，再用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的完整性及是否有降解現象。

[BT2+*5]1.4ISSR原初擴增程序和反應體系

原初設定的擴增程序為94 ℃預變性5 min；94 ℃變性 45 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸90 s，35個循環；72 ℃延伸 10 min，4 ℃保存。原初擴增反應體系為2.5 mmol/L Mg2+，0.25 mmol/L dNTPs，1 U TaqDNA聚合酶，0.6 μmol/L引物，50 ng 模板DNA，2 μL 10×Buffer，9.8 μL ddH2O。原初擴增程序和反應體系均參考李炎梅的方法[9]。

1.5試驗設計

[JP+1]經過初步的引物篩選，引物UBC810能產生清晰度高、多態性好的條帶，因此可以用于ISSR-PCR體系的篩選（圖1）。分別采用單因素多水平梯度試驗法和正交設計分析法（表1、

1.6擴增產物檢測

取9 μL的PCR產物，加入1.5 μL 6×loading Buffer并混勻，上樣到加有核酸染料的1.5%瓊脂糖凝膠上，電泳1 h，電壓設為5 V/cm。待電泳時間結束到紫外凝膠成像分析儀觀察和拍照。

2結果與分析

2.1單因素多水平梯度試驗結果分析

2.1.1Mg2+濃度對ISSR-PCR擴增的影響

Mg2+濃度變化直接影響反應液中Taq DNA聚合酶的活性，也間接影響引物與模板DNA的雙聯雜交體的解鏈和退火溫度以及擴增產物[CM（25]的特異性[10]，因此選擇合適的Mg2+濃度對ISSR-PCR反[CM）]

應至關重要。研究發現，Mg2+濃度為1.0 mmol/L時，無擴增條帶出現；在Mg2+濃度為1.5 mmol/L時，擴增出的條帶極少且模糊；Mg2+濃度為2.0～4.0 mmol/L時，擴增條帶數一致，但Mg2+濃度在2.5 mmol/L時，擴增條帶較多清晰（圖2）。因

2.1.2dNTPs濃度對ISSR-PCR擴增的影響

dNTP是 ISSR-PCR反應的原料，其濃度的高低直接影響產物的產量和特異性[11]。研究發現，dNTPs濃度為0.25 mmol/L時，擴增的條帶較為清晰明亮；當dNTPs濃度低于0.25 mmol/L時，擴增產物條帶模糊；dNTPs濃度過低會影響底物與引物的酶促反應速度的下降，導致擴增條帶產率低、效果差；當dNTPs濃度大于0.25 mmol/L時，PCR擴增條帶較一致（圖3）。因此，從降低成本考慮，dNTPs濃度選用0.25 mmol/L。[FL）]

在 ISSR-PCR反應中，TaqDNA聚合酶是影響擴增效果的關鍵因素之一。TaqDNA聚合酶用量過多會引起非特異性擴增，過低則會使得擴增產物減少[12]。另外TaqDNA聚合酶的活性還受Mg2+、dNTPs濃度的影響[13]。研究發現，當TaqDNA聚合酶含量為0.5～1.0 U時，擴增的條帶較少，總體條帶數較為模糊，但擴增條帶隨著TaqDNA聚合酶含量的增加依次增加；當TaqDNA聚合酶含量為1.25～2.00 U時，擴增條帶數增加，條帶清晰（圖4）。因此，TaqDNA聚合酶含量選用 1.25 U。[FL）]

引物的濃度過高時容易引起引物二聚體的形成，從而導致擴增條帶模糊或減少，還會產生新的非特異性位點；過低則會使PCR反應提前結束，使擴增條帶減少甚至沒有條帶出現[14]。研究發現，當引物濃度為0.3、0.4 μmol/L時，擴增的條帶數目減少且模糊；當引物濃度為0.5、0.6 μmol/L時，條帶清晰，擴增條數比0.3、0.4 μmol/L時的條帶數增多；當引物濃度大于 0.6 μmol/L 時，條帶清晰度明顯減弱（圖5）。因此，本試驗選用 0.6 μmol/L 引物濃度為ISSR-PCR反應體系的最佳濃度。[FL）]

[FL（2K2]2.1.5模板DNA用量對ISSR-PCR擴增的影響

一般情況下，模板DNA含量過低，會導致無擴增產物，過高則會引起非特異性產物的出現或擴增條帶的模糊[15]。少數情況下，模板DNA含量對ISSR-PCR擴增影響不大[16]。研究發現，本試驗設計的7個梯度水平的DNA含量均能擴增出清晰、明亮的條帶且無明顯差異（圖6）。考慮到DNA用量越少越好，因此本試驗選擇10 ng模板DNA為ISSR-PCR反應體系的最佳用量。[FL）]

