高皂苷人參株系早期篩選的研究

郝麗珊+郜玉鋼+臧埔+趙巖+何忠梅+祝洪艷+楊鶴+劉雙利+柳靖婷+張連學

[摘要] 通過PCR引物檢測人參DNA特異性片段，快速、準確的評價低齡人參種質質量，加快人參育種進程。該研究基于個體之間的基因差異，設計7對引物，通過比對不同人參DNA的擴增圖譜與皂苷含量相關性，成功得到一對特異性引物GC1，并采用L16（45）正交試驗優化其25 μL PCR體系，各組分最佳配比為：DNA 2.60 mg·L-1，Mg2+ 1.44 mmol·L-1，dNTP 0.19 mmol·L-1，引物0.32 μmol·L-1，Taq 0.076 U·μL-1。對GC1引物進行驗證，在24株供試人參中有2株擴增出1 200 bp特異性條帶陽性樣品，2株陽性樣品中9種單體皂苷及其加和值含量均較高。該特異性條帶序列與甘油-3-磷酸脫氫酶同源性達99%。GC1可以作為一種高皂苷人參株系早期篩選鑒定方法的特異性引物，有利于加快人參育種進程。

[關鍵詞] 人參育種； PCR； 引物篩選； 體系優化

[Abstract] The study aims at screening the specific bands by PCR， quickly and accurately evaluating the quality of ginseng seeding， accelerating the process of ginseng breeding. Based on the correlation of genetic differences and saponin content between individuals， a pair of specific primer GC1 was screened by PCR. According to the experiment by L16 （45） orthogonal test， a PCR system most suitable for GC1 was established， which came out total 25 μL reaction system containing DNA 2.60 mg·L-1， Mg2+ 1.44 mmol·L-1， dNTP 0.19 mmol·L-1， primer 0.32 μmol·L-1and Taq enzyme concentration 0.076 U·μL-1. By comparing the saponin content and the GC1 PCR electrophoretogram of samples， the ginseng， with 1 200 bp specific band by PCR of GC1， the contents of 9 monosodium saponins and their additions were higher than others， which provided a reliable method for accelerating the process of ginseng breeding. The sequence was sequenced and 99% homologous to glycerol-3-phosphate dehydrogenase.

[Key words] ginseng breeding； PCR； primer screening； system optimization

人參皂苷具有多種生理、藥理功能，其含量是衡量人參品質、培育新品種的重要指標之一。但其含量很低，稀有皂苷含量更低，而且尚未實現全化學合成，嚴重限制了人參的開發和應用。長久以來，培育高皂苷含量的新人參品種，是解決該問題的有效途徑，然而由于人參世代間隔長的原因，傳統的人參育種方法存在周期長，人力、物力消耗大等不足。本研究在前期的研究基礎之上，篩選高皂苷株系的特異性引物，優化PCR體系，通過檢測人參特異性DNA片段的有無，從而快速、準確的評價低齡人參種質質量，為建立人參優良品種早期篩選先進方法提供依據，從而加快育種進程。

1 材料

2016年9月中旬，于吉林農業大學藥植園隨機采取48株四年生種植人參，樣品所處環境和管理條件均相同，24株用于特異基因篩選方法建立，24株用于特異基因篩選方法驗證。

植物基因組DNA提取試劑盒、瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒均購自Tiangen公司；PCR試劑均購自Takara公司；乙腈、甲醇均為色譜純；水為去離子水；其余試劑為分析純。

Infinite M200PRO連續波長多功能酶標儀、安捷倫Sure Cycler 8800梯度PCR儀、電泳儀DYY-6B（北京六一儀器廠）、英國SYNGEN GGM/D2凝膠成像系統、日本島津AUY220電子分析天平、日本島津LC-2010A高效液相色譜儀（LC-2010A型液相色譜泵、LC-2010A 型自動進樣器、CLASS-vP色譜工作站）。

2 方法

2.1 引物的設計 根據實驗室前期工作基礎，使用Primer 5設計7對引物[1]，引物序列見表1，由大連寶生物合成。

2.2 DNA的提取及檢測 用蒸餾水洗去供試人參表面泥土，然后用70%乙醇進行表面消毒，再用無菌水沖凈，最后用凍干機干燥，分別無菌條件下單株粉碎，隨機編號。按照試劑盒說明提取24株供試人參基因組DNA，酶標儀檢測所得DNA質量和濃度，稀釋至50 mg·L-1，1%瓊脂糖凝膠電泳，-20 ℃保存。

