广东农业科学  2024, Vol. 51 Issue (3): 148-156   DOI: 10.16768/j.issn.1004-874X.2024.03.014.
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文章信息

引用本文
马艳平, 覃宝田, 梁曦, 王刚, 郝乐, 周东来, 刘振兴. 花鲈虹彩病毒交叉引物恒温扩增检测方法的建立[J]. 广东农业科学, 2024, 51(3): 148-156.   DOI: 10.16768/j.issn.1004-874X.2024.03.014
MA Yanping, QIN Baotian, LIANG Xi, WANG Gang, HAO Le, ZHOU Donglai, LIU Zhenxing. Establishment of a Cross Priming Amplification Detection Method of Lateolabrax maculatus Iridovirus[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2024, 51(3): 148-156.   DOI: 10.16768/j.issn.1004-874X.2024.03.014

基金项目

广东省自然科学基金(2021A1515010498);广东省农业科学院协同创新中心项目(XT202305);广东省畜禽疫病防治研究重点实验室项目(2023B1212060040)

作者简介

马艳平(1984—),女,博士,副研究员,研究方向为水产病害防控,E-mail: mayanping2292@163.com.

通讯作者

刘振兴(1981—),男,博士,研究员,研究方向为水产病害防控,E-mail: liuzhenxing@gdaas.cn.

文章历史

收稿日期:2023-11-22
花鲈虹彩病毒交叉引物恒温扩增检测方法的建立
马艳平1 , 覃宝田1 , 梁曦2 , 王刚1 , 郝乐1 , 周东来3 , 刘振兴1     
1. 广东省农业科学院动物卫生研究所/广东省畜禽疫病防治研究重点实验室,广东 广州 510640;
2. 汕尾市农业科学院,广东 汕尾 516600;
3. 广东省农业科学院蚕业与农产品加工研究所,广东 广州 510640
摘要:【目的】 花鲈虹彩病毒(Lateolabrax maculatus iridovirus,LMIV)严重威胁花鲈养殖业安全,无特效防控药物,早期诊断在LMIV防控中发挥极其重要的作用。建立一种简便、快捷、准确的现场快速诊断方法,可为LMIV的基层诊断提供技术支撑。【方法】 利用交叉引物恒温扩增技术(Cross priming amplification,CPA),针对LMIV ATPase基因高保守区设计1套单交叉引物。以构建的ATPase重组质粒作为阳性模板,对反应体系中的引物浓度比,Bst DNA聚合酶、Betaine、MgSO4、dNTP浓度,以及反应温度和反应时间进行优化;结合一次性核酸试纸条,建立可视化检测LMIV-CPA的方法。【结果】 最优引物浓度比组合为交叉引物CPF1.0 μmol/L,引物F3和B3均为0.4 μmol/L,探针引物B1(FAM)和B2(Biotin)均为0.8 μmol/L;MgSO4浓度为6 mmol/L、Betaine浓度为0.4 mol/L、dNTP浓度为0.6 mmol/L、Bst DNA聚合酶浓度为0.256 U/μL;最佳反应温度为62 ℃,最佳反应时间为45 min。扩增产物经凝胶电泳检测呈梯形条带,带有探针的反应产物采用一次性核酸试纸条检测装置进行检测,在3~5 min内即可通过是否出现特征性条带而使反应结果可视化。该方法可特异性地检测出LMIV,不与其他水生常见病毒和常见细菌发生交叉反应。使用LMIV-CPA方法和常规PCR方法共同检测156份临床样品,LMIV-CPA的阳性检出率为93.30%,常规PCR方法的阳性检出率为85.83%;在比较二者的灵敏度差异时,LMIV-CPA的检测限为102 copies/μL,灵敏度为常规PCR的10倍,综合结果显示LMIV-CPA优于PCR。【结论】 LMIV-CPA检测方法不依赖昂贵的仪器设备与专业技术人员,可应用于LMIV的现场快速检测,为花鲈LMIV的准确快速诊断和有效防控提供技术支撑。
关键词花鲈虹彩病毒    交叉引物恒温扩增    特异性    灵敏度    核酸试纸条    可视化    
Establishment of a Cross Priming Amplification Detection Method of Lateolabrax maculatus Iridovirus
MA Yanping1 , QIN Baotian1 , LIANG Xi2 , WANG Gang1 , HAO Le1 , ZHOU Donglai3 , LIU Zhenxing1     
1. Institute of Animal Health, Guangdong Academy of Agricultural Sciences/Guangdong Key Laboratory of Livestock Disease Prevention, Guangzhou 510640, China;
2. Shanwei Academy of Agricultural Sciences, Shanwei 516600, China;
3. Sericultural & Agri-food Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510640, China
