林惠嬌 楊華衛(wèi) 古恒森 蔣湘 張海磊 劉昱辰 周而勛
(1. 黃埔海關(guān),廣州 510730;2. 江蘇獵陣生物科技有限公司,南通 226400;3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,廣州 510642)
褐腐?。˙rown rot)是核果及仁果類水果生產(chǎn)及貯藏期重要的病害,在世界分布較為廣泛,為害果樹引起枝梢潰瘍、花葉枯萎、果實(shí)腐爛,導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p失[1-4]。褐腐病主要由子囊菌鏈核盤菌屬(Monilinia)中的3個(gè)種,即美澳型核果褐腐菌(M.fructicola)、核果褐腐菌(M. laxa)和仁果褐腐菌(M.fructigena)所引起。M. fructicola被認(rèn)為是其中最具有毀滅性的植物病原菌[5],被歐盟、非盟、智利、約旦、以色列和巴林定為檢疫性有害生物(EPPO global data base:https://gd.eppo.int/)。該菌也是我國(guó)禁止入境的植物檢疫性有害生物[6],具有重要的檢疫意義。另外兩種褐腐病菌,M. fructigena被美國(guó)、加拿大、澳大利亞、新西蘭和智利列為檢疫對(duì)象,而M. laxa則是約旦關(guān)注的檢疫對(duì)象。
褐腐病菌既能在果樹生長(zhǎng)期和果實(shí)儲(chǔ)藏期造成為害,也可在果實(shí)中潛伏侵染隨病果遠(yuǎn)距離傳播,加之其環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng),對(duì)我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)造成嚴(yán)重威脅。由于3種褐腐病菌關(guān)系相近,傳統(tǒng)依靠菌落特征、分生孢子大小、分生孢子萌發(fā)產(chǎn)生的芽管、產(chǎn)孢量等形態(tài)和生理特征進(jìn)行區(qū)分非常困難[7-9],要求鑒定者必須具備豐富的真菌分類學(xué)基礎(chǔ)與經(jīng)驗(yàn)。此外,傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法周期長(zhǎng),難以滿足口岸水果快速通關(guān)的要求,因此建立快速準(zhǔn)確的檢測(cè)方法以防止該類病原真菌的傳播尤為必要。
鑒于褐腐病菌的重大經(jīng)濟(jì)意義,許多研究者從多方面尋求更可靠的檢測(cè)方法,包括普通PCR檢測(cè)[10-18]、巢式 PCR 檢測(cè)[19]、多重 PCR 檢測(cè)[20-21]、SYBR green實(shí)時(shí)熒光PCR 檢測(cè)[22]、TaqMan實(shí)時(shí)熒光PCR檢測(cè)[23-26],以及近年發(fā)展起來的PCR高分辨率熔解分析技術(shù)(High-resolution melting,HRM)[27]和疊氮溴化丙錠(Propidium monoazide,PMA)結(jié)合qPCR檢測(cè)技術(shù)[28]。試紙檢測(cè)技術(shù)是一種基于目視判別顏色變化的可視化快速檢測(cè)技術(shù),具有直觀、快速、簡(jiǎn)便的特點(diǎn),目前已在食品檢測(cè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。迄今為止,國(guó)內(nèi)外尚未見該技術(shù)應(yīng)用于水果褐腐病菌檢測(cè)的報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)旨在根據(jù)水果上3種重要的褐腐病菌的EF-1α基因特異序列,進(jìn)行引物及探針的篩選,開發(fā)出可應(yīng)用于口岸檢疫的水果褐腐病菌快速檢測(cè)試紙。