2.3 特異性引物篩選 按說明書依次加入PCR Mix，ddH2O，人參DNA和上下游引物混勻得25 μL體系，反應程序[2]：94 ℃預變性4 min；前5個循環在94 ℃變性1 min，45 ℃復性1 min，72 ℃延伸10 s；接下來的30個循再94 ℃變性1 min，55 ℃復性1 min，72 ℃延伸10 s；循環結束72 ℃延伸5 min。0.1%瓊脂糖凝膠電泳觀察。精確稱取各株人參粉末1.00 g，參照文獻測定供試人參16種皂苷[3]，結果運用SPSS 19.0進行方差分析（P<0.05）。對比結果，篩選特異性引物。endprint

2.4 特異性引物PCR反應體系的優化 以回收2.3特異性條帶為優化模板DNA，對模板DNA、引物、dNTP、Mg2+和Taq酶5個因素的適宜濃度進行優化[4-6]，具體見表2，PCR反應程序同上。

采用L16（45）正交試驗確定該PCR反應體系5個因素的最優組合，每個因素依據單因素試驗結果設定4個水平。正交試驗水平信息見表3。

2.5 特異性引物PCR反應驗證 根據優化的PCR體系對另24株供試人參基因進行擴增，電泳檢測結果。測定和分析各株人參皂苷，方法同2.3，驗證引物的準確性。

2.6 特異性片段測序與分析 使用凝膠回收試劑盒回收特異性條帶，并送往TKARA公司進行測序。測序結果與NCBI數據庫進行同源性比對。

3 結果與分析

3.1 DNA提取 供試人參DNA經1%瓊脂糖凝膠電泳檢測，條帶清晰，見圖1。經酶標儀檢測，DNA樣品A260/A280均在1.8～2.0，說明所提DNA完整性好，純度較高，可作為PCR的模板。

3.2 特異性引物篩選 引物擴增結果見圖2，僅GC1引物的13，14號樣品分別在約2 000，1 200 bp處各有1條特異性條帶，14號人參樣品9種皂苷加和值最高，見圖3和表4。

3.3 特異性引物PCR反應體系優化 GC1引物的最優PCR體系為：DNA質量濃度2.60 mg·L-1，Mg2+1.44 mmol·L-1，dNTP 0.19 mmol·L-1，引物0.32 μmol·L-1、Taq酶0.076 U·μL-1，見圖4。

3.4 特異性引物PCR反應體系驗證 27和45樣品檢測出1 200 bp特異性條帶，其對應的人參樣品9種皂苷加和值最高見圖5和表5。

3.5 特異性片段測序及比對 該特異性條帶測序為1 104 bp，經BLAST比對結果顯示，與甘油-3-磷酸脫氫酶同源性較高，相似度達99%；對該序列進 行完整閱讀框查找，見圖6，從569～1 102 bp翻譯177 aa蛋白質，經查閱為甘油-3-磷酸脫氫酶。

4 討論

PCR技術致力于DNA，不受組織、生長時期及環境的影響，在人參真偽鑒定[7-10]、品種鑒定[11-12]、地域鑒定[13]、聚類分析[14-15]及DNA條形碼[16-17]等 方面的應用也非常廣泛。基于個體之間的基因差異，本研究利用PCR技術比較擴增圖譜與皂苷含量之間的相關性，成功篩選出引物GC1，該引物及其PCR優化體系可用來檢測人參幼苗，從而有利于快速、準確的篩選人參皂苷高產株系，為人參育種提供理論依據和參考。

在人參萜類化合物合成的過程中，同時存在甲羥戊酸途徑（MVA）和丙酮酸途徑（MEP）[18]，其中MEP以糖酵解中間產物丙酮酸和甘油醛-3-磷酸為前體經酶作用合成IPP和DMAPP[19]，而相關研究表明甘油-3-磷酸脫氫酶是催化糖酵解中間產物——磷酸二羥丙酮轉化生成甘油-3-磷酸（Gly3p）和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）的關鍵酶[20-22]。

本實驗研究發現的特異性條帶為人參的甘油-3-磷酸脫氫酶基因，其促使了磷酸二羥丙酮向甘油-3-磷酸轉化，為人參皂苷合成的MEP提供前體物質，從而促進人參皂苷合成、積累。

甘油-3-磷酸脫氫酶為植物代謝途徑的基本基因，完全缺失的可能性很小。本實驗模板為人參DNA，作者考慮為個體或人參品種間的基因差異，可能為基因轉座導致目標基因拷貝數增多，引起基因豐度差異；有可能為基因大片段重組，形成較強啟動子或增強子，使目標基因過量表達，引起人參皂苷差異。

[參考文獻]

[1] 劉彤. 高產人參皂苷相關基因篩選[D]. 長春：吉林農業大學，2015.