Abstract: 【Objective】 Lateolabrax maculatus iridovirus (LMIV) is a serious threat to the safety of Lateolabrax maculatus aquaculture industry, and there are no specific prevention and control drugs. Early diagnosis plays an importantrole in the prevention and control of LMIV. The study intends to establish a simple, fast and accurate on-site rapid diagnosis method to provide technical support for the primary layer diagnosis of LMIV. 【Method】 Cross priming amplification (CPA) was used to design CPA primers for the highly conserved region of ATPase gene of LMIV. The constructed ATPase recombinant plasmid was used as a positive template to optimize the primer concentration ratio, Bst DNA polymerase, Betaine, MgSO4, dNTPs, concentration reaction temperature and time in the reaction system. Combined with the disposable nucleic acid test strip technology, the visual detection of LMIV was established by LMIV-CPA. 【Result】 The results showed that the optimal primer concentration ratio was 1.0 μmol/L for the cross-primer CPF, 0.4 μmol/L for the stripping primers F3 and B3, and 0.8 μmol/L for the probe primers B1 (FAM) and B2 (Biotin); Concentrations of MgSO4, Betaine, dNTPs and Bst DNA polymerase were 6 mmol/L, 0.4 mol/L, 0.6 mmol/L and 0.256 U/μL; The reaction temperature was 62 ℃ and the optimum reaction time was 45 min. The amplified product of this experiment was trapezoidal band by gel electrophoresis, the reaction product with probe was detected by a disposable nucleic acid test strip detection device, and the reaction result could be visualized by the presence or absence of a characteristic band within 3 to 5 minutes. LMIV could be detected specifically by this method without cross-reaction with other aquatic viruses and pathogenic bacteria. A total of 156 clinical samples were detected by the LMIV-CPA method and the conventional PCR method. The positive detection rate of LMIV-CPA was 93.30%, and that of the conventional PCR method was 85.83%. The detection limit of LMIV-CPA was 102 copies/μL and the sensitivity was 10 times that of conventional PCR, revealing that LMIV-CPA was better than PCR. 【Conclusion】 LMIV-CPA detection method does not rely on expensive instruments and professional technicians. It can be applied to the on-site rapid detection of LMIV, which provides technical support for accurate and rapid diagnosis as well as effective prevention and control of LMIV.
Key words: Lateolabrax maculatus iridovirus    cross priming amplification    specificity    sensitivity    nucleic acid strip    visualization    