1.1.1 主要試劑 真菌DNA提取試劑盒、檢測(cè)試紙?jiān)噭┖校ê疤幚硪?、探針稀釋液、后處理液、不?duì)稱擴(kuò)增預(yù)混液、反應(yīng)液A、反應(yīng)液B、洗液、顯色液及試紙雜交盒)購(gòu)自江蘇獵陣生物科技有限公司;硝酸纖維素膜為德國(guó)賽多利斯產(chǎn)品;普通PCR擴(kuò)增試劑(Ex Taq DNA Polymerase、Ex Taq Buffer、dNTP等)、克隆試劑盒(pMD 19-T Vector Cloning Kit)均購(gòu)自寶生物工程(大連)有限公司。
1.1.2 供試菌株及DNA 供試菌株包括了近年來黃埔口岸和珠??诎吨参餀z疫實(shí)驗(yàn)室截獲的來源于國(guó)外的7個(gè)美澳型核果褐腐病菌菌株,其他褐腐病菌購(gòu)自中國(guó)農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏管理中心(Agricultural Culture Collection of China,ACCC)、中國(guó)林業(yè)微生物菌種保藏管理中心(China Forestry Culture Collection Center,CFCC)和北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)有限公司(BeNa Culture Collection,BNCC)等國(guó)內(nèi)菌種保存機(jī)構(gòu),陰性對(duì)照菌株Botrytis cinerea、Botryotinia fuckeliana、Botryosphaeria dothidea和Pestalotiopsis neglecta為本實(shí)驗(yàn)室從進(jìn)境水果上分離的菌株。供試菌株來源、寄主等相關(guān)信息見表1。將供試菌株在PDA平板上于22℃、黑暗培養(yǎng)7-10 d,收集菌絲,用真菌DNA提取試劑盒按操作說明提取基因組DNA,-20℃保存。
表1 供試菌株信息
1.1.3 供試質(zhì)粒及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)品 陽性供試質(zhì)粒共3種,為本課題組前期構(gòu)建。從菌株M. fructicola(1-42093)、M. laxa(CFCC 80293)和M. fructigena(BNCC 116805)基因組DNA擴(kuò)增EF-1α基因部分片段,分別將擴(kuò)增到的目標(biāo)片段插入pMD19-T載體中,構(gòu)建pMD19-Mfcl、pMD19-Mlx和pMD19-Mfgn 3種重組陽性克隆。以帶有M. fructicola、M. laxa和M.fructigena目標(biāo)基因EF-1α片段的重組陽性質(zhì)粒DNA為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)品。用Nanodrop ND-2000超微量核酸蛋白測(cè)定儀(Thermo Fisher Scientific,USA)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)品DNA濃度后稀釋至10 ng/μL,-20℃保存。
1.1.4 供試引物和探針 根據(jù)3種褐腐病菌M.fructicola、M. laxa和M. fructigena的EF-1α序 列,設(shè)計(jì)了一對(duì)通用引物Mon F/Mon R、3條種特異性探針Mfcl-P、Mlx-P和Mfgn-P(圖1)。引物和探針具體序列見表2,由上海生物工程股份有限公司合成,下游引物Mon R的5'端連接生物素標(biāo)記。
圖1 本文設(shè)計(jì)的引物和探針在Monilinia spp.的EF-1α序列中的位置
表2 試驗(yàn)用引物和探針序列
1.2.1 水果褐腐病菌檢測(cè)試紙的制備 將硝酸纖維素膜用前處理液處理后,在干燥箱中80℃烘烤10 min。將各探針干粉用純水溶解稀釋到40 μmol/L,然后用探針稀釋液稀釋到4 μmol/L,用移液器將稀釋后的探針點(diǎn)在硝酸纖維素膜上,在干燥箱中60℃烘烤15 min。然后放入后處理液中浸泡10 min,取出用純水簡(jiǎn)單沖洗晾干,即為水果褐腐病菌檢測(cè)試紙(Moniliniadipstick,MON試紙)。
