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方法文章

使用环介导等温扩增法检测灌溉水中的Phytophthora capsici

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DOI:

10.3791/61478

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2020年6月25日

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本文内容

摘要

我们开发了一种利用滤纸DNA提取法结合环介导等温扩增(LAMP)检测技术来检测水源中Phytophthora capsici游动孢子的方法,该方法可在野外或实验室中进行分析。

摘要

Phytophthora capsici 是一种破坏性极强的卵菌病原体,可侵染多种重要的茄科和葫芦科作物,每年在蔬菜生产中造成严重的经济损失。Phytophthora capsici 通过土壤传播,因其具有长期存活的休眠结构(卵孢子和厚垣孢子),能够抵抗环境风化和降解,因此在蔬菜田中成为持续性问题。该病原菌主要通过产生游动孢子进行传播,游动孢子为单细胞、具鞭毛的孢子,可在地表或土壤孔隙积水形成的水膜中游动,并在水坑和池塘中聚集。因此,灌溉池塘可能成为病原菌的来源以及病害暴发的初始点。使用传统的基于培养的方法检测灌溉水中的 P. capsici 十分困难,因为环境中存在的其他微生物(如 Pythium 属物种)通常会过度生长并掩盖 P. capsici,导致其无法被检测。为了确定水源(灌溉水、径流水等)中是否存在 P. capsici 孢子,我们开发了一种基于手动泵的滤纸(8–10 µm)过滤方法,可有效捕获病原菌的孢子(游动孢子),随后利用一种新型环介导等温扩增(LAMP)检测技术对病原菌 DNA 进行扩增,该 LAMP 方法专为特异性扩增 P. capsici 而设计。该方法可检测低至 1.2 × 102 个游动孢子/毫升浓度的 DNA,灵敏度是传统 PCR 的 40 倍。在检测近缘物种时未出现交叉扩增。此外,LAMP 检测使用了比色型 LAMP 预混染料,结果可通过肉眼直接观察,适用于现场快速检测。本方案可进一步调整,用于检测其他通过受污染灌溉系统生存、聚集或传播的病原体。

引言

由于用水成本上升以及对水资源使用的环境问题日益关注,农场和苗圃中循环利用水的做法正变得越来越普遍。为减少植物病害的传播和发生,种植者已开发出多种灌溉方法。无论水源来自灌溉还是降水,都会产生径流,许多蔬菜和苗木种植者设有池塘来收集并循环利用这些径流1。然而,这会形成潜在病原物的蓄积库,当回收水用于作物灌溉时,反而有利于病原物的传播2,3,4。卵菌类植物病原物尤其能从这种做法中获益,因为其游动孢子会在水中聚集,而其主要的传播孢子虽具有自主运动能力,但需要依赖地表水进行扩散5,6,7。Phytophthora capsici 是一种卵菌病原物,以多种不同方式侵染多种茄科和葫芦科作物8。常见症状包括幼苗猝倒、根部和茎基腐烂;但在黄瓜、西葫芦、甜瓜、南瓜、西瓜、茄子和辣椒等作物上,果实腐烂可导致整季收成完全丧失9。尽管目前已有一些检测该植物病原物的方法,但大多数方法需在感染已发生后才能检测,此时再使用预防性杀菌剂....

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方案

1. 利用便携式环介导等温扩增技术对灌溉水中的Phytophthora capsici进行现场检测

  1. 安装泵和过滤器
    1. 将抽滤瓶连接到与手动泵相连的管路上,使得启动泵时空气能从抽滤瓶口被吸入。
    2. 将布氏漏斗插入抽滤瓶口的橡胶塞中,并将适当大小的滤纸放入布氏漏斗内,确保空气能通过滤纸。滤纸的截留粒径应为 15 µm。
      注意:滤纸必须紧贴布氏漏斗边缘,以尽量减少水从滤纸周围流过。
  2. 水样采集与过滤
    1. 从目标水源采集水样。水样中可含有少量碎屑,但不应含有大量沉积物或土壤。
    2. 在使用手动泵(或真空泵)产生负压抽吸的同时,将最多 1,000 mL(1 升) 测试水样缓慢倒入布氏漏斗中的滤纸上,速度应足够慢以防止溢出。
      注意:本方法对检测水样的最小体积无严格要求,建议至少使用 50 mL,最大体积为 1000 mL。
    3. 使用镊子将滤纸从布氏漏斗中取出,并用无菌剪刀剪成小片。将尽可能多的滤纸片(8–12 片)加入 1.5 mL 离心管中,使其完全浸没于提取缓冲液(磁珠法提取时为 400 µL)中。剩余滤纸片保留,待第一批次提取完成后继续处理。
    4. 将滤纸片与提取缓冲液在涡旋振荡器上或通过其他方式每分钟振荡 10 秒,持续 5 分钟。然后用镊子取出滤纸片,尽可能减少提取 缓冲液的损失。对剩余....