【研究意义】细胞肿大病毒属病毒严重威胁海水鱼养殖业安全,易感宿主包括鲈形目、鳕形目、鲽形目和鲀形目等100多种鱼类[1-3]。花鲈虹彩病毒(Lateolabrax maculatus iridovirus,LMIV)隶属于虹彩病毒科细胞肿大病毒属,发病花鲈具有脾脏肿大的典型症状。我们已从发病花鲈体内分离到该病毒,根据细胞肿大病毒属成员主衣壳蛋白(Major caspid protein,MCP)基因序列同源性比对,发现LMIV为真鲷虹彩病毒(Red sea bream iridovirus,RSIV)的变异株,致死率超过90%,最高可达100%[4]。建立一种高效、快速、灵敏的现场检疫检测方法,对于该病的及时发现、有效防治意义重大。

【前人研究进展】基于核酸检测的快速检测技术在水生动物苗种产地检疫、疫病监测等方面发挥重要作用,如常规PCR检测[5-6]、实时荧光定量检测[7-10]、环介导等温扩增技术(LAMP)检测[11-12]等,但不同检测方法各有利弊。常规PCR检测需要专业的PCR仪器和电泳分析等后续操作;实时荧光定量检测耗时相对较短,但检测成本高,需设计荧光探针,并且需要购置相对昂贵的仪器,同时还要求操作人员有较系统的专业知识;LAMP检测的灵敏度高,但易产生气溶胶,使试验结果易受到污染,产生假阳性。随着分子生物学技术的快速发展,Fang等[13]开发了新型核酸等温扩增技术——交叉引物恒温扩增技术(Cross priming amplification,CPA),根据体系中交叉引物的数量可分为单交叉引物恒温扩增(Single-CPA)和双交叉引物恒温扩增(Double-CPA)。其技术原理是针对目的基因4~5个区域设计4~5条特异性引物,利用具有链置换特性的Bst DNA聚合酶,在63 ℃条件下高效、快速、高特异地扩增靶序列。CPA技术不需要专门的温度循环仪器,只需简单的恒温装置即可进行快速扩增,极大降低经济成本,目前已在转基因食品检测、农产品质量安全检测、疫病检测等领域广泛应用。【本研究切入点】据《中国渔业统计年鉴2023》显示,我国花鲈养殖产量达到21.81万t,占海水鱼总产量的11.33%,位居全国海水鱼养殖产量第2位。其中广东省花鲈养殖产量13.82万t,占全国花鲈养殖产量的63.37%,位居广东省海水鱼养殖产量第1位[14]。但随着花鲈集约化养殖规模的不断扩大,花鲈养殖业病害频发且日趋严重,造成极大的经济损失,严重威胁花鲈养殖业的稳定与发展[14-17]。【拟解决的关键问题】 LMIV引起的海水养殖鱼类疾病日益加剧,且通常发病迅速、难以治疗,因此本研究拟采用交叉引物恒温扩增技术并结合一次性核酸试纸条,建立LMIV-CPA现场快速检测技术,为LMIV的准确快速诊断和有效防控提供技术手段。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试花鲈虹彩病毒(LMIV)、锦鲤疱疹病毒(Koi herpesvirus,KHV)、鲤浮肿病毒(Carp edema virus,CEV)、大肠杆菌(Escherichia coli)、无乳链球菌(Streptococcus agalactiae)、肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)为广东省农业科学院动物卫生研究所水产病害研究室分离并保存;中华鳖虹彩病毒病毒(Soft-shell turtle iridovirus,STIV)核酸、斑点叉尾鮰病毒(Channel catfish virus,CCV)核酸、流行性造血器官坏死病毒(Epizootic haematopoietic necrosis virus,EHNV)核酸由中国检验检疫科学研究院张旻博士惠赠。临床检测样品为2018年1月至2023年11月期间由广东省农业科学院动物卫生研究所水产病害研究室收集。

TIANamp Genomic DNA Kit购自TIANGEN生物工程有限公司;10×Thermopol Reaction Buffer、MgSO4、dNTPs、Betaine、Bst DNA聚合酶购自New England Biolabs公司;一次性核酸试纸条及配套缓冲液购自杭州优思达生物公司。

1.2 引物设计

根据LMIV保守基因ATPase片段设计1套单交叉引物(1对外引物F3/B3,1对探针引物B1/B2,1个交叉引物CPF),以及ATPase片段特异性扩增引物MATPase-F和MATPase-R(表 1),由生工生物工程(上海)股份有限公司合成,引物稀释为10 μmol/L备用。

表 1 LMIV-CPA引物信息 Table 1 Information of LMIV-CPA primers

1.3 LMIV病毒阳性模板的制备

取100 mg感染LMIV的花鲈脾组织,匀浆提取DNA,10倍梯度稀释。以脾组织DNA为模板、MATPase-F和MATPase-R为引物,扩增ATPase保守片段,连接T载体并提取质粒DNA,测定浓度并计算质粒拷贝数。用无核酸酶水调整质粒DNA浓度,10倍梯度稀释,作为后续试验的DNA模板及阳性对照。

1.4 LMIV-CPA基础扩增反应体系的建立

参照文献[18]建立LMIV-CPA基础反应体系进行预试验;基础反应体系产生预期的阳性反应后再进行反应体系优化。引物优化主要根据各引物之间的比例进行调节(表 2),选取最优浓度引物组合,采用控制变量法,对扩增体系中的MgSO4、dNTPs、Betaine、Bst DNA聚合酶浓度,以及扩增温度和扩增时间进行优化,确定最佳反应体系和条件。

表 2 LMIV-CPA不同引物浓度组合 Table 2 Different primer concentration combinations of LMIV-CPA

