DE4127862A1 - Oligonukleotid-sequenzen als primer zur differenzierung aggressiver und nicht-aggressiver pathotypen von phoma lingam und ein verfahren zur differenzierung - Google Patents

Oligonukleotid-sequenzen als primer zur differenzierung aggressiver und nicht-aggressiver pathotypen von phoma lingam und ein verfahren zur differenzierung

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Description

Die Erfindung betrifft synthetische Oligonukleotid-Sequenzen als Primer zur eindeutigen Differenzierung aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen von Phoma lingam (leptosphaeria maculans) sowie ein Verfahren zur Differenzierung.
Phoma lingam, dessen sexuelle Form zu den Ascomyceten gehört und als Leptospharia maculans bezeichnet wird, ist ein phatogener Pilz, der viele Kreuzblütler befällt und besonders beim Raps (Brassica napus var. oleifera) große Schäden verursacht. Phoma lingam kann viele Organe der Pflanze während mehrerer Monate der Anbauperiode infizieren. Frühe Symptome bei Winterraps sind Blattflecken im Herbst und Frühjahr. Diese Flecken geben Anlaß zu systemischen Infektionen, die sich im Sproß- und Hypocotylbereich dramatisch auswirken und zum Tod der Pflanze führen (Schwarzbeinigkeit, Umfallkrankheit).
Es sind bereits Verfahren zur Unterscheidung aggressiver und nicht-aggressiver Isolate von Phoma lingam bekannt, die in der Bonitur der Symptome auf diversen Rapssorten besteht. Dabei können generell zwei Pathotyp-Gruppen unterschieden werden, die als virulent und avirulent (Gabrielson, R. L., 1983, Seed Sci & Technol. 11, 749-780.) bzw. aggressiv und nicht-aggressiv (Badaway et al., 1989, J. Phytopathology 127, 146-157) bezeichnet werden. Im Gegensatz zu den aggressiven infizierten nicht-aggressive Pathotypen nur die Blätter und werden nicht systemisch. Zusätzlich können die aggressiven Isolate mit Hilfe differentialdiagnostischer Ansätze auf verschiedenen Raps-Genotypen in vier verschiedene Pathotypen eingeteilt werden (Badawy et al. 1991. J. Phytopathology 131, 109-119.).
Diese Verfahren sind sicher, erfordern aber wegen der schlecht quantifizierbaren Bonitur-Kriterien erheblich Erfahrung des ausführenden Personals und sind im übrigen außerordentlich aufwendig und langsam, da für das vorliegende Problem das Auftreten systemischer Infektionen abgewartet werden muß. Hierfür müssen im allgemeinen 1-2 Monate veranschlagt werden. Außerdem beeinflussen klimatische Bedingungen das Untersuchungsergebnis. Schon frühzeitig wurde daher nach Alternativen gesucht. Es gibt eine gewisse aber nicht sehr sichere Korrelation zwischen der Aggressivität und der Bildung des Toxins Sirodesmin PL (Koch et al. 1989. J. Phytopathology 124, 52-62).
Außerdem ist die Bildung von Sirodesmin stark von den Wachstumsbedingungen abhängig und erst nach mehrwöchiger Kultur meßbar. Es ist ferner bekannt, daß die Unterscheidung von Phoma lingam auch auf molekularer Basis möglich ist. Prinzipiell ist es möglich, aggressive und nicht-aggressive Isolate anhand ihrer Karyotyps zu unterscheiden. Dazu werden die Pilze protoplastiert, in ein Agarosegel eingebettet, lysiert und die freiwerdenden Chromosomen in Pulsfeldgelen elektrophoretisch getrennt (Taylor et al. 1991, Curr. Genet. 19, 273-277). In der Praxis ist dieses Verfahren weitgehend unbrauchbar, da es bei der Protoplastierung erheblichen Entwicklungsaufwand für jedes neue Isolat erfordert und es außerdem einen Zeitaufwand von etwa drei Wochen bedarf. Ein weiter bekanntes Verfahren basiert auf der Unterscheidung der Isolate durch die RFLP-Analyse (RestriktionsFragmentLängenPolymorphismus) (Hassan et al. 1991, J. Phytopathology 131, 120-136; Johnson et al. 1991, Physiological and Molecular Pathology 37, 417-424). Dieses Verfahren ist zuverlässig, aber ebenfalls mit 10 Tagen für die Durchführung zu aufwendig. Außerdem erfordert dieses Verfahren das Arbeiten mit radioaktiven Proben, was im Hinblick auf die Entsorgung wenig zweckmäßig ist.