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结果

LAMP 方法的优化
本研究采用便携式环介导等温扩增(LAMP)检测方法,检测灌溉水中是否存在Phytophthora capsici。首先,通过测试不同的 LAMP 引物浓度 [F3、B3(各 0.1–0.5 µM);LF、LB(各 0.5–1.0 µM)和 FIP、BIP(各 0.8–2.4 µM)]、反应时间(30–70 分钟)以及反应温度(55–70 °C),对所建立的 LAMP 检测方法进行优化。本研究最终采用的 LAMP 引物混合物组成为:F3 和 B3 引物各 0.2 µM,Loop-F 和 Loop-B 引物各 0.8 µM,FIP 和 BIP 引物各 1.6 µM。通过便携式扩增仪(例如 Genie III)确定在无非特异性扩增的前提下反应速度最快的温度,以优化反应温度。最终确认最佳反应温度为 64 °C(数据未显示)。在 64 °C 下运行检测的最佳时间为 45 分钟,因为最低检出浓度(1.2 × 102 孢子/mL)在 40 分钟时已可扩增,而较高浓度样本在 20 分钟时即可完成扩增(图 2D.......

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讨论

对灌溉水中的植物病原体进行检测,是使用灌溉池塘和循环用水的种植者至关重要的一步27。灌溉池塘为多种植物病原体提供了储水和繁殖的场所,因为过量的灌溉水会从田间流入池塘,并携带可能存在的任何病原体16,27。传统上,在大型水源中检测植物病原体的方法是使用易感寄主组织(例如果实、叶片)作为诱饵,将其悬挂在池塘中,等待感染发生后取出果实或叶片,并通过显微镜观察或分子方法确认诊断结果13,14。这些方法存在局限性,主要体现在检测所需时间较长(2周或更久),以及对人力和设备的高需求。此外,准确的检测结果依赖于操作人员在肉眼诊断、病原体形态学和分类学方面具备丰富的经验与知识。相比之下,PCR、qPCR和DNA杂交等分子技术所需的检测时间显著缩短(3–4小时),但需要昂贵的仪器和实验室环境。此外,这些技术无法处理大量体积的水样。血清学检测方法在检测能力方面也存在不足,因其易.......

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披露

作者无任何披露内容或利益冲突。

致谢

本工作获得了佐治亚州蔬菜商品委员会项目(项目编号:FP00016659)的经费支持。作者感谢佐治亚大学的Pingsheng Ji博士和俄亥俄州立大学的Anne Dorrance博士提供Phytophthora spp. 的纯培养物。同时感谢Li Wang和Deloris Veney在本研究过程中提供的技术协助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
琼脂糖凝胶粉末Thomas ScientificC997J85
布氏漏斗Southern LabwareJBF003
子弹式混匀仪Next AdvanceBBX24
离心机 5430Eppendorf22620509
氯仿Fischer ScientificC298-500
CTAB 溶液Biosciences786-565
Dneasy 提取试剂盒Qiagen69104
抽滤瓶UnitedFHFL1000
滤纸United Scientific SuppliesFPR009
核酸染料 Gel Green 10000XThomas ScientificB003B68 (1/EA)
Genie IIIOptiGene
手动泵Thomas Scientific1163B06
异戊醇Fischer ScientificBP1150-500
LAVA LAMP 预混液Lucigen30086-1
磁珠 DNA 提取试剂GenesiggenesigEASY-EK
磁力分离架GenesiggenesigEASY-MR
聚乙烯吡咯烷酮Sigma AldrichPVP40-500G
引物Sigma Aldrich
Prism 小型离心机LabnetC1801
热循环仪 T100Bio-Rad1861096
紫外凝胶成像系统Analytik Jena849-00502-2
Warmstart 显色染料LucigenE1800m
宽型小型 ReadySub-Cell GT 电泳槽Bio-Rad1704489EDU
70% 异丙醇Fischer ScientificA451-1

参考文献

  1. Hong, C., Moorman, G. J. Plant pathogens in irrigation water: challenges and opportunities. Critical Reviews in Plant Sciences. 24 (3), 189-208 (2005).
  2. Malkawi, H. I., Mohammad, M. J.

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重印与许可

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