CN117051145B - 基于飞行时间质谱筛查转基因玉米 - Google Patents
基于飞行时间质谱筛查转基因玉米 Download PDFInfo
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Abstract
本申请涉及基因检测技术领域,具体提供一种基于飞行时间质谱筛查转基因玉米的组合物、方法及其试剂盒。本申请基于飞行时间质谱平台,实现对转基因玉米10余个基因进行检测,具有准确性高、特异性强、灵敏性好和通量大等优势。
Description
技术领域
本申请涉及基因检测技术领域,尤其是涉及一种基于核酸质谱(飞行时间质谱)筛查转基因玉米的组合物、试剂盒及其应用。
背景技术
转基因成分筛查和分子检测目前主要采用常规PCR和实时荧光PCR(real-timequantitative PCR,qPCR)检测方法。其中,常规PCR技术特异性强、灵敏度高、自动化程度高等优点,它在转基因成分检测中应用最为广泛,但弊端是检测位点数少、测序成本高、周期偏长等。qPCR检测技术较常规PCR方法操作更为简便,但检测的基因偏少、效率偏低。目前尚没有一种兼顾经济和时间成本较低的定性筛查检测技术。
飞行时间核酸质谱(MALDI-TOF MS)技术是一种核酸质谱技术,能直接检测核酸的分子量,不依赖于免疫反应或荧光标记,可检测出延伸探针与延伸产物之间只有一个碱基的分子量差异,其检测范围在1000-10000Da。该技术对于质量的高分辨能力保证了多个差异片段检测的高度特异性,不同分子量的碱基差异可以在一个样品中被同时检测到,不必针对每个基因设计各自的方法和试剂,也可解决了多重PCR扩增效率不均导致的假阴性问题。该技术全自动高通量、准确度高、工作流程简易。
目前飞行时间质谱多应用在体外诊断、耐药和环境污染物监测等医学、食品和环境科学等领域。在转基因生物及其产品的研究方面,只有应用该技术分析蛋白质氨基酸序列,或应用于代谢组学分析等,利用核酸质谱技术直接对转基因作物外源基因的检测目前鲜有报道。有鉴于此,提出本申请。
发明内容
为解决上述技术问题,本申请首次采用了核酸质谱(优选飞行时间质谱)对转基因玉米进行检测,从而解决了检测准确性、特异性、灵敏性和通量等问题。因此,本申请至少包括如下目的:
本申请的第一个目的在于提供一种用于转基因玉米筛选的引物组。
本申请的第二个目的在于提供一种用于转基因玉米筛选的试剂盒。
本申请的第三个目的在于提供上述引物组或试剂盒在转基因玉米筛选中的应用。
本申请的第四个目的在于提供一种转基因玉米筛选方法。
具体的,本申请提供如下技术方案:
本申请首先提供一种基于核酸质谱平台的、用于转基因玉米筛选的引物组,所述引物组针对玉米的内源基因和外源基因进行检测。
进一步的,所述引物组针对如下基因:
ZEIN、pCaMV35S、pFMV35S、tNOS、NPTII、BAR、PAT、CP4-EPSPS、CTP2-CP4-EPSPS和CryIA(b)。
进一步的,所述引物组包括20条扩增引物,所述引物序列如SEQ ID NO.1-20所示,或或与SEQ ID NO.1-20同源性大于95%。。
进一步的,所述引物组还包括10条UEP延伸引物,所述引物序列如SEQ ID NO.21-30所示,或与SEQ ID NO.21-30同源性大于95%。
进一步的,上述所述核酸质谱为飞行时间质谱。
本申请还提供一种用于转基因玉米筛查的组合物,所述组合物包含上述任一所述的引物组。
本申请还提供一种用于转基因玉米筛查的产品,所述产品包含上述任一所述的引物组。
进一步的,所述产品为试剂盒形式;
更进一步的,所述试剂盒还包括用于核酸质谱检测的常规试剂组分。
本申请还提供上述任一所述的引物组在制备转基因玉米筛查试剂盒中的应用。
本申请还提供上述任一所述的引物组在转基因玉米筛查中的应用。
本申请还提供一种转基因玉米筛查方法,所述方法包括利用上述任一引物组进行扩增的步骤,以及基于飞行时间质谱进行检测的步骤。
进一步优选的,所述扩增退火温度为60℃。
相比于现有技术,本申请具有如下技术优势:
1)本申请首次使用核酸质谱技术建立转基因玉米的一次性快速筛查技术。
2)本申请通过大量实验优化和筛选最终确立的扩增和延伸引物体系,具有检测灵敏度高、特异性强、结果准确和受多重体系影响小等优势。另外,本申请延伸引物强化了特异性,无需荧光标记,不受仪器通量的限制,普通page级别纯化即可满足实验要求。
3)本申请单管同时检测10种基因元件,并根据结果针对性的选择后续品系鉴定的反应体系,具有检测快、通量高、节省样本和节省初筛时间等优势。
