短花針茅荒漠草原單條土壤線蟲分子鑒定方法研究

王嘉寶 孟元 史明易 劉美琪 賈美清 張國剛

摘 ? ?要：土壤線蟲在土壤中具有重要的生態作用，目前大多通過形態學鑒定方法研究土壤線蟲，但該方法有很多弊端。為了更好地在分子水平上研究土壤線蟲群落及其多樣性，對內蒙古短花針茅荒漠草原土壤線蟲進行了單條線蟲的分子鑒定，通過比較4種不同的DNA提取方法（試劑盒法、凍融法、切割法、切割凍融法），確定了土壤線蟲最佳的DNA提取方法為切割凍融法。同時，選出10對土壤線蟲的通用引物經過重復試驗，從10對引物中篩選出3對引物（分別為線蟲rDNA的18S區引物G18SU/R18Tyl1、28S區引物D2A/D3B、ITS區引物TW81/AB28）能達到較高的成功率，其中適用于內蒙古短花針茅荒漠草原土壤線蟲的最佳通用引物是：D2A/D3B（5‘-ACAAGTACCGTGAGGGAAAGTTG-3;5‘-TGCGAAGGAACCAGCTACTA-3）。本研究通過明確短花針茅荒漠草原土壤線蟲最佳DNA提取方法和最佳通用引物，為進一步通過高通量測序技術在分子水平上進行土壤線蟲研究奠定基礎。

關鍵詞：內蒙古;短花針茅荒漠草原;土壤線蟲;分子鑒定方法

中圖分類號：S154.5;S154.38+6 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2020.02.017

Molecular Identification of Soil Nematodes in Stipa breviflora Desert Steppe

WANG Jiabao1， MENG Yuan1， SHI Mingyi3， LIU Meiqi1， JIA Meiqing2， ZHANG Guogang1

（1.Life Science College， Tianjin Normal University， Tianjin 300387， China; 2.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment， Tianjin Normal University， Tianjin 300387， China; 3.School of Geographic and Environmental Sciences， Tianjin Normal University， Tianjin 300387， China）

Abstract：Soil nematodes play an important ecological role in soil. At present， the study of soil nematodes mostly uses morphological methods， but this method has many disadvantages. In order to better study the community characteristics and diversity of soil nematodes at the molecular level， the researchers carried out molecular identification of single nematodes on soil nematodes in the desert steppe of Inner Mongolia.We compared a total of four different DNA extraction methods： kit， freeze-thaw， cutting and cutting freeze-thaw， and determined that the best DNA extraction method for soil nematodes is the cutting freeze-thaw method.At the same time， the researchers selected a total of 10 pairs of universal PCR primers for soil nematodes.After repeated verification experiments， 3 pairs of optimal primers were selected from the 10 pairs of primers （18S region primers G18SU / R18Tyl1 and 28S region primer D2A of the rDNA of the nematode， and D3B， ITS region primer TW81 / AB28 respectively）.These 3 pairs of PCR primers can achieve a high success rate of amplification， and the best universal primers for soil nematodes in the Stipa breviflora desert steppe of Inner Mongolia are： D2A / D3B（5'-ACAAGTACCGTGAGGGAAAGTTG-3'; 5'-TGCGAAGGAACCAGCTACTA-3'）. In this study， we identified the best DNA extraction method and the best universal primer for soil nematodes in the Stipa breviflora desert steppe， laying a foundation for the further study of soil nematodes at the molecular level by using high-throughput sequencing technology.