1.2.2 單鏈檢測(cè)靶標(biāo)的擴(kuò)增 以表1中供試菌株的基因組DNA或標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)粒DNA為模板,采用引物Mon F/ Mon R進(jìn)行不對(duì)稱PCR擴(kuò)增。反應(yīng)體系為20 μL:包括13 μL不對(duì)稱擴(kuò)增預(yù)混液、1.2 μL正向引物Mon F和2 μL反向引物Mon R、2 μL模板DNA,加雙蒸水補(bǔ)至20 μL。反應(yīng)程序?yàn)椋?4℃預(yù)變性4 min;然后以 94℃ 5 s,43℃ 1 s,68℃ 7 s進(jìn)行 40 個(gè)循環(huán);最后94℃ 5 s,63℃ 1 s,68℃ 7 s結(jié)束反應(yīng)。擴(kuò)增產(chǎn)物以1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。
1.2.3 試紙檢測(cè) 將擴(kuò)增產(chǎn)物、600 μL的反應(yīng)液A、1 μL的反應(yīng)液B混合后,與MON檢測(cè)試紙一起加入到雜交盒中,45℃振蕩雜交5 min,去雜交液后用2 mL洗液搖洗1 min(重復(fù)一次),倒去洗液后加入500 μL顯色液,避光顯色3 min,肉眼判讀結(jié)果。MON試紙檢測(cè)原理如圖2所示。
1.2.4 結(jié)果判讀 如圖3所示(示意圖中顯色點(diǎn)為軟件繪制),若顯色結(jié)果為A,則表示試驗(yàn)失敗;若顯色結(jié)果為B,則表示檢測(cè)結(jié)果為陰性,即樣品中未含有M. fructicola、M. laxa和M. fructigena中的任一菌株;若顯色結(jié)果為C,則表示樣品中含有M.laxa菌株;若顯色結(jié)果為D,則表示樣品中含有M.fructigena菌株;若顯色結(jié)果為E,則表示樣品中含有M. fructicola菌株。當(dāng)樣品中含有M. fructicola、M.laxa和M. fructigena中的2種或3種菌株,則同一張?jiān)嚰埳蠒?huì)出現(xiàn)2個(gè)以上顯色點(diǎn)。
圖2 MON試紙檢測(cè)原理示意圖
1.2.5 MON試紙的特異性檢測(cè) 以表1中M.fructicola、M. laxa和M. fructigena三種褐腐病菌菌株以及從進(jìn)境水果上分離的陰性參照菌株Botrytiscinereal、Botryotinia fuckeliana、Botryosphaeria dothidea和Pestalotiopsis neglecta的基因組DNA為模板,用上述試紙檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè),驗(yàn)證MON檢測(cè)試紙的特異性。以無菌水為空白對(duì)照,平行兩次實(shí)驗(yàn)。
1.2.6 MON試紙的靈敏度分析 分別取M.fructicola、M. laxa和M. fructigena三種褐腐病菌相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)品DNA按10倍梯度稀釋成系列濃度:100 pg/μL、10 pg/μL、1 pg/μL、100 fg/μL、10 fg/μL、1 fg/μL,各取1 μL作為模板進(jìn)行不對(duì)稱PCR擴(kuò)增,用上述試紙檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè),分析MON試紙的最低檢測(cè)濃度。以無菌水為空白對(duì)照,平行兩次實(shí)驗(yàn)。
圖3 MON試紙檢測(cè)結(jié)果判讀示意圖
1.2.7 MON試紙的多重檢測(cè)及靈敏度分析 將M.fructicola、M. laxa和M. fructigena三種褐腐病菌的標(biāo)準(zhǔn)品DNA等濃度等量混勻在單管中,按10倍梯度稀釋成系列濃度 :100 pg/μL、10 pg/μL、1 pg/μL、100 fg/μL、10 fg/μL、1 fg/μL,各取 1 μL 作為模板進(jìn)行不對(duì)稱PCR擴(kuò)增,用建立的試紙檢測(cè)方法進(jìn)行多重檢測(cè)及靈敏度分析。以無菌水為空白對(duì)照,平行兩次實(shí)驗(yàn)。