Es sind Primer mit Kettenlängen zwischen 20 und 30 Nukleotiden bekannt (Saiki (1989), in PCR Technology, H. A. Ehrlich, pp. 7-16, Stockton Press, N. Y.). Solche Primer sind für schnelle, voraussetzungsfreie Differenzierungsverfahren prinzipiell ungeeignet.
Für den effizienten Pflanzenschutz im Rapsanbau ist es von eminenter Bedeutung, den Befall mit aggressiven Stämmen möglichst frühzeitig von der wesentlichen harmloseren Infektion mit nicht-aggressiven Pilzen zu unterscheiden.
Kriterien für ein brauchbares Verfahren müssen dabei insbesondere kleiner experimenteller Aufwand, geringer Zeitbedarf und hohe Sicherheit der Analyse sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Oligonukleotidsequenzen als Primer für ein Verfahren zur eindeutigen Differenzierung aggressiver und nicht aggressiver Pathotypen von Phoma lingam bereitzustellen sowie ein Verfahren bereitzustellen, das ebenso sicher wie die RFLP-Analyse arbeitet, aber schneller, mit weniger Aufwand und ohne radioaktive Isotopen zum Ziel führt.
Es wurde nun gefunden, daß auf Basis der Polymerase-Kettenreaktion mit synthetischen Primern, die aus sehr kurzen synthetischen Oligonukleotiden mit einer Kettenlänge zwischen 8 und 11 Nukleotiden, vorzugsweise 9 und 10 Nukleotiden bestehen, eine Untersuchung aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen von Phoma lingam bereits in sehr frühen Stadien des Befalls möglich ist. Das Differenzierungsverfahren mit diesen Primern arbeitet gleichermaßen sicher wie die RFLP-Analyse, führt aber schneller, mit weniger Aufwand und ohne radioaktive Isotopen zum Ziel.
Eine Differenzierung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Primer, ist innerhalb von drei Tagen möglich.
Die eindeutige Differenzierung aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen von Phoma lingam (leptosphaeria maculans) gelingt mit den folgenden Oligonukleotid-Sequenzen als Primer:
  • 1. 5′-ACGGTCTTGG-3′
  • 2. 5′-GAAACAGCGG-3′
  • 3. 5′-GGAGCCCAC-3′
Diese drei Primer ergeben jeweils typische Banden für die aggressive und nicht-aggressive Pathotyp-Gruppe.
Die Polymerase-Kettenreaktion verläuft nach dem Prinzip, daß synthetische Oligonukleotide als Primer an einzelsträngige DNA-Moleküle gebunden werden und so die Startpunkte für die Vervollständigung der Ketten zu einem doppelsträngigen DNA-Molekül bilden.
Durch die Verwendung von thermostabiler DNA-Polymerase kann die Reaktion nahezu beliebig oft wiederholt werden, so daß die gewünschte DNA um ein Vielfaches ampliziert werden kann.
Im ersten Schritt der Reaktion wird die chromosomale Pilz-DNA durch Erhitzen denaturiert, anschließend werden bei niedriger Temperatur die Primer gebunden. Schließlich werden mit Hilfe der thermostabilen DNA-Polymerase Desoxynukleotide an die Primer synthetisiert, so daß eine Verdopplung der Pilz-DNA stattfindet. Durch vielfache Wiederholung dieses Prozesses wird spezifisch solche Pilz-DNA ampliziert, die von zwei gegenläufig gerichteten Primern flankiert wird.
