厭氧氨氧化功能微生物PCR—DGGE分析方法優(yōu)化

畢瑋++李祥++劉恒蔚++黃勇++袁怡++劉忻

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.026

摘要：基于厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）開發(fā)的相關(guān)工藝在污水脫氮處理中具有重要作用；但Anammox微生物是一類目前尚不能分離和純培養(yǎng)的微生物，分析其功能微生物的類型，對(duì)于研究其生物學(xué)機(jī)理并改良其工藝具有重要意義。本研究對(duì)變性梯度凝膠電泳（denaturing gradient gel electrophoresis，DGGE）在Anammox微生物應(yīng)用中的分析條件進(jìn)行了優(yōu)化，以提高PCR-DGGE的分析效果。結(jié)果表明，采用針對(duì)16S rDNA V3區(qū)的 GC-F341/R518引物組合，PCR最佳退火溫度為64 ℃；DGGE電泳中，最佳上樣量為5～7 μL，最佳膠濃度為8%，最佳電壓/時(shí)間為80 V/16 h。優(yōu)化后的PCR-DGGE具有準(zhǔn)確性高和靈敏度好的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：厭氧氨氧化；PCR-DGGE；微生物類型；條件優(yōu)化

中圖分類號(hào)： S188文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0110-03

收稿日期：2015-09-30

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51478284）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金（編號(hào)：51408387）。

作者簡(jiǎn)介：畢瑋（1990—），男，碩士研究生，主要從事環(huán)境生物催化機(jī)理研究。E-mail：1012296010@qq.com。

通信作者：劉恒蔚，博士，副教授。E-mail：liuhw@mail.usts.edu.cn。厭氧氨氧化（anaerobic ammonium oxidation，Anammox）是指厭氧氨氧化細(xì)菌在厭氧條件下以羥胺和肼為中間產(chǎn)物，以NH+4 為電子供體、NO2-為電子受體，將NH+4 和NO-2 轉(zhuǎn)變?yōu)镹2 的過程[1]。該反應(yīng)顛覆了人們對(duì)自然界氮素循環(huán)的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。此前普遍認(rèn)為通過異養(yǎng)反硝化即硝酸鹽還原生成N2，是地表氮素生成N2的唯一自然途徑，而目前卻發(fā)現(xiàn)Anammox反應(yīng)的廣泛存在。據(jù)估計(jì)由AAOB完成了海洋生態(tài)系統(tǒng)氮轉(zhuǎn)化的30%～50%[2]。Anammox過程在地表氮素循環(huán)，包括農(nóng)業(yè)水體氮素循環(huán)中起著重要作用。基于Anammox過程研究者開發(fā)了多種污水處理工藝[3-6]。與傳統(tǒng)的硝化-反硝化工藝相比，優(yōu)點(diǎn)在于不需要額外電子供體，同時(shí)也可使剩余污泥產(chǎn)量降至最低，從而節(jié)省大量污泥處置費(fèi)用。厭氧氨氧化細(xì)菌（即Anammox菌）是一類不可培養(yǎng)的微生物類型，難以使用傳統(tǒng)手段進(jìn)行研究。目前共發(fā)現(xiàn)了包括Candidates Kuenen stuttgartiensis、Candidatus Brocadia anammoxidans、Candidatus Anammoxoglobus sulfate在內(nèi)的5個(gè)屬12個(gè)種之多，而且不同的研究得到的優(yōu)勢(shì)種群不同[7]。分析其功能微生物的類型，對(duì)于研究其生物學(xué)機(jī)理并改良其工藝具有重要意義。

PCR結(jié)合變性梯度凝膠電泳（deatring gradient gel electrophoresis，DGGE）技術(shù)不但克服了傳統(tǒng)的微生物培養(yǎng)方法的局限性，而且可以對(duì)微生物種群進(jìn)行定性和定量，以及預(yù)測(cè)微生物種群的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，成為研究環(huán)境微生物多樣性的常用手段之一。其主要原理是序列不同的DNA雙鏈解鏈所需的變性劑（尿素和甲酰胺）濃度也不同，在含梯度變性劑的凝膠電泳中，不同的DNA序列在不同的濃度處發(fā)生解鏈，導(dǎo)致空間構(gòu)型改變，電泳速率急劇下降，從而停留在不同的位置，形成條帶分開的指紋圖譜。為了提高DGGE的分辨率，可在引物的一端加上1個(gè)含30～50個(gè)堿基的“GC夾板”（GC clamp）[8]。理論上，DGGE可以檢測(cè)出只有1個(gè)堿基差異的DNA序列。但是DGGE效果受多種因素影響，特別是對(duì)于不同的引物和不同的樣品，PCR-DGGE分析的參數(shù)差別很大。例如使用不同引物在對(duì)厭氧污泥樣本PCR-DGGE分析中[5-6，9-15]，聚丙烯酰胺凝膠濃度從5%～10%、電泳電壓從75～200 V均有使用。DGGE的分辨率直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，而分辨率又會(huì)受到電泳中的變性劑梯度范圍、時(shí)間、電壓以及上樣量等因素影響；因此針對(duì)具體的樣品類型和引物，需對(duì)DGGE試驗(yàn)各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，才能達(dá)到預(yù)期的效果。16S rDNA是細(xì)菌系統(tǒng)分類研究中最常用的分子指紋，分子大小適中，在結(jié)構(gòu)與功能上具有高度的保守性?；?6S rDNA的V3區(qū)是微生物種群分析最常采用的目標(biāo)序列之一，在分子生態(tài)研究中有廣泛的應(yīng)用。