4)本申请在单碱基差异水平上分析多重PCR中具体哪些基因元件发生扩增。
5)本申请可根据延伸引物的消耗程度判断延伸反应的进行程度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本申请的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 tNOS反向扩增引物优化效果比较;
图2内源ZEIN基因UEP延伸引物优化效果比较;
图3 NPTII基因UEP延伸引物优化效果比较;
图4不同退火温度下扩增效果比较;
图5 BAR基因时间飞行质谱检测结果;
图6 pCaMV35S基因时间飞行质谱检测结果;
图7 tNOS基因时间飞行质谱检测结果;
图8 ZEIN基因时间飞行质谱检测结果;
图9 NPTII基因时间飞行质谱检测结果;
图10 CP4-EPSPS基因时间飞行质谱检测结果;
图11 pFMV35S基因时间飞行质谱检测结果;
图12 CryIA(b)基因时间飞行质谱检测结果;
图13 CTP2-CP4-EPSPS基因时间飞行质谱检测结果;
图14 PAT基因时间飞行质谱检测结果;
图15转基因大豆BPS-CV-127-9品系时间飞行质谱检测结果;
图16 ZEIN基因(核酸浓度为10copies/reaction)时间飞行质谱检测结果;
图17 ZEIN基因(核酸浓度为20copies/reaction)时间飞行质谱检测结果;
图18转基因玉米Bt176品系时间飞行质谱检测结果;
图19多元重组转基因水稻样品时间飞行质谱检测结果;
图20转基因玉米MON863品系时间飞行质谱检测结果;
图21转基因玉米59122品系时间飞行质谱检测结果;
图22转基因玉米GA21品系时间飞行质谱检测结果;
图23转基因玉米MON87460品系时间飞行质谱检测结果;
图24转基因玉米MON810品系时间飞行质谱检测结果;
图25转基因油菜RT73品系时间飞行质谱检测结果;
图26转基因大豆MON87705品系时间飞行质谱检测结果;
图27转基因大豆GTS40-3-2品系时间飞行质谱检测结果;
图28转基因油菜OXY-235品系时间飞行质谱检测结果。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的实施方案进行详细描述,但是本领域技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本申请,而不应视为限制本申请的范围,并且所述实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
部分术语定义
除非在下文中另有定义,本申请具体实施方式中所用的所有技术术语和科学术语的含义意图与本领域技术人员通常所理解的相同。虽然相信以下术语对于本领域技术人员很好理解,但仍然阐述以下定义以更好地解释本申请。
如本申请中所使用,术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”或“涉及”为包含性的(inclusive)或开放式的,且不排除其它未列举的元素或方法步骤。
术语“由…组成”被认为是术语“包含”的优选实施方案。如果在下文中某一组被定义为包含至少一定数目的实施方案,这也应被理解为揭示了一个优选地仅由这些实施方案组成的组。
在提及单数形式名词时使用的不定冠词或定冠词例如“一个”或“一种”,“所述”,包括该名词的复数形式。
本申请中的术语“大约”表示本领域技术人员能够理解的仍可保证论及特征的技术效果的准确度区间。该术语通常表示偏离指示数值的±10%,优选±5%。
此外,说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三、(a)、(b)、(c)以及诸如此类,是用于区分相似的元素,不是描述顺序或时间次序必须的。应理解,如此应用的术语在适当的环境下可互换,并且本申请描述的实施方案能以不同于本申请描述或举例说明的其它顺序实施。
本申请的基于核酸质谱的、用于转基因玉米筛查的引物组,其是针对玉米的内源和外源基因同时进行检测,具体针对如下基因:ZEIN、pCaMV35S、pFMV35S、tNOS、NPTII、BAR、PAT、CP4-EPSPS、CTP2-CP4-EPSPS和CryIA(b)。
在一些实施方式中,所述引物组包括20条扩增引物,优选的,扩增引物具体序列如SEQ ID NO.1-20所示,或与SEQ ID NO.1-20同源性大于95%。。