本試驗的主要影響因素濃度，以單因素多水平梯度試驗的數據為基礎，設計成5個影響因素、4個水平、16個試驗處理的正交設計，并建成關于大頭典竹的ISSR-PCR標記的反應體系表。研究發現，處理4、處理7、處理8擴增條帶最為清晰，條帶數比較多，而處理3、處理11、處理16沒有擴增條帶。參照何正文等的方法[17]，根據PCR擴增條帶的多少、條帶的亮暗程度和清晰度進行評分。最好的評16分，最差的評1分，依次對16條擴增條帶進行評分。16個處理的分數依次為6、11、1、16、13、7、14、15、12、8、1、12、5、10、

[FL（2K2]根據評分結果求出每個因素同一水平下的試驗值之和Ki以及每一因素同水平下的數據平均值ki并求出同一因素不同水平間平均值的極差R。極差R反應各影響因素對反應體系的影響，R越大則影響越顯著[12]。各因素水平變化對ISSR-PCR反應體系影響從大到小排序為Taq酶含量>Mg2+濃度>引物濃度>dNTPs濃度>模板DNA含量（表3）。每一因素同水平下的數據平均值ki反應影響因素各水平對ISSR-PCR反應體系的影響情況，ki越大，水平對反應體系越有利[12]。因此，正交設計試驗下，大頭典竹的ISSR-PCR反[CM（25]應體系的最佳濃度為 2.0 mmol/L[KG*3]Mg2+，0.35[KG*3]mmol/L

2.3擴增程序參數的調整

2.3.1退火溫度的篩選

退火溫度是影響PCR特異性反應的重要因素，退火溫度不同，產生引物和模板DNA間的錯配[18]。一般來說，每一個引物都有各自的理論退火溫度。合理的退火溫度一般55～70 ℃，退火溫度一般在設定引物的理論退火溫度±5 ℃范圍內。在一定的溫度范圍內，退火溫度越高，擴增的特異性也越高，退火溫度越低，擴增產物的特異性也降低。如果退火溫度過高，則引物與模板結合差，電泳條帶差，甚至沒有擴增。如果溫度過低，則擴增特異性差，雜帶較多，背景深[19]。本研究發現，當退火溫度為50～54.5 ℃時，擴增的條帶逐漸增多，條帶逐漸清晰，當退火溫度大于54.5 ℃時，擴增條帶清晰度逐漸降低，條帶數逐漸減少（圖8）。因此選擇最佳退火溫度為第6泳道的54.5 ℃，與UBC810引物的理論退火溫度52.2 ℃相差不超過5 ℃，符合文獻報道[20]。

2.3.2循環次數的篩選

PCR的循環次數對PCR反應有重要的影響，循環次數太低，會引起擴增產物的減少。循環次數太高，又會產生非特異性產物[21]。本試驗對循環次數設了3個梯度，分別為30、35、40次。研究發現，當循環次數為40次時，擴增條帶最為清晰（圖9），因此40次循環作為大頭典竹ISSR-PCR反應最佳反應的循環次數。[FL）]

利用建立好的大頭典竹的最佳反應體系，對100條引物進行擴增。研究發現在選用不同的引物時，絕大部分都能擴增出清晰、明亮的條帶，只有少部分引物不能擴增出條帶（圖10）。研究結果說明，該反應體系穩定，并具有重復性。

3結論與討論

ISSR分子標記技術具有穩定性高、重復性好、DNA用量少等其他分子標記技術無法比擬的優勢[9]，同時，也受到 ISSR-PCR 反應體系中Mg2+、dNTPs、Taq酶、引物、模板DNA等因素的影響[17]。有關巨竹屬植物的ISSR-PCR反應體系的優化的研究表明，模板DNA含量對ISSR-PCR擴增有較大的影響[18]。而在本試驗中，模板DNA含量對大頭典竹 ISSR-PCR 擴增反應沒有太大影響，可能是因為不同竹亞科植物間的DNA含量對擴增反應的影響也是有差別的。

在ISSR-PCR反應的建立和優化中，通常采用單因素試驗方法和正交試驗方法[19-25]。本試驗分別采用2種方法，對反應體系和擴增程序進行和優化，確定各影響因素濃度和循環次數，并在建立好的體系上對有效引物進行篩選。通過對2種試驗方法的比較證實了單因素試驗可以直接地反應出各[FL）]

[FL（2K2]影響因素的濃度或含量大小對反應體系的影響，試驗操作要求比較簡單。正交試驗可以考慮到各因素的交互作用，確定各因素的主次關系，但操作比較復雜，試驗時間過長，影響酶等主要成分的活性[9]。本試驗結果表明，2個試驗方法所得到結果差異比較明顯，且正交試驗方法，有部分產物未能擴增出來。因此選擇較為常用的單因素試驗方法來進行ISSR-PCR體系建立與優化。

綜上，本試驗建立了大頭典竹最佳優化體系：20 μL的反應液中含2.5 mmol/L Mg2+，0.25 mmol/L dNTPs，1.25 U TaqDNA聚合酶，0.6 μmol/L引物，10 ng模板DNA，2 μL 10×Buffer，10.55 μL ddH2O，該體系將為大頭典竹不同地理種源的遺傳多樣性研究和親緣關系評價提供技術基礎。

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