1.5 LMIV-CPA方法交叉反应检测

以水生动物常见病毒毒株花鲈虹彩病毒(LMIV)、锦鲤疱疹病毒(KHV)、鲤浮肿病毒(CEV)、中华鳖虹彩病毒(STIV)、斑点叉尾鮰疱疹病毒(CCV)、流行性造血器官坏死病毒(EHNV),以及水生动物常见细菌病菌株无乳链球菌、肺炎克雷伯菌、嗜水气单胞菌核酸作为反应模板,用建立好的LMIV-CPA优化体系进行交叉试验。

1.6 LMIV-CPA与常规PCR的灵敏度比较

用无核酸酶水调整组织DNA浓度,10倍梯度稀释,共稀释5个梯度,用建立的LMIV-CPA最佳反应体系和常规PCR[19]方法对上述不同浓度组织DNA进行扩增,比较灵敏度差异;用无核酸酶水调整质粒DNA浓度为3.97×1010、3.97×109、3.97×108、3.97×107、3.97×106、3.97×105、3.97×104、3.97×103、3.97×102 copies/µL。用建立的LMIV-CPA方法对上述不同浓度质粒DNA进行扩增。常规PCR检测,则使用WOAH推荐的LMIV特异性引物4F(5'-CGGGGGCAATGACGACTACA-3')和4R(5'-CCGCCTGTGCCTTTTCTGGA-3')[20],PCR反应总体系为25 µL,包括阳性模板1 µL,上下游引物各1 µL,灭菌双蒸水9.5 µL,Taq Mix 12.5 µL;反应条件为94 ℃预变性2 min;94 ℃变性30 s、58 ℃退火1 min、72 ℃延伸30 s,35个循环;72 ℃延伸5 min,4 ℃保存。PCR产物用1% 琼脂糖凝胶电泳,紫外检测并拍照。

1.7 LMIV-CPA的可视化试纸条检测

将LMIV-CPA法的扩增产物放入核酸试纸条检测装置中,5 min后通过肉眼即可判读结果。结果判读规则:阳性,出现质控线(C线)和检测线(T线)2条红色条带;阴性,只在质控区出现1条带(C线);不出现任何条带判为无效。

1.8 不同检测方法的检出率比较

用建立的LMIV-CPA方法、常规PCR方法检测156份临床样品(已知120份阳性、36份阴性)。按以下公式计算不同检测方法的检出率,综合分析评定不同方法的检测效能:

2 结果与分析 2.1 阳性质粒的构建及其LMIV-CPA基础反应体系的建立

以花鲈脾组织DNA为模版、MATPase-F和MATPase-R为引物,PCR扩增得到720 bp目的片段。切胶回收目的片段,连接T载体,PCR鉴定阳性质粒,并测序验证,阳性质粒命名为ATPase-T质粒(图 1)。提取质粒DNA,浓度经测定为114 µg/mL,质粒浓度为3.92× 1010 copies/µL,对该提取的组织DNA进行梯度稀释,作为后续试验的DNA模板及阳性对照。以质粒DNA为模板,按表 2配制基础反应体系,60 ℃扩增60 min后,反应产物电泳后于紫外灯下观察,阳性模板有特征性的梯形条带,阴性对照无梯形条带(图 2)。结果表明,LMIV-CPA基础反应体系能对LMIV进行有效扩增。

M:DNA Marker;1:ATPase-T质粒 M: DNA Marker; 1: ATPase-T plasmid 图 1 TPase-T质粒PCR鉴定结果 Fig. 1 PCR identification result of ATPase-T plasmid

M:DNA Marker;1:阴性对照;2:阳性对照 M: DNA Marker; 1: Negative control; 2: Positive control 图 2 LMIV-CPA基础扩增体系电泳结果 Fig. 2 Electrophoresis result of LMIV-CPA basic amplification system

2.2 LMIV-CPA反应体系优化结果

对LMIV-CPA反应体系中的Bst DNA聚合酶、MgSO4、dNTPs、Betaine浓度进行优化,得到的最佳工作浓度分别为0.256 U/µL、6 mmol/L、0.6 mmol /L、0.4 mol/L,以上述的最佳工作浓度对引物浓度进行优化,结果(图 3)显示,当交叉引物CPF为1.0 μmol/L、引物F3和B3均为0.4 μmol/L、探针引物B1(FAM)和B2(Biotin)均为0.8 μmol/L时扩增产物量多,条带较为清晰,为最佳浓度组合。以最佳的Betaine、MgSO4、dNTPs、Bst DNA聚合酶浓度,对扩增温度和扩增时间进行优化,结果(图 4图 5)显示,LMIV-CPA最适反应条件为58 ℃扩增45 min。