1.2.8 MON試紙穩(wěn)定性測(cè)試 將MON檢測(cè)試紙分別在4℃和37℃密封貯存,每隔30 d對(duì)不同生產(chǎn)批次、不同貯存溫度的試紙進(jìn)行檢測(cè)能力測(cè)試,評(píng)估不同批次試紙間的檢測(cè)能力有無差異以及不同貯存溫度、不同貯存期對(duì)試紙檢測(cè)能力有無影響。
不對(duì)稱PCR擴(kuò)增所得的靶標(biāo)DNA通過瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行驗(yàn)證。擴(kuò)增產(chǎn)物的電泳結(jié)果如圖4所示,PCR目標(biāo)產(chǎn)物大約為300 bp,片段長(zhǎng)度與預(yù)期相符。擴(kuò)增所用的引物Mon F/Mon R為通用引物,非目標(biāo)菌株(S11、S12、S14)DNA也可擴(kuò)增產(chǎn)生條帶。未有擴(kuò)增產(chǎn)物的泳道(S13、S15)或擴(kuò)增條帶較弱的泳道(S2)出現(xiàn)引物二聚體,考慮是不對(duì)稱PCR體系中加入過量引物進(jìn)行兩輪PCR擴(kuò)增引起。而目標(biāo)菌株DNA擴(kuò)增的產(chǎn)物條帶清晰(S1-S10),除此之外沒有明顯的非目標(biāo)擴(kuò)增條帶,說明所設(shè)計(jì)的引物以及設(shè)定的PCR反應(yīng)條件符合反應(yīng)要求。
圖4 檢測(cè)靶標(biāo)電泳圖
MON檢測(cè)試紙對(duì)M. fructicola、M. laxa和M.fructigena三種褐腐病菌特異性驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示。3種目標(biāo)褐腐病菌檢測(cè)信號(hào)點(diǎn)明晰,陽性信號(hào)明確不交叉,而非目標(biāo)菌株以及空白對(duì)照都沒有檢測(cè)到陽性信號(hào),質(zhì)控信號(hào)正常,不存在假陽性或假陰性結(jié)果。表明MON試紙能特異性檢出M. fructicola、M.laxa和M. fructigena三種褐腐病菌。
分別用MON檢測(cè)試紙對(duì)菌株M. fructicola(1-42093)、M. laxa(CFCC 80293)和M. fructigena(BNCC 116805)的EF-1α重組陽性質(zhì)粒DNA不同稀釋度模板進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在100 pg/μL、10 pg/μL、1 pg/μL、100 fg/μL、10 fg/μL 的 DNA 濃度下,3種目標(biāo)褐腐病菌都能被檢測(cè)到明確的陽性信號(hào),質(zhì)控信號(hào)正常,平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。表明MON試紙分別對(duì)3種陽性質(zhì)粒DNA的檢測(cè)靈敏度均可達(dá)到10 fg/μL。圖6展示了MON檢測(cè)試紙對(duì)最低檢測(cè)濃度10 fg/μL的標(biāo)準(zhǔn)DNA檢測(cè)結(jié)果。
圖5 水果褐腐病菌檢測(cè)試紙的特異性驗(yàn)證結(jié)果
圖6 MON試紙對(duì)3種褐腐病菌最低檢測(cè)濃度驗(yàn)證結(jié)果
MON試紙的多重檢測(cè)和靈敏度分析結(jié)果顯示:混合標(biāo)準(zhǔn)品 DNA 在 100 pg/μL、10 pg/μL、1 pg/μL、100 fg/μL、10 fg/μL濃度下均能被檢測(cè)到明顯的三重陽性信號(hào),質(zhì)控信號(hào)正常,平行實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。表明試紙對(duì)陽性標(biāo)準(zhǔn)品DNA的多重檢測(cè)靈敏度為10 fg/μL,與單重檢測(cè)靈敏度一致。圖7展示了MON檢測(cè)試紙對(duì)最低檢測(cè)濃度10 fg/μL的混合標(biāo)準(zhǔn)品DNA檢測(cè)結(jié)果。