Key words： Inner Mongolia; Stipa breviflora desert steppe; soil nematode; molecular identification method

土壤線蟲是土壤動物的重要組成部分，其廣泛存在于各種土壤中，如草原、森林等[1-3]。土壤線蟲不僅能夠促進養分循環，改變土壤理化性質，還能影響地上和地下生態系統[4-6]。其具有種類豐富、繁殖周期較短、對環境變化反應敏感等特點，因此經常被用作指示生物來反映土壤受污染的程度[7]，是土壤指示生物中的典型代表[8]。在土壤線蟲的鑒定方面，目前使用最多的是依據其形態學特征的傳統鑒定方法，不過這種方法存在許多弊端，如鑒定結果不準確、鑒定速度慢等，同時也受到了經濟和時間的成本限制[9]。隨著分子生物技術的產生與發展，越來越多的學者開始采用分子方法鑒定線蟲[10-11]。

在線蟲分子鑒定方面，ITS區對于線蟲屬下種的區分與鑒定有較好的應用[12-14]，如可應用于傘滑線蟲屬、莖線蟲屬的鑒定等[15]。然而ITS序列并不能區分所有線蟲屬下物種，核糖體DNA（rDNA）中除了ITS序列，還有18S rDNA基因和28S rDNA基因中的D2A/D3B區在線蟲的分子鑒定中也具有非常重要的作用[16]。我們在形態學分類的基礎上，通過比較4種不同的DNA提取方法和篩選線蟲rDNA的ITS區、18S區、28S區通用引物，確定了短花針茅荒漠草原土壤線蟲的最佳DNA提取方法和最佳通用引物，為進一步在分子水平上研究土壤線蟲奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

樣地位于內蒙古自治區烏蘭察布市四子王旗農牧科學院長期定位試驗站（N41°47′17″，E111°53′46″），海拔高度為1 456 m，所屬氣候為溫帶大陸性氣候，平均氣溫為3.4 ℃。植被類型為典型荒漠草原，植物組成匱乏，建群種為短花針茅（Stip abreviflora），優勢種為冷蒿（Artemisia ?frigida Willd）和無芒隱子草（Cleistogenes songorica）。土壤的主要類型為棕鈣土。

1.2 土壤樣品采集和線蟲形態學鑒定

在實驗區內選擇3塊典型的短花針茅荒漠草原樣地，在每塊樣地內分別用土壤環刀采集0～5 cm、5～10 cm、10～20 cm、20～30 cm 4層土壤樣品，3次重復，為了減少土壤線蟲空間分布差異所造成的影響，每次重復對樣地內進行多點取樣，每個取樣點地上植被類型必須為典型短花針茅荒漠草原群落，取樣后將土壤裝入密封袋中，置于-20 ℃冰箱中保存備用。

收集線蟲的方法為改良的貝爾曼漏斗法，在漏斗中的鐵絲網上放入紗布包裹好的土壤，漏斗上端設置有60 W的白熾燈，下端裝有帶止水夾的乳膠管，漏斗中加入蒸餾水浸沒土壤，20 ℃室溫條件下分離，期間不斷加入蒸餾水，經過24 h后，將液體收集到離心管中，65 ℃水浴加熱30 min。將收集好的土壤線蟲置于培養皿中，于倒置顯微鏡及體式顯微鏡下，依據《中國土壤動物檢索圖鑒》、《植物線蟲分類學》觀察鑒定。通過形態學鑒定方法共鑒定出土壤線蟲共計24個屬，并以此為試驗材料進行分子鑒定方法研究。

1.3 土壤線蟲的分子鑒定方法

1.3.1 DNA提取方法 ? ?在形態學鑒定的基礎上，將形態學鑒定出來的土壤線蟲進行分類。由于土壤線蟲的體壁較厚，為其DNA的提取增加了難度。因此，如何高效地提取土壤線蟲DNA便成為實現分子鑒定的關鍵。本項研究為了獲得最佳DNA提取濃度，共設置4種DNA提取方法[17]，方法如下。

（1）試劑盒法。采用柱式抽提試劑盒直接提取線蟲DNA。

（2）凍融法。挑取傳統形態學鑒定分類的單條線蟲，用滅菌去離子水將線蟲清洗干凈，將清洗干凈的線蟲放入200 μL PCR管中，PCR管中加入8 μL去離子水，放入離心機瞬時離心5 s，取出PCR管后放入液氮中1 min，迅速轉移到80 ℃水浴鍋中2 min，重復3次，最后加入蛋白酶裂解液2 μL，56 ℃保溫1 h，95 ℃加熱10 min。