M:DNA Marker;1:阴性对照;2~12分别对应表 2中1~11的引物浓度组合 M: DNA Marker; 1: Negative control; 2~12 corresponded to different primer concentration combinations of 1-11 in Table 2 图 3 不同引物浓度组合LMIV-CPA产物电泳结果 Fig. 3 Electrophoresis results of LMIV-CPA products with different primer concentration combinations

M:DNA Marker;1、3、5、7、9、11为阴性对照;2、4、6、8、10、12的反应时间依次为15、30、45、60、75、90 min M: DNA Markerr; 1, 3, 5, 7, 9, 11 were negative controls; 2, 4, 6, 8, 10, 12 correspond to 15, 30, 45, 60, 75 and 90 min, respectively 图 4 不同反应时间下LMIV-CPA产物电泳结果 Fig. 4 Electrophoresis results of LMIV-CPA products at different reaction times

M:DNA Marker;1、3、5、7、9、11、13、15、16、17、19、21为阴性对照;2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22的反应温度依次为56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66 ℃ M: DNA Marker; 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 16, 17, 19 and 21 are negative controls; The temperature of 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20 and 22 are 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65 and 66℃, respectively 图 5 不同反应温度下LMIV-CPA产物电泳结果 Fig. 5 Electrophoresis results of LMIV-CPA products at different reaction temperatures

2.3 LMIV-CPA交叉反应检测结果

用LMIV-CPA最佳反应体系进行特异性检测试验,结果(图 6)显示,仅LMIV质粒和病毒DNA出现典型的梯状条带,其余均无反应条带,说明建立的LMIV-CPA方法特异性较好。

M:DNA Marker;1:阴性对照;2:LMIV阳性组织DNA;3:阳性质粒DNA;4:锦鲤疱疹病毒(KHV)核酸;5:鲤浮肿病毒(CEV)核酸;6:中华鳖虹彩病毒(STIV)核酸;7:斑点叉尾鮰疱疹病毒(CCV)核酸;8:流行性造血器官坏死病毒(EHNV)核酸;9:无乳链球菌核酸;10:肺炎克雷伯菌核酸;11:嗜水气单胞菌核酸 M: DNA Marker; 1: Negative control; 2: Tissue DNA of LMIV; 3: Positive plasmid DNA; 4: KHV DNA; 5: CEV DNA; 6: STIV DNA; 7: CCV DNA; 8: EHNV DNA; 9: Streptococcus Agalactiae DNA; 10: Klebsiella pneumoniae DNA; 11: Aeromonas hydrophila DNA 图 6 LMIV-CPA交叉反应电泳结果 Fig. 6 Electrophoresis results of LMIV-CPA cross-reaction

2.4 LMIV-CPA与常规PCR的灵敏度比较

用LMIV-CPA最佳反应体系和常规PCR方法对梯度稀释10倍的花鲈脾组织DNA进行扩增,结果(图 7)显示,LMIV-CPA能检出103倍稀释的组织DNA,而PCR方法只能检出102倍稀释液的组织DNA(图 8),可见LMIV-CPA的灵敏度较常规PCR高10倍。

M:DNA Marker;1:阴性对照;2~6:分别为组织DNA原液、10、102、103、104倍稀释液 M: DNA Marker; 1: Negative control; 2-6: DNA tissue solution, DNA tissue diluted 10, 102, 103, 104 times, respectively 图 7 以DNA为模板的LMIV-CPA灵敏度反应电泳结果 Fig. 7 LMIV-CPA sensitivity reaction electrophoresis results with DNA as template

M:DNA Marker;1:阴性对照;2~6:分别为组织DNA原液、10、102、103、104倍稀释液 M: DNA Marker; 1: Negative control; 2-6: DNA tissue solution, DNA tissue diluted 10, 102, 103, 104 times, respectively 图 8 常规PCR反应产物电泳结果 Fig. 8 Electrophoresis results of conventional PCR reaction products

用LMIV-CPA最佳反应体系进行灵敏度检测试验,结果(图 9)显示,LMIV质粒DNA浓度在3.97×1010~3.97×102 copies/µL时,均有大量扩增,阴性对照和3.97×101 copies/µL无扩增,即建立的LMIV-CPA方法最低检出限为3.97×102 copies/µL。