在一些实施方式中,所述引物组还包括10条UEP延伸引物,优选的,延伸引物具体序列如SEQ ID NO.21-30所示,或与SEQ ID NO.21-30同源性大于95%。。
本申请的用于转基因玉米筛查的组合物,包含上述任一所述的引物组。
本申请的用于转基因玉米筛查的产品,包含上述任一所述的引物组。
在一些实施方式中,所述产品是试剂盒形式。
在一些实施方式中,试剂盒中还包括用于核酸质谱检测的常规试剂组分;在一些优选的实施方式中,所述核酸质谱为飞行时间质谱;在一些更优选的实施方式中,所述飞行时间质谱是DP-TOF飞行时间核酸质谱。
本申请的转基因玉米筛查方法,包括利用上述任一引物组或组合物或试剂盒对样本进行扩增的步骤,以及基于核酸质谱进行检测的步骤。
下面结合具体实施例来阐述本申请。
实施例1、筛查基因的选择优化
本申请前期是根据ISAAA(International Service for the Acquisition ofAgri-biotech Applications)公布的信息,通过统计与分析发现:在244种全球商业化转基因玉米品系中,有236种品系含pCaMV35S、pFMV35S、tNOS、NPTII、BAR、PAT、CP4-EPSPS、CTP2-CP4-EPSPS和CryIA(b)外源基因中的一种或多种,因此选择上述外源基因用于转基因的筛查,统计显示该筛查可覆盖约97%的转基因玉米品系,在实际筛查转基因玉米的检测中,能够具有统计意义。
另外,在内源基因选择上,通过上述统计,全球商业化转基因玉米品系共244种,全部转基因玉米品系含有ZEIN、Hmg、adh1、zSSIIb等内源基因。在实施设计之初,本申请准备这4种玉米内源基因Hmg、adh1、zSSIIb和ZEIN作为备选材料。在同实验条件下进行比对和筛选,考虑因素包括扩增效率相对较高、多重扩增相互抑制更低、稳定性更强等。实验发现,Hmg、adh1和zSSIIb基因会出现了稳定性不佳、特异性不强或者MASS峰与其他基因接近等问题,本申请最终选择ZEIN作为本申请的玉米内源基因。
综上,确定筛查基因为ZEIN、pCaMV35S、pFMV35S、tNOS、NPTII、BAR、PAT、CP4-EPSPS、CTP2-CP4-EPSPS和CryIA(b),共计10种。
实施例2、引物设计和序列优化
针对确定的基因,本申请初步设计Massarray引物序列,随后进行序列优化和序列调整,从而建立本申请体系。篇幅原因,仅提供部分优化例。
1)多重扩增体系优化:pCaMV35S扩增引物优化
本申请作为10重扩增体系,需考虑引物间兼容性。实际优化中,本申请通过初步设计引物序列对上述多个基因分别进行预扩增试验,在多个不同基因的多重预扩增过程中发现,针对pCaMV35S的扩增普遍存在效率低下问题,原始设计的引物对容易受到体系中其他引物对的影响,需要对该引物进行靶向区域调整和引物序列的重设计,具体调整前后的引物序列如下表1。
表1 pCaMV35S引物序列优化
正向引物序列 | 反向引物序列 | |
优化前 | ACGTTGGATGCGACAGTGGTCCCAAAGA | ACGTTGGATGAAGACGTGGTTGGAACGTCTTC |
优化后 | ACGTTGGATGTGCTTTGAAGACGTGGTTGG | ACGTTGGATGCGACAGTGGTCCCAAAGATG |
经调整后的扩增引物序列在多重体系中满足扩增有效性,解决了扩增兼容性问题。
2)二聚体优化:tNOS反向扩增引物优化
试验中发现tNOS反向扩增引物易出现引物二聚体,发夹结构明显,而且扩增效率低下。对此,本申请通过序列调整优化进而解决该问题(参见图1),具体优化前后序列如表2所示。
表2 tNOS扩增引物序列优化
tNOS反向引物序列 | |
优化前 | ACGTTGGATGATTGCGGGACTCTAATCATA |
优化后 | GGCGCACGCCATTGCGGGACTCTAATCATA |
3)特异性优化:内源ZEIN基因UEP延伸引物序列优化
UEP延伸引物影响延伸效率,进而影响检测灵敏度和特异性。本申请对多重扩增体系中的每个UEP延伸引物也都进行了优化和改良,通过比较优化前后的UEP延伸效率进行对比筛选。
针对ZEIN基因前期设计多组扩增引物。经测试,引物组合1中UEP引物最后4个碱基“GGTC”容易和NPTII基因的引物中的碱基“GACC”发生反向互补配对,使得这两个基因非特异性不强,结果不理想。通过优化,引物组合2避免了不同基因引物之间的错配,且能够保证ZEIN基因原有MASS值不变,不与其他基因的峰产生交叉重叠,结果理想(见图2),优化前后的引物序列如下表3所示。