本研究基于Anammox微生物16S rDNA的V3區(qū)的 GC-F341/R518引物組合，對(duì)PCR的退火溫度和DGGE的時(shí)間/電壓、膠的濃度以及上樣量進(jìn)行了優(yōu)化，該結(jié)果對(duì)于 Anammox 反應(yīng)相關(guān)微生物的分析具有參考意義。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1試驗(yàn)材料樣品來自蘇州科技學(xué)院環(huán)境生物技術(shù)研究所亞硝酸鹽型Anammox污泥。

1.1.2主要儀器與試劑DNA快速提取試劑盒購自MPBIO公司；NanoDrop2000儀；ExTaq酶購自TaKaRa公司；DGGE電泳儀（AD0412LS-C50）、DGGE電泳槽（DCode型）、凝膠成像系統(tǒng)（Gel DocTM XR+）購自美國伯樂公司；引物由上海生工生物工程有限公司合成。

1.2方法

1.2.1核酸提取與PCR-DGGE分析污泥取樣后立即使用液氮研磨成干粉，-80 ℃保存?zhèn)溆?。使用DNA快速提取試劑盒提取DNA，提取的DNA經(jīng)1%瓊脂糖電泳檢測(cè)和NanoDrop2000儀定量并檢測(cè)質(zhì)量后使用。使用針對(duì)細(xì)菌16S rRNA基因V3可變區(qū)通用引物進(jìn)行PCR，引物序列為：CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGGCCTA

CGGGAGGCAGCAG（即GC-F341）；ATTACCGCGGCTGCTGG（即R518）。

PCR擴(kuò)增體系總體積為30 μL，包括15 ng模板DNA，ExTaq酶1.5 U，10 μmol/L引物各1.5 μL，dNTPs Mixture（各2.5 mmol/L）3 μL，ExTaq酶buffer 3 μL，ddH2O補(bǔ)足至 30 μL。PCR擴(kuò)增采用98 ℃預(yù)變性30 s；98 ℃變性10 s，根據(jù)設(shè)置的溫度退火30 s，72 ℃延伸5 s，共29個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸5 min。擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)2%瓊脂糖電泳檢測(cè)后，按不同上樣量均加入15 μL上樣緩沖液，并使用ddH2O補(bǔ)足至25 μL，利用DGGE電泳儀和DGGE電泳槽在變性梯度為45%～65%的聚丙烯酰胺凝膠中電泳（100%的變性劑濃度為體積分?jǐn)?shù)40% 甲酰胺和7 mol/L 尿素）。參考樂曉萍等的銀染方法[16]進(jìn)行染色。銀染時(shí)凝膠在固定液（含體積分?jǐn)?shù)10%乙醇和0.5%的乙酸）輕搖固定10 min，超純水漂洗1 min后放入染色液（含體積分?jǐn)?shù)2%硝酸銀）中染色15 min，超純水快速?zèng)_洗2次后放入顯影液（含體積分?jǐn)?shù)1.5%氫氧化鈉、體積分?jǐn)?shù)02%甲醛）中至顯影清晰，用超純水沖去殘余的顯影液。銀染結(jié)果通過凝膠成像系統(tǒng)照相分析。

1.2.2PCR-DGGE優(yōu)化（1）PCR退火溫度的優(yōu)化：退火溫度從61～66 ℃之間設(shè)置6個(gè)梯度，梯度為1 ℃，PCR產(chǎn)物通過2.0%瓊脂糖電泳，選擇最合適的退火溫度用于PCR-DGGE分析以及后續(xù)優(yōu)化過程。（2）電泳時(shí)間和電壓的優(yōu)化：制備8%聚丙烯酰胺凝膠，設(shè)置60、80、100、120 V共4個(gè)電壓梯度；每隔2 h上樣1次，共上樣5次，即各設(shè)置5個(gè)時(shí)間梯度；上樣量為4.0 μL。在60 ℃條件下對(duì)不同電壓下分別進(jìn)行不同時(shí)間進(jìn)程的電泳試驗(yàn)，以確定最佳的電壓/時(shí)間組合。（3）電泳上樣量的優(yōu)化：配制總體積相同、但PCR擴(kuò)增產(chǎn)物不同的上樣體系，上樣量（PCR擴(kuò)增產(chǎn)物）為1～10 μL，梯度1 μL。使用最適變性劑梯度和已確定的最佳電壓/時(shí)間條件，在8%聚丙烯酰胺凝膠中進(jìn)行電泳。（4）凝膠濃度優(yōu)化：使用上述已確定的上樣量、最佳電泳時(shí)間和電壓組合，分別配制濃度為6%、8%和10%的聚丙烯酰胺凝膠，根據(jù)電泳效果來確定最適合的膠濃度。