Während in der Regel mit Primern von Kettenlängen zwischen 20 und 30 Nukleotiden gearbeitet wird (Saiki 1989), die exakt auf die Vorlagen-DNA passen müssen und somit detaillierte Sequenzinformationen des zu amplizierenden DNA-Abschnitts voraussetzen, werden bei der vorliegenden Erfindung kurze Oligonukleotide mit einer Kettenlänge zwischen 8 und 11 Nukleotiden, vorzugsweise neun oder zehn Nukleotiden eingesetzt, die eine primär zufallsmäßig entworfene Sequenz besitzen. Diese Zufallsprimer ergeben in der Polymerase-Kettenreaktion reproduzierbar eindeutig definierte Fragmente, ohne daß es irgendwelcher Sequenzinformationen über Phoma lingam (Leptosphaeria maculans) bedarf. Die Anwendung ist daher völlig voraussetzungsfrei möglich und ist lediglich von der Verwendung der richtigen, für den Verwendungszweck geeigneten Primer und von den ermittelten optimalen Reaktionsbedingungen abhängig. Die konventionellen Primer mit Kettenlängen von 20-30 Nukleotiden sind aus diesen Gründen für die voraussetzungsfreie und schnelle Differenzierung von Pathotypen ungeeignet.
Im Durchschnitt ergeben solche kurzen Oligonukleotid-Primer fünf bis acht verschiedene Fragmente mit Pilz-DNA als Vorlage. Bestimmte Primer erlauben die eindeutige Differenzierung verschiedener Pilz-Pathotypen, da sich diese durch ihre charakteristischen Bandenmuster in der Elektrophorese unterscheiden.
Die eindeutige Differenzierung aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen von Phoma lingam kann mit einem Verfahren durchgeführt werden, bei dem man aus Phoma lingam isolierte DNA mit Primern der Oligonukleotid-Sequenzen
5′-ACGGTCTTGG-3′,
5′-GAAACAGCGG-3′ oder
5′-GGAGCCCAC-3′,
unter den unten beschriebenen Bedingungen, bei einem Temperaturprofil von
20 Sekunden bei 93°C
60 Sekunden bei 32°C
20 Sekunden bei 72°C
reagieren läßt und das so erhaltene Reaktionsprodukt nach gängigen Elektrophoreseverfahren auftrennt.
Beschreibung der Abbildungen
In Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 bedeuten:
Spur 1-6 und 18 = aggressive Pathotypen von Phoma lingam
Spur 7-17 = nicht-aggressive Pathotypen von Phoma lingam
M 1, M 2 = Molekulargewichtsstandards
bp = Basenpaare
Zum besseren Verständnis der dieser Erfindung zugrundeliegenden Ausführungsbeispiele wird vorab eine Aufstellung aller für diese Versuche notwendigen und an sich bekannten Verfahren gegeben.
1. Oligonukleotide
Die als Zufallsprimer verwendeten Oligonukleotide wurden mit einem Synthese-Automaten mit Hilfe der üblichen Phsophoamidit-Derivate der benötigten Nukleotide hergestellt (Beaucage und Caruthers, 1981, Tetrahedron Lett., 22, 1959)
2. Isolierung von Phoma lingam
Phoma lingam Isolate wurden auf festem Medium angezogen, das 20% (V/V) Gemüsesaft, 3 g/l Calciumcarbonat und 12 g/l Agar enthielt. Die optimale Wachstumstemperatur betrug 20°C. Für Flüssigkulturen wurde YMPG-Medium verwendet, das pro Liter 3 g Hefeextrakt, 3 g Malzextrakt, 5 g Pepton und 10 g Glucose enthielt. Alle Medien wurden durch Autoklavieren bei 121°C für 20 Minuten sterilisiert. Die Flüssigkulturen wurden in 100 ml Erlenmeyer-Kolben mit 20 ml Medium mit Myzelstückchen beimpft und bei 20°C und 120 Schüttelbewegungen pro Minute angezogen.
Das Myzel wurde direkt für die verschiedenen DNA-Präparationen eingesetzt.