MON試紙儲(chǔ)存溫度、儲(chǔ)存期和批間檢測(cè)結(jié)果顯示,在4℃和37℃貯存條件下,MON試紙檢測(cè)效果沒有明顯差異,而當(dāng)儲(chǔ)存時(shí)間達(dá)到90 d后,在10 fg/μL的標(biāo)準(zhǔn)品DNA濃度條件下,MON試紙依然保持著準(zhǔn)確、良好的檢測(cè)能力,不同批次試紙間的檢測(cè)能力無明顯差異。圖8展示了不同貯存溫度、不同貯存時(shí)間條件下,MON試紙對(duì)10 fg/μL濃度的標(biāo)準(zhǔn)品DNA的檢測(cè)效果。
圖7 MON試紙對(duì)3種褐腐病菌的多重檢測(cè)驗(yàn)證結(jié)果
圖8 MON檢測(cè)試紙穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果
自2005年以來,我國(guó)進(jìn)境口岸檢驗(yàn)檢疫部門連續(xù)每年都從進(jìn)境水果中多次截獲美澳型核果褐腐病菌。2011年的疫情尤為突出,僅從美國(guó)進(jìn)境水果中就檢出美澳型核果褐腐病菌50批次。由于水果褐腐病菌寄主范圍廣、傳播途徑多、對(duì)氣候條件的適應(yīng)性強(qiáng),其通過水果貿(mào)易進(jìn)行跨國(guó)異地傳播的風(fēng)險(xiǎn)極高。而隨著水果貿(mào)易對(duì)貨物通關(guān)速度的要求不斷提高,快速、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的檢測(cè)技術(shù)越來越為口岸植物檢疫所需要。
M. fructicola、M. laxa和M. fructigena作為水果褐腐病最重要的3種病原菌,其傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法是根據(jù)病菌的形態(tài)和培養(yǎng)特性進(jìn)行分類,首次分離后可能需長(zhǎng)達(dá)10 d才能完成整個(gè)鑒定流程[3,8]。近年隨著分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,大量以PCR為基礎(chǔ)的技術(shù)被應(yīng)用于水果褐腐病菌的快速檢測(cè),大大提高了鑒定的速度和準(zhǔn)確性。歐盟將常規(guī)PCR[14]和熒光PCR[24]檢測(cè)方法列入對(duì)美澳型核果褐腐病菌的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中[29]。C?té等[20]于 2004 年開發(fā)的多重PCR檢測(cè)技術(shù)也應(yīng)用較廣,但因缺乏驗(yàn)證數(shù)據(jù)而未被納入該標(biāo)準(zhǔn)。2015年,Riccioni等對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)并與常規(guī)PCR技術(shù)[14]進(jìn)行了比較發(fā)現(xiàn),多重PCR檢測(cè)靈敏度(25 pg)明顯低于常規(guī)PCR方法(0.5 pg),但也能滿足病害診斷的要求[30]。2016年,Guinet等[25]開發(fā)的多重實(shí)時(shí)熒光PCR檢測(cè)技術(shù)和Papavasileiou等[27]開發(fā)的PCR高分辨率熔解分析技術(shù),皆能同時(shí)檢測(cè)多種水果褐腐病菌。同年,Garcia-Benitez等[26]將 van Brouwershaven 等[24]開發(fā)的實(shí)時(shí)熒光PCR檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行探針熒光基團(tuán)的改進(jìn),應(yīng)用于潛伏侵染期花、果的檢測(cè)。2017年,Vilanova等[28]則在 van Brouwershaven等的技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合疊氮溴化丙錠進(jìn)行活菌的定量檢測(cè)研究。每種方法都有各自的優(yōu)越性,新技術(shù)的應(yīng)用是對(duì)PCR等常規(guī)檢測(cè)方法的豐富和發(fā)展。