2結(jié)果與分析

2.1土壤基因組DNA的提取

提取的Anammox樣品DNA經(jīng)1.0%的瓊脂糖凝膠電泳，結(jié)果（圖1）表明，DNA樣品質(zhì)量較好，適合進(jìn)行PCR-DGGE分析。

2.2PCR擴(kuò)增的退火溫度優(yōu)化

圖2是61～66 ℃不同退火溫度下的PCR電泳結(jié)果。圖2表明，退火溫度為64 ℃時(shí)，擴(kuò)增效率高，效果最好，是本研究的最佳退火溫度。電泳結(jié)果顯示PCR產(chǎn)物大小與預(yù)計(jì)結(jié)果（230 bp）基本一致。

2.3電泳時(shí)間和電壓的優(yōu)化

本試驗(yàn)在預(yù)試中使用了200 V電壓進(jìn)行DGGE電泳，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該電壓下條帶有彌散嚴(yán)重，分離效果較差，因此選擇在低電壓區(qū)進(jìn)行優(yōu)化。通過比較120 V（圖3-A）、100 V（圖3-B）、80 V（圖3-C）和60 V（圖3-D）的電泳結(jié)果說明，電壓高低對(duì)條帶的分離效果影響較為明顯，隨著電壓降低，彌散減弱，且條帶數(shù)增加，條帶更為清晰銳利。在80 V（圖3-C）和60 V（圖3-D）之間差異不大，均能得到數(shù)目較多且清晰銳利的條帶。隨著電泳時(shí)間延長(zhǎng)，條帶分離更加明顯，易于區(qū)分，在80 V電壓時(shí)，多數(shù)條帶在16 h時(shí)分離效果最好，延長(zhǎng)電泳時(shí)間變化不明顯，與60 V的電壓時(shí)18 h的電泳效果基本一致。鑒于此，選擇80 V/16 h作為最佳的電壓/時(shí)間組合。

2.4電泳上樣量的優(yōu)化

從圖4可以看出上樣量對(duì)DGGE圖譜也有著重要的影響。上樣量過少，部分條帶不清晰，染色后可見的條帶數(shù)偏少；上樣量過多，則圖譜的背景過重，不利于后續(xù)的分析。考慮到二者的平衡，在Anammox微生物的PCR-DGGE分析中選擇5～7 μL的上樣量效果最好。

2.5凝膠濃度優(yōu)化

本試驗(yàn)通過3種不同濃度的凝膠[分別是6%（圖5-A）、8%（圖5-B）、10%（圖5-C）]來判斷最佳的凝膠濃度。從圖5的3個(gè)濃度對(duì)比可以看出，8%凝膠的分離度最好，條帶清晰銳利，為最佳凝膠濃度選擇。

3討論

DGGE技術(shù)被廣泛用于分析環(huán)境樣本微生物群落的生物多樣性，適合調(diào)查種群的時(shí)空變化，并可以通過對(duì)目的條帶進(jìn)行序列分析來鑒定群落組成。理想的PCR引物和DGGE分析條件應(yīng)適合探測(cè)更多的微生物類型。例如王寧等對(duì)厭氧顆粒污泥PCR-DGGE分析進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)古菌和細(xì)菌在80 V/10 h的電泳條件下均能得到分離效果較好的DGGE 圖譜[17]。而本研究結(jié)果說明對(duì)于Anammox活性污泥，采用GC-F341/R518通用引物，PCR最佳退火溫度為64 ℃；變性劑濃度為45%～65%的聚丙烯酰胺凝膠中進(jìn)行DGGE電泳的最佳上樣量為5～7 μL，膠濃度為8%，最佳電壓/時(shí)間為80 V/16 h。由于本研究采用針對(duì)16S rDNA的V3區(qū)的特異引物，對(duì)于環(huán)境樣本的不同微生物種類將具有更廣泛的適用性。

PCR和電泳是PCR-DGGE分析的2個(gè)最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本試驗(yàn)研究表明適當(dāng)提高退火溫度有利于減少非特異性擴(kuò)增，上樣量的多少與膠濃度的大小也對(duì)DGGE的分辨率有重要影響。此外，與一般的PCR對(duì)模板DNA要求低不同，本研究中還發(fā)現(xiàn)DNA質(zhì)量對(duì)PCR影響較大，且PCR擴(kuò)增質(zhì)量顯著影響DGGE的分辨率。

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