（3） 切割法。挑取傳統形態學鑒定分類的單條線蟲，用滅菌去離子水將線蟲清洗干凈，放入含8 μL滅菌去離子水的200 μL PCR管中，放入離心機瞬時離心5 s，取出后將PCR管外壁擦拭干凈，在顯微鏡下用小型解剖針將PCR管內的線蟲切開，最后加入蛋白酶裂解液2 μL，56 ℃保溫1 h，95 ℃加熱10 min。

（4）切割凍融法。挑取傳統形態學鑒定分類的單條線蟲，用滅菌去離子水將線蟲清洗干凈，放入含8 μL滅菌去離子水的200 μL PCR管中，放入離心機瞬時離心5 s，取出后將PCR管外壁擦拭干凈，在顯微鏡下用小型解剖針將PCR管內的線蟲切開，放入離心機瞬時離心5 s，取出后將PCR管放入液氮中1 min，迅速轉移到80 ℃水浴鍋中2 min，重復3次，最后加入蛋白酶裂解液2 μL，56 ℃保溫1 h，95 ℃加熱10 min。

1.3.2 引物篩選 ? ?經查閱文獻[18-27]，本研究利用線蟲核糖體DNA的ITS區、18S區、28S區具有種內高度保守、種間變化大且受環境變化影響較小的特點，在線蟲rDNA的ITS區、18S區和28S區的高保守區篩選出10對土壤線蟲通用引物，用于確定內蒙古荒漠草原土壤線蟲分子方法鑒定的最佳引物。10對通用引物序列如表1所示。

由于引物不同，選擇相應的PCR反應體系及反應條件也不同，用以下體系及反應條件為核心反應體系和模板，根據不同引物在此基礎上進行修改。

PCR擴增體系：模板DNA10 μL，10×PCR Buffer （Mg2+） 5 μL，2 μL dNTP （2.5 mmol·L-1），1 μL引物F （10μmol·L-1），1μL引物R（10μmol·L-1）;rTaq DNA 聚合酶（5U·L-1）0.4 μL;模板DNA 10 μL;無菌ddH2O 30.6 μL。

PCR反應條件：95 ℃預變性3 min;95 ℃變性40 s;55 ℃退火40 s;72 ℃ 延伸 1 min，40個循環，72 ℃保溫10 min。

應用瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產物，檢測合格后送樣測序。

通過NCBI數據庫中的BLAST工具對測序結果進行比對分析。

2 結果與分析

2.1 短花針茅荒漠草原土壤線蟲DNA提取的最佳方法

用4種不同的方法對形態學鑒定得到的24個屬的線蟲進行了DNA提取，以研究柱式抽提試劑盒、凍融法、切割法、切割凍融法對土壤線蟲DNA的提取效果，采用D2A/D3B作為通用引物進行PCR擴增，由于該引物只能擴增出24個屬中的22個，所以只能應用這對引物來擴增22個屬的DNA，來研究最佳的DNA提取方法，研究結果如下。

由圖1可見，柱式抽提試劑盒提取DNA的效率很低，對于大多數土壤線蟲屬都不能提取，用柱式抽提試劑盒只能提取出麗突屬、擬麗突屬線蟲DNA，且提取濃度和成功率都很低。對PCR產物進行測序發現，由柱式抽提試劑盒提取DNA的PCR產物測序結果會有雜帶，測序成功率低。

由圖2可知，凍融法提取DNA的效率有所提升，能提取出麗突屬、擬麗突屬、鹿角唇屬、滑刃屬、真滑刃屬線蟲的DNA，提取濃度有所升高。但是成功率依然很低，而且凍融法提取的DNA測序結果仍有雜帶，測序成功率不高。

由如圖3可見，切割法提取的DNA的效率升高，能提取出20個屬的DNA，且提取的DNA濃度很高，測序結果仍有雜帶，但測序成功率有所升高。

應用切割凍融法提取22個屬的rDNA，擴增產物電泳檢測結果如圖4所示。

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