M:DNA Marker;1:阴性对照;2~10:LMIV质粒DNA分别3.97×1010、3.97×109、3.97×108、3.97×107、3.97×106、3.97×105、3.97×104、3.97×103、3.97×102 copies/µL M: DNA Marker; 1: Negative control; 2-10: LMIV plasmid DNA concentrations were 3.97×1010, 3.97×109, 3.97×108, 3.97×107, 3.97×106, 3.97×105, 3.97×104, 3.97×103 and 3.97×102 copies/µL respectively 图 9 LMIV-CPA灵敏度检测反应产物电泳结果 Fig. 9 Electrophoresis results of reaction products detected by LMIV-CPA sensitivity

2.5 LMIV-CPA的可视化试纸条检测结果

应用一次性核酸试纸条检测装置对2.3、2.4中LMIV-CPA扩增的各个产物进行检测,结果显示,交叉反应产物中,仅病毒DNA和质粒DNA阳性对照结果显示为阳性,其余为阴性(图 10);灵敏度检测反应产物中,LMIV质粒DNA浓度在3.97×1010 ~3.97×102 copies/µL时,检测结果为阳性,阴性对照和3.97×101 copies/µL为阴性(图 11)。

1:阴性对照;2:花鲈虹彩病毒攻毒感染花鲈后提取的组织DNA;3:花鲈虹彩病毒质粒DNA;4:锦鲤疱疹病毒(KHV);5:鲤浮肿病毒(CEV);6:中华鳖虹彩病毒(STIV);7:斑点叉尾鮰病毒(CCV);8:流行性造血器官坏死病毒(EHNV);9:无乳链球菌;10:肺炎克雷伯菌;11:嗜水气单胞菌 1: Negative control; 2: Tissue DNA extracted from Lateolabrax maculatus infected by LMIV; 3: Plasmid DNA of LMIV; 4: KHV; 5: CEV; 6: STIV; 7: CCV; 8: EHNV; 9: Streptococcus Agalactiae; 10: Klebsiella pneumoniae; 11: Aeromonas hydrophila 图 10 LMIV-CPA交叉反应产物可视化试纸条检测结果 Fig. 10 Visual strip test results of LMIV-CPA reaction products

1:阴性对照,2~11:LMIV质粒DNA浓度依次为3.97×1010、3.97×109、3.97×108、3.97×107、3.97×106、3.97×105、3.97×104、3.97×103、3.97×102、3.97×101 copies/µL 1: Negative control, 2-11: LMIV plasmid DNA concentrations were 3.97×1010, 3.97×109, 3.97×108, 3.97×107, and 3.97×106, 3.97×105, 3.97×104, 3.97×103 and 3.97×102 copies/µL, respectively 图 11 LMIV-CPA灵敏度检测反应产物可视化试纸条检测结果 Fig. 11 Visual strip test results of LMIV-CPA sensitivity detection reaction products

2.6 不同检测方法的检出率

用建立的LMIV-CPA方法和常规PCR方法检测156份临床样品。已知的120份标准阳性样品中,经LMIV-CPA和PCR检测出的真阳性样品分别为112份和103份;36份标准阴性样品中,LMIV-CPA和PCR检测出的真阴性样品分别为34份和28份,两种检测方法的检出率如表 3所示,可见LMIV-CPA检测优于PCR检测。

表 3 不同检测方法的检出率比较 Table 3 Comparison of detection rate of different detection methods

3 讨论

本研究建立的LMIV-CPA检测方法,只需简单的恒温系统(金属浴或水浴锅),即可用于现场对病原进行检测,有效克服了环介导等温扩增技术检测病原菌存在的缺陷,在结果观察方面交叉引物恒温扩增技术明显优于环介导等温技术[21],结果判定快速、精确、客观,全过程无需开盖,对扩增产物不会造成气溶胶污染,整个检测过程约耗时1 h。

本试验根据特异性表达基因ATPase为靶基因,设计1套CPA引物,其中对B1和B2的5'端分别标记FAM和Biotin,以便使用一次性核酸试纸条装置对LMIV-CPA扩增产物进行可视化检测。CPA检测特异性和灵敏度与反应体系中的各个组分浓度有很大关系,其中引物自身的序列结构和浓度比例对扩增起决定性作用[22]。因此,在引物设计时尽量减少错配和引物间的互配,从而提高LMIV-CPA的特异性,然后对引物浓度比例、MgSO4浓度、dNTP浓度、Bst DNA聚合酶量、反应温度和时间进行优化,最终确立了LMIV-CPA最佳反应体系和反应条件。