表3 ZEIN基因引物序列引物优化
4)延伸效率优化:NPTII基因UEP延伸引物序列优化
针对NPTII基因的延伸引物,通过扩增引物序列优化,确定了多重体系中NPTII基因的扩增引物对序列如下:上游F:ACGTTGGATGTCCAGATCATCCTGATCGAC,下游R-ACGTTGGATGATTCGACCACCAAGCGAAAC,初步设计延伸引物序列为:ACGTTGGATGGGATCTCCTGTCATCT,但测试发现,该引物体系针对NPTII基因延伸效率差,重新设计延伸引物,序列为上游F:5'-GTTCTGATCACAAGACCGGCTT-3',经样本检测发现,重新设计的UEP延伸引物延伸效率明显提高,具体结果如图3所示,图3是UEP调整前后的聚类图(横纵坐标代表UEP引物转化效率百分比),可以看出,优化延伸效率远高于原UEP引物。
综合上述系列优化实验,本申请最终确立的检测引物体系如表4所示:
表4本申请最终引物体系
实施例3、检测体系的优化
本申请在确立本申请引物体系后,进一步对体系进行了适度优化,以退火温度为例,本实施例设计了55℃-62℃的梯度退火温度,探索最优多重PCR扩增反应条件,结果如图4,引物体系在60℃退火温度条件下,延伸产物MASS峰更高,扩增效率也相对更好。
实施例4、本申请检测方法的确立
基于上述实施例1-3,最终确立本申请的方法体体系如下:
1、DNA的提取
提取检测样本的基因组DNA,制得DNA溶液。
植物基因组DNA的提取具体操作如下:
a)称取0.2g样品于2.0mL离心管中,加入1mLCTAB裂解液和2μL 10g/mLRN A酶溶液,振荡混匀,在水浴锅中65℃温育30min,期间颠倒混2次~3次。
b)12000g离心10min,转移上清液至另一干净的2mL离心管中。
c)加入与上清液等体积的三氯甲烷,颠倒混匀后,12000g离心10min,取上清液到另一2mL离心管。
d)加入2倍体积的CTAB沉淀液,颠倒混匀后,室温静置30min,12000g离心10min,去上清液。
e)向沉淀中加入500μL氯化钠溶液以溶解沉淀。
f)加2μL RNase A,37℃温育30min。
g)加入等体积的三氯甲烷,颠倒混匀后,12000g离心10min,取上清液到另一1.5mL离心管。
h)加入0.7倍体积4℃预冷的异丙醇,颠倒混匀后,于4℃静置30min,12000g离心10min,去上清液。
i)加入500μL4℃预冷的70%乙醇,轻轻转动离心管2次~3次,12000g离心10min,小心去除上清液,并在室温或在真空干燥系统中干燥。
j)加入50μL TE缓冲液溶解DNA,置4℃冰箱中保存备用。
2、扩增引物和延伸引物
根据实施例1确立的引物序列进行合成,备用。
3、PCR-TOF MS技术的建立
(1)多重PCR扩增:按下表5比例取出各组分,进行多重PCR扩增反应液的配制,按照表6的反应程序进行PCR扩增。
表5多重PCR扩增反应体系:
表6 PCR扩增反应热循环程序:
(2)SAP消化:按下表7比例取出各组分,进行SAP消化反应液的配制,按照表8的反应程序进行SAP消化反应。
表7 SAP消化反应体系
表8 SAP消化反应程序
(3)单碱基延伸反应:按下表9比例取出各组分,进行延伸反应液的配制,按照下表19的反应程序进行延伸反应。
表9延伸反应体系
表10延伸反应程序
(4)转板:将经过单碱基延伸反应后的产物转移至对应的384微孔板中。
(5)上机运行:将384微孔板放入DP-TOF飞行时间核酸质谱仪中,仪器将自动进行树脂脱盐纯化、点样、质谱飞行。飞行结束后,使用Typer 4.0软件对不同延伸产物的分子量差异进行分析。
(6)结果判定:查看延伸产物MASS值,当其在靶标对应延伸产物MASS值位置出现延伸产物峰,即可判定为检出该靶标,反之则未检出该靶标。
实施例5、检测体系性能验证
本实施例的体系验证包括了稳定性、特异性、灵敏度、检测限和准确性,以表明本发明体系的技术优势,具体地:
1、稳定性验证
以1ng/μL质粒样品作为模板DNA的工作质量浓度,再按照上述反应流程和要求配制反应体系并进行时间飞行质谱实验,实验设置3个平行。验证本标准中所用的内参基因和外源基因的引物探针的扩增稳定性。
结果表明,在3次平行实验中,靶基因对应位置均出现延伸产物峰(图5-图14)。证明本标准中所用的内参基因和外源基因的引物探针的扩增稳定性良好,并且该阳性质粒样品稳定可用。