3. DNA-Präparationen
Nachfolgend werden drei mögliche Methoden zur DNA-Präparation aus Phoma lingam beschrieben:
  • a) Nach Filtration durch einen Büchner-Trichter wurde das Myzel zweimal mit eiskaltem 10 mM Tris/HCl (pH 8,0), 10 mM Natriumchlorid, 1 mM EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) gewaschen und mit Hilfe eines Ultraturrex-Mixers in flüssigem Stickstoff aufgeschlossen. Das entstehende Pulver wurde mehrere Stunden in 10 ml Puffer, enthaltend 0,15 M EDTA, 0,05 M Tris/HCl (pH 8,0), 0,02 M Natriumchlorid, 1% Natriumdodecylsulfat und 100 µg/ml Proteinase K, bei 37°C inkubiert. Die Lösung wurde anschließend mit festem Kochsalz auf eine Konzentration von 1 Mol/l eingestellt, für 30 Minuten auf Eis gehalten und für 10 Minuten bei 4°C und 5000 g abzentrifugiert. Der Überstand wurde mit Polyethylenglykol 6000 auf 10% eingestellt und erneut für eine Stunde auf Eis gehalten. Nach Abzentrifugieren bei 4°C und ca. 10 000 g befand sich die DNA im Niederschlag. Dieser wurde in 10 ml Tris-Puffer (1% iso-Octylphenoxypolyethoxyethanol 25 mM Tris/HCl (pH 8,0), 5 mM EDTA und 10 mM Natriumchlorid) aufgenommen, mit 9,5 g g Cäsiumchlorid und 1,5 mg Ethidiumbromid versetzt und für 20 Stunden in einem Vertikalrotor bei 20°C und 40 000 rpm zentrifugiert. Die DNA-Bande wurde unter Beleuchtung mit langwelligem UV-Licht mit einer Kanüle abgezogen, durch mehrmaliges Ausschütteln mit Natriumchlorid gesättigtem Isopropanol vom Ethidiumbromid befreit und schließlich dreimal gegen Tris-Puffer (10 mM Tris/HCl (pH 8,0), 0,1 mM EDTA) dialysiert.
  • b) Das Myzel (ca. 100 mg) wurde im Mörser unter flüssigem Stickstoff homogenisiert und in einer Lösung, die 1% Natriumdodecylsulfat und 10 mM EDTA enthielt, zu einem Volumen von 1,2 ml aufgenommen. Nach Zugabe von 70 mg Natriumchlorid wurde die Lösung 30 Minuten auf Eis gehalten und 10 Minuten in einer Mikrozentrifuge abzentrifugiert. 1 ml vom Überstand wurde in ein Reaktionsgefäß überführt. Die DNA wurde nach Zugabe von 100 mg Polyethylenglykol 6000 und Inkubation für eine Stunde auf Eis gefällt. Die DNA wurde 10 Minuten in einer Mikrozentrifuge abzentrifugiert, der Überstand verworfen und der Niederschlag in 90 µl TE-Puffer (0,1 mM EDTA, 10 mM Tris/HCl, pH 0,8) aufgenommen, auf 0,4 M Lithiumchlorid eingestellt und mit 100 µl Isopropanol versetzt. Nach 30 Minuten auf Eis wurde die DNA für 10 Minuten abzentrifugiert, zweimal mit 1 ml eiskaltem 70%igem Ethanol gewaschen, im Wasserstrahlpumpenvakuum getrocknet und in 50 µl TE-Puffer aufgenommen.
  • c) Das Myzel (ca. 100 mg) wurde im Mörser unter flüssigem Stickstoff homogenisiert und in 4 ml des auf 60°C vorgewärmten Puffers gegeben, der 2% Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), 100 mM Tris/HCl (pH 8,0), 20 mM EDTA, 1,4 M Natriumchlorid und 0,2% β-Mercaptoethanol enthielt. Das Gemisch wurde für 30 Minuten unter gelegentlichem Schütteln bei 60°C gehalten, einmal mit einem Volumen Chloroform extrahiert und bei Raumtemperatur und ca. 5000 g zentrifugiert. Die obere wäßrige Phase wurde in ein neues Glasröhrchen überführt, mit 1/10 Volumen 3M Natriumacetat (pH 7,0) und einem Volumen vorgekühltem Isopropanol versetzt. Nach 20 Minuten im Eisbad wurde die DNA für 20 Minuten bei 10 000 g in der Kühlzentrifuge sedimentiert. Der Niederschlag wurde einmal mit 4 ml 70%igem Ethanol gewaschen, im Wasserstrahlpumpenvakuum getrocknet und zuletzt in 50 µl TE-Puffer gelöst.
Die folgenden Ausführungsbeispiele erläutern die Herstellung der erfindungsgemäßen Oligonukleotid-Sequenzen, die als Primer zur eindeutigen Differenzierung aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen von Phoma lingam benötigt werden sowie die Durchführung der Polymerase-Kettenreaktion mit diesen Primern und die anschließende Elektrophorese.