本试验中(CPF︰F3︰B3︰B1︰B2)的浓度比例为(1︰0.4︰0.4︰0.8︰0.8),引物F3和B3需要量最少,其次为探针引物B1和B2,交叉引物CPF所需量最多,这符合CPA引物工作原理。Betaine对试验结果影响很大,体系中一定量的Betaine能提高引物对目的基因的结合,降低非目的基因对核酸扩增的干扰[23]。Betaine不存在时,有少量特异性扩增,当Betaine浓度为0.4 mol/L时,扩增效率最佳,随着Betaine浓度的增加,扩增效率逐渐下降。Mg2+能与Bst DNA聚合酶上的活性位点相结合而起催化作用[24],可影响Bst DNA聚合酶活性,当Mg2+浓度过低时,对Bst DNA聚合酶几乎没有催化作用,酶的活性降低,随着Mg2+浓度的增加,其催化作用增强,扩增产物逐渐增多,但Mg2+浓度过高时,会抑制Bst DNA聚合酶的活性而导致扩增产物减少,这与王璐璐[25]的研究结果一致。Bst DNA聚合酶只需要少量即可有5' → 3' 聚合酶活性和强链置换活性,考虑成本,我们选择Bst DNA聚合酶的最佳工作浓度为0.256 U/µL。反应温度也影响Bst DNA聚合酶的活性,LMIV-CPA扩增体系在56~66 ℃下均有扩增,其中58℃扩增效率最好,62 ℃起扩增产物条带不明显,扩增效率下降。扩增时间也是影响扩增效率的一大因素,扩增时间在30~60 min时,扩增效率较好,扩增时间低于30 min或者高于60 min,扩增效率不佳,本试验中,扩增时间为45 min时扩增效率最佳。

虹彩病毒科有包括ATPase、主衣壳蛋白MCP、解旋酶、胞嘧啶甲基转移酶基因、蛋白激酶、核糖核酸还原酶小亚单位等26个核心基因片段[26]。ATPase是参与氧化磷酸化和生物体能量转换的核心酶,在所有生命形式中都有重要作用[27]。根据文献[28]选用专门扩增细胞肿大病毒属虹彩病毒ATPase基因的特异性引物,产物大小为720 bp,经胶回收再进行克隆,最后随机选样测序,测序结果经NCBI blast比对,显示所测基因序列与笋壳鱼虹彩病毒(JF264208.1MGIV)的ATPase相似度最高、为99.72%,仅有2 bp的差别,与真鲷虹彩病毒(AB666350.RSIV-2HSB)、花鲈虹彩病毒(AB043977.RSIV)、石斑鱼虹彩病毒(AB043978.GIV)的相似率分别为99.58%、99.58%、98.61%,序列高度保守。因此本研究以ATPase为靶基因,设计1套CPA引物,不与常见水产病毒与细菌核酸发生交叉反应,灵敏度优于PCR,确保了本研究建立方法的特异性和灵敏度。

4 结论

本研究结合一次性核酸试纸条,建立了基于花鲈虹彩病毒ATPase基因的可视化LMIV-CPA检测方法;该方法最优引物浓度比组合为交叉引物CPF1.0 µmol/L,引物F3和B3均为0.4 μmol/L,探针引物B1(FAM)和B2(Biotin)均为0.8 μmol/L;Mg2+浓度为6 mmol/L、Betaine浓度为0.4 mol/L、dNTP浓度为0.6 mmol/L、Bst DNA聚合酶浓度为0.256 U/µL;最佳反应温度为62℃,最佳反应时间45 min。该检测方法具有良好的灵敏性和特异性,最低检测限可达102 copies/µL,检测灵敏度较常规PCR高约10倍,且不与其他同属常见的水生病毒及水生常见细菌发生交叉反应,在临床样品的快速筛选检测方面有很大优势,操作简单且不需要复杂的仪器设备,满足基层设备简单的要求,可为口岸、养殖场等一线进行动物疫病检测,提供有效的技术支撑。

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责任编辑     崔建勋