2、特异性验证
选用非转基因土豆、非转基因油菜、非转基因大豆、非转基因棉花、非转基因水稻、转基因大豆DP356043、转基因大豆DP305423、转基因大豆MON87701、转基因大豆MON87751、转基因大豆MON87708、转基因大豆BPS-CV127-9、转基因棉花GHB811和转基因油菜73496等13种不含靶基因植物产品作为实验材料。以这13种供试材料的基因组DNA为模板配制反应体系,并进行时间飞行质谱实验。每个样本设置3个平行,以混合质粒样品作为阳性对照。
结果表明,以上所述实验材料在靶基因对应位置均不出现延伸峰(转基因大豆BPS-CV127-9见图15),证明该方法具有良好的特异性。
3、灵敏度和检测限实验
利用质粒样品对进行灵敏度实验。用Nanodrop 2000c进行浓度检测,分别将含有不同靶基因的各质粒样品进行7个梯度的浓度稀释,分别稀释至100、50、25、12.5、10、5、2copies/μL,在上样量为2μL的情况下,分别对应终浓度为200、100、50、25、20、10、4copies/reaction。将以上梯度稀释组的样品作为模板,进行飞行时间核酸质谱检测,每个浓度梯度组包含3个平行,评估每个梯度的靶基因检岀情况。
取上一步检测下限的质粒样品进行验证。设置10个平行,计算阳性检出率,测定检测限。
10个靶基因的检测限均在20~25copies/reaction。结果如图16和17所示,图16没有出现任何靶基因对应的延伸产物峰,仅显示10条引物峰,表明未检测到任何靶基因。图17出现内源基因ZEIN对应的延伸产物峰,其引物峰消失,仅显示剩余9个靶基因的引物峰,表明检测到内源基因ZEIN。由图16、17可以看出,ZEIN基因检测灵敏度为20copies/reaction。在10次平行实验中,均在靶基因对应位置出现延伸峰,阳性检出率为100%。这说明本方法可以对最低浓度为20copies/reaction的靶基因进行稳定检测。
4、准确性验证
选用非转基因玉米、转基因玉米MON863、转基因玉米MZHG0JG、转基因玉米Bt11、转基因玉米Bt176、转基因玉米59122、转基因玉米GA21、转基因玉米MON87460、转基因玉米MON88017、转基因玉米MON810、转基因油菜RT73、转基因大豆MON87705、转基因大豆GTS40-3-2、转基因油菜OXY-235和多元重组水稻样品等15种含有一个或多个靶基因的实验材料。以这15种样品基因组DNA为模板配制反应体系,并进行时间飞行质谱实验,每个样本设置3个平行。同时利用QuantStudio 5实时荧光PCR仪采用“金标准”单一的qPCR方法对上述实验材料所含有的靶基因进行检测,并与时间飞行质谱检测结果进行比较,进行准确性验证。
结果如图18-图28所示,该方法与实时荧光PCR方法结果完全一致,检测到以上所述实验材料所含的全部靶基因,且没有其他位置延伸峰出现,准确性实验的符合率为100%(见表11)。
表11准确性验证材料所含靶基因
由此可见,本申请的方法体系无论在稳定性、特异性、灵敏度以及准确性方面都具备着显著技术优势,明显优于市面上同类产品。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明,但本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种基于核酸质谱的用于转基因玉米筛查的引物组,其特征在于,所述引物组针对如下基因:ZEIN、pCaMV35S、pFMV35S、tNOS、NPTII、BAR、PAT、CP4-EPSPS、CTP2-CP4-EPSPS和CryIA(b);所述引物组由20条扩增引物和10条UEP延伸引物组成,所述扩增引物序列如SEQID NO.1-20所示;所述UEP延伸引物序列如SEQ ID NO.21-30所示:
。
2.一种用于转基因玉米筛查的产品,其特征在于,所述产品包含权利要求1所述的引物组。
3.根据权利要求2所述的产品,其特征在于,所述产品为试剂盒形式;所述试剂盒中还包括用于核酸质谱检测的常规试剂组分。
4.权利要求1所述的引物组在制备转基因玉米筛查试剂盒中的应用。
5.权利要求1所述的引物组在转基因玉米筛查中的应用。
6.一种转基因玉米筛查方法,其特征在于,所述方法包括利用权利要求1引物组进行扩增的步骤,以及基于核酸质谱进行检测的步骤。
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