[2] 郭鑫，倪州獻，羅建中，等. 桉樹SSR-PCR體系優化及引物篩選應用[J]. 分子植物育種，2017，15（2）： 626.

[3] 郭沖，郜玉鋼，臧埔，等. HPLC法同時測定人參及其制劑中16種人參皂苷[J]. 中草藥，2014，45（14）： 2009.

[4] 任風鳴，胡開治，劉燕琴，等. 傳統中藥金錢草ISSR-PCR反應體系的正交優化研究[J]. 中國中藥雜志，2014，39（12）：2233.

[5] 許永華，王士杰，陳曉林，等. 人參SRAP-PCR體系優化條件的建立[J]. 安徽農業科學，2010，38（16）：8419.

[6] 周桐，金東淳，伊旭，等. 人參基因組DNA的提取及RAPD-PCR反應條件的優化[J]. 延邊大學農學學報，2009，31（3）：189.

[7] 蔣超，羅宇琴，袁媛，等. 多重位點特異性PCR鑒別人參、三七、西洋參摻雜[J]. 中國中藥雜志，2017，42（7）：319.

[8] 劉麗，肖炳燚，羅暉明，等. 多重PCR方法同時鑒別人參、西洋參、三七[J]. 藥物分析雜志，2016，36（4）：668.

[9] 許成，張長城，李菁，等. 基于RAPD標記竹節參及其近緣植物的品種鑒別[J]. 時珍國醫國藥， 2016，27（1）：101.

[10] 崔占虎，袁媛，張景景，等. 基于快速PCR方法的人參屬藥用植物鑒別研究[J]. 中藥材，2015，38（8）：1634.

[11] 王景，張甜甜，李萌，等. 利用SNP分子標記對人參品種大馬牙的特異鑒定研究[J]. 中藥材，2015，38（11）：2298.

[12] 任躍英，高巍，郭影，等. 黃果及紅果人參、西洋參基因組的RAPD分子標記研究[J]. 吉林農業大學學報，2005（1）：39.

[13] 邵愛娟，李欣，黃璐琦，等. 用RAPD技術對人參栽培群體的遺傳分析[J]. 中國中藥雜志，2004，29（11）：1033.

[14] 任躍英. 黃果、紅果人參和西洋參種源的系統研究與鑒定[D]. 長春：吉林農業大學，2002.

[15] 許永華，金慧，金永昌，等. 人參種源遺傳多樣性和遺傳關系的AFLP分析[J]. 西北農林科技大學學報：自然科學版，2010，38（7）：203.

[16] 詹鑫婕，田程，張媛，等. 基于ITS2條形碼SNPs的人參和西洋參PCR-SSCP分子鑒別研究[J]. 中國中藥雜志，2012，37（24）：3748.

[17] 陳士林，姚輝，韓建萍，等. 中藥材DNA條形碼分子鑒定指導原則[J]. 中國中藥雜志，2013，38（2）：141.

[18] 劉麗. 利用抑制劑對人參皂苷生物合成途徑MVA與MEP的研究[D]. 長春：吉林農業大學，2012.

[19] 張松濤，陳紅麗，崔紅，等. 植物MEP途徑的代謝調控機制[J]. 西北植物學報，2012，32（7）：1500.

[20] 姚瑤. 三角褐指藻3-磷酸甘油脫氫酶的克隆及功能分析[D].廣州：暨南大學，2013.

[21] 吳尚虹. 酵母甘油-3-磷酸脫氫酶（GPD）基因轉化油菜的研究[D]. 長沙：湖南農業大學，2012.

[22] 薛婷，原雪，王斌，等. 釀酒酵母甘油-3-磷酸脫氫酶基因沉默表達[J]. 福建師范大學學報：自然科學版，2015，31（6）：64.

[責任編輯 呂冬梅]endprint