在本研究之前,國(guó)內(nèi)外尚未見檢測(cè)試紙應(yīng)用于水果褐腐病菌檢測(cè)的研究報(bào)道。檢測(cè)試紙技術(shù)是將DNA雜交技術(shù)與試紙顯色技術(shù)相結(jié)合,將待測(cè)的DNA樣本經(jīng)PCR擴(kuò)增成為帶生物素標(biāo)記的單鏈DNA,再與試紙上的探針進(jìn)行雜交,結(jié)合了特異DNA樣本的探針點(diǎn)即帶有生物素類的標(biāo)記物,經(jīng)相應(yīng)的酶促顯色反應(yīng)就能顯出雜交信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)分子檢測(cè)結(jié)果的直觀、可視化處理。本研究首次嘗試使用可視化試紙對(duì)3種重要的水果褐腐病菌進(jìn)行快速檢測(cè)。選擇水果褐腐病菌的EF-1α基因作為靶基因。設(shè)計(jì)通用引物Mon F/ Mon R用于靶標(biāo)DNA的擴(kuò)增。通用引物的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了單鏈靶標(biāo)擴(kuò)增體系中的成分,避免了多重PCR擴(kuò)增過程中引物對(duì)之間相互干擾的情況,大大提高了靶標(biāo)DNA的擴(kuò)增效率。設(shè)計(jì)合成特異性探針Mfcl-P、Mlx-P和Mfgn-P,以硝酸纖維素膜為載體制備成MON檢測(cè)試紙。該試紙利用探針與模板的互補(bǔ)關(guān)系來保證檢測(cè)方法的特異性,這一過程類似熒光定量PCR方法的探針與模板的結(jié)合過程,具有高度特異性。在所有供試菌株中,能特異性檢測(cè)出目標(biāo)褐腐病菌,檢測(cè)信號(hào)點(diǎn)明晰,陽性信號(hào)明確不交叉,而非目標(biāo)菌株以及空白對(duì)照都沒有檢測(cè)到陽性信號(hào),質(zhì)控信號(hào)正常。對(duì)3種目標(biāo)菌的單重檢測(cè)和多重檢測(cè)靈敏度一致,檢出限均可達(dá)10 fg/μL。具有很高的特異性和靈敏度。
水果褐腐病菌存在復(fù)合侵染的情況,同一果實(shí)上可能同時(shí)出現(xiàn)兩種褐腐病菌[25,31]。本研究開發(fā)的MON試紙既能對(duì)未知樣品進(jìn)行水果褐腐病3種病原菌的特異檢測(cè),也夠快速診斷樣品中是否存在混合感染。整個(gè)檢測(cè)流程包括DNA提取、單鏈靶標(biāo)擴(kuò)增和試紙檢測(cè),不超過2 h。通過單張?jiān)嚰埻瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)3種病菌的多重檢測(cè),更是節(jié)約了檢測(cè)成本,提高了檢測(cè)效率,可有效降低口岸檢疫監(jiān)管和貨物通關(guān)的檢測(cè)和時(shí)間成本。與常規(guī)PCR方法相比,本研究所建立的檢測(cè)試紙方法免除電泳過程,只需根據(jù)顏色變化判定即可,具有直觀、快速、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。與同樣可直接判讀結(jié)果的熒光PCR方法相比,則無需依賴昂貴的熒光試劑和設(shè)備,具有成本低廉的優(yōu)勢(shì),便于向基層口岸推廣使用。該試紙實(shí)現(xiàn)了口岸水果褐腐病菌可視化核酸檢測(cè),在口岸檢疫具有很強(qiáng)的可操作性和適用性,為口岸水果病菌檢疫提供了一種新的思路和解決方案。
本研究基于DNA雜交和試紙顯色技術(shù),根據(jù)水果褐腐病菌的EF-1α基因設(shè)計(jì)通用擴(kuò)增引物和特異性探針,研發(fā)出水果褐腐病菌的快速檢測(cè)試紙條,可同時(shí)檢測(cè)3種水果褐腐病菌。對(duì)該試紙的特異性、靈敏度和穩(wěn)定性等參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),測(cè)試結(jié)果表明其特異強(qiáng)、靈敏度高、穩(wěn)定性好,可以作為水果進(jìn)出口口岸對(duì)該類病菌進(jìn)行檢驗(yàn)檢疫的高效方法。