Ausführungsbeispiel 1 Durchführung der Polymerase-Kettenreaktion und Elektrophorese
Die nach den oben beschriebenen Isolierungen erhaltene Phoma lingam DNA wurde wie folgt inkubiert:
In Puffer (10 mM Tris/HCl, 1,5 mH Magnesiumchlorid, 50 mM Kaliumchlorid, 0,1 mg/ml Gelatine) wurden ca. 25 ng der Phoma lingam DNA mit
40 ng eines Primers
3 mG Magnesiumacetat
0,2 mM Desoxynukleotide (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) und
2,5 Einheiten-Tag-DNA Polymerase
gegeben und gemischt. Der Reaktionsansatz wurde anschließend mit 50 µl flüssigem Paraffin überschichtet und in einem Thermocycler (programmierbarer Heizblock) bei folgendem optimalem Temperaturprofil inkubiert:
20 Sekunden bei 93°C
60 Sekunden bei 32°C
20 Sekunden bei 72°C
Damit die DNA um ein Vielfaches amplifiziert werden kann, wurde dieser Vorgang insgesamt 35mal wiederholt.
Zum Nachweis der Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Primer wurde anschließend eine Elektrophorese durchgeführt. Hierzu wurden die bei der Inkubation entstandenen amplifizierten DNA-Fragmente mit 7 µl einer Lösung, die 0,025% Bromphenolblau, 0,025% Xylencyanol in 50% Glycerin und 10 mM EDTA enthielt, versetzt und in Agarosegelen elektrophoretisch aufgetrennt. Die Agarosegele enthielten 1,2% Agarose in 89 mM Tris/Borat-Puffer (pH 8,0), mit 2 mM EDTA. Die Gelgröße betrug 15 × 20 cm. Die Trennungen wurden bei einer Spannung von 70 V durchgeführt. Die DNA-Fragmente wurden durch Anfärben in 0,5 µg/ml Ethidiumbromid sichtbar gemacht und auf einem UV-Tansilluminator (254 nm) mit einer Polaroid-Kamera photographiert.
Die Elektrophorese-Gele zeigen die Moleküllängen bzw. die Bandenpositionen der DNA-Fragmente aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen nach der Trennung.
Das Elektrophorese-Muster, das bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Primer entsteht, ist wie folgt dargestellt:
Fig. 1  Primer: 5′-ACGGTCTTGG-3′
Fig. 2  Primer: 5′-GAAACAGCGG-3′
Fig. 3  Primer: 5′-GGAGCCCAC-3′
Auf den Elektrophoresegelen ist zu erkennen, daß die Primer der Sequenz ACGGTCTTGG und GAAACAGCGG auch gemeinsame Banden bei aggressiven und nicht-aggressiven Pathotypen erzeugen.
Der Primer der Sequenz GGAGCCCAC erzeugt ausschließlich differenzierende Banden.
Die Ergebnisse der Elektrophorese sind in der Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1

Claims (5)

1. Oligonukleotid-Sequenzen als Primer zur eindeutigen Differenzierung aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen von Phoma lingam (Leptosphaeria maculans), dadurch gekennzeichnet, daß die Primer eine sichere Unterscheidung aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen von Phoma lingam in sehr frühen Stadien des Befalls, in kurzer Zeit und mit wenig Aufwand ermöglichen.
2. Primer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen 8 und 11 Nukleotide enthalten.
3. Primer gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um die Oligonukleotid-Sequenzen 5′-ACGGTCTTGG-3′,
5′-GAAACAGCGG-3′ und 5′-GGAGCCCAC-3′
handelt.
4. Verfahren zur eindeutigen Differenzierung aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen von Phoma lingam in sehr frühen Stadien des Befalls, dadurch gekennzeichnet, daß man aus Phoma lingam isolierte DNA mit Primern der Oligonukleotid-Sequenzen,
5′-ACGGTCTTGG-3′,
5′-GAAACAGCGG-3′ oder
5′-GGAGCCCAC-3′
bei einem Temperaturprofil von
20 Sekunden bei 93°C
60 Sekunden bei 32°C
20 Sekunden bei 72°C
reagieren läßt und das so erhaltene Reaktionsprodukt nach gängigen Elektrophoreseverfahren auftrennt.
5. Verwendung von Oligonukleotid-Sequenzen gemäß den Ansprüchen 1-3, als Primer zur voraussetzungsfreien und schnellen Differenzierung aggressiver und nicht-aggressiver Pathotypen von Phoma lingam (Leptosphaeria maculans).
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