第一章 绪论
得到的DNA纯度高、得率高。R Caldarelli-Stefano等[16]采用离心磁珠法对石蜡组织中的DNA进行提取,与传统DNA提取方法相比,省时省力。但是磁珠法由于造价昂贵,在某些大型企业或者政府机构的实验室才有能力购买,在日常的检验分析中并不常见。 1.2.5全自动核酸提取工作站
DNA提取自动化工作站分为几个部分,通过将不同模块的功能整合在一起,实现核酸的大同量提取以及高度自动化。与其他方法相比,全自动核酸提取工作站有以下优势:①程序自动化;②操作程序化,功能比较强大;③能够有效地避免各种操作污染;④能在过程中进行实时监控,准确监测污染;⑤枪头定位系统比较准确,液体传输功能强大;⑥整合了各种仪器和试剂,试剂开放[17]。但是目前全自动核酸提取工作站由于价格昂贵及其适合大量提取的特点,在医学提取血液DNA较常见,在日常食品分析检测中并不常用。
1.3聚合酶链式反应(PCR)技术
聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction,PCR),其原理是模拟生物体内的DNA双链的复制,在一定的条件下进行体外DNA片段扩增的过程,因为人工合成的引物不同而具有特异性。生物的DNA是一个双螺旋结构,它有两条反向平行的多核苷酸链,这两条链有着同样的中心轴,双链上的碱基序列互补。PCR反应原理是半保留机制,主要反应步骤有变性、退火、复性等三个阶段。在体外扩增的过程当中,当体系温度升到一定温度时,DNA双链变性,解旋变为两条单链,接着随着体系温度的下降,反应引物与单链的某一端结合形成DNA单链复合物。在TaqDNA聚合酶的催化作用下,该复合物以DNA双链中的一条单链为模板,以dNTP(脱氧核苷三磷酸)为原料,连续的合成新的DNA单链,这就是PCR的过程。目前―PCR‖技术作为分子生物学中一种成熟的技术,在生物教材中频频出现。 1.3.1定性PCR技术优势
PCR扩增,也就是放大,它可将极少的目的基因迅速复制,可以达到原量的数十万倍甚至数千百万倍,不需要通过琐碎的流程,便可获得大量的精确DNA拷贝[18]。插入到转基因产品中的外源基因可分为三个部分:标记基因、调控基因和目的基因,调控基因又由启动子和终止子组成。
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PCR的基本反应体系可以概括为五要素:模板、一对寡核昔酸引物、耐热DNA聚合酶、4种三磷酸脱氧核糖核昔酸、反应缓冲液等。 1.3.2 PCR方法分类 1.3.2.1 普通PCR
普通PCR方法在过去几年里,是常用的转基因检测方法,早在2000年初始,就成为出入境检验检疫系统的常用方法。陈颖等[19]等选用了五种常见大豆制品,用试剂盒(Kit)法和CTAB法对其中的DNA进行了提取,分析不同方法的内源基因Lectin的扩增效果,结果证明了试剂盒提取的效率较好。王小花等[20]建立一种用于检测的转基因成分的普通PCR技术,该方法选用了大豆转基因标准品为材料,设计了针对内标记lectin、35S启动子和CP4-EPSPS的引物。 1.3.2.2 多重PCR
多重PCR(Multiplex PCR,MPCR)是在单一PCR的基础上,加入多个引物到一个反应中就能检测到多个目标基因的一种方法。王媛等[21]以大豆内源基因 Lectin、3 5S启动子、Nos终止子和筛选基因Epsps为检测对象,优化反应体系中各引物的量,并且筛选出PCR扩增过程中的最佳退火温度,提供了一种应用多重PCR检测大豆中转基因成分的方法。邵碧莹等[22]选用CTAB法提取不同大豆制品的总DNA,设计特异性引物进行二重PCR,最终检测到7个样品具有转基因的存在。陈贞等[23] 设计了6对引物检测棉花中的转基因成分,这些引物能扩增适合的基因片段,通过优化PCR扩增体系中不同引物终浓度和退火温度对多重PCR检测的影响,提供了一种应用6重PCR检测棉花中转基因成分的方法,结果表明:该6重PCR方法检测精度极高。 1.3.2.3 实时荧光定量PCR技术
随着转基因作物的大量种植,现在对转基因产品的检测要求越来越高,由于普通PCR只能对转基因成分进行定性分析,并且还需要进行凝胶电泳,不能满足日益发展的对转基因成分含量的测定,因此,根据实际检测的需要,经过一系列实验探讨,定量PCR检测技术应势而出。目前,常用的定量方法可以分为以下几类:竞争性定量PCR、内/外参照定量PCR和实时荧光定量PCR,在几种定量方法中荧光定量PCR是实验检测中最常用的一种方法,实时荧光定量PCR反应步骤简单,能够有效降低PCR实验过程当中的污染问题。
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1.3.2.3.1实时荧光定量PCR技术原理
实时荧光定量PCR,是在反应体系中加入荧光物质,通过荧光物质发出的信号进行实时监测,然后通过标准曲线的计算公式,计算出未知植物组DNA的初始浓度,完成了DNA的实时检测。实时荧光定量PCR分为两类:染料类和探针类,染料类是通过和双链DNA空间结构相结合,通过判断发光的特征来估算扩增的模板浓度;探针类的原理是探针能够特异性结合DNA序列,主要有Taqman探针、分子信标探针和杂交探针。当前Taqman探针的使用最为普遍。Taqman探针法是在普通PCR的一对引物外,增添一条两头带有荧光标识的特异的寡核昔酸探针,此探针5’端标记荧光报告基团,3’端标记淬灭荧光基团,最常用的荧光基团有FAM和VIC两种,这些基团结合到5’端,发出的荧光可以被临近的3’端淬灭基团吸收。当探针没有被破坏时,淬灭基团将荧光基团发出的荧光吸收掉,因此荧光信号就不能被检测到。在PCR扩增的过程中,在Taq聚合酶的作用下,DNA单链伴随着模板的延伸而逐渐移动,当移到探针的连接位置,外切酶开始发挥活性,切断标记探针,这样荧光基团发出的信号就不能被淬灭,可以发出荧光信号。
1.3.2.3.2实时荧光定量PCR技术应用
实时荧光定量PCR技术具有普通PCR所没有的优点,目前在基因工程、临床医疗等领域已经被广泛应用[24]。在转基因研究领域,白卫滨等[25]研究了亚洲、欧洲、美洲等三大洲的转基因大豆粉标准品,并根据这些大豆的特性设计了一种引物和探针,成功的建立了一种检测豆粉中转基因成分的方法,灵敏度可以达到0.001%。Yoichiro等[26]提出了一种实时荧光PCR方法,该方法能定量检测农作物中的转基因成分,并证明该方法的重现性和重复性较好,为5.0%和15.9%;转基因玉米品系GA21, Event176和Roundup Readysoy检测限0.10 %。陈颖等[27]采用分子生物学相关技术 ,针对转基因玉米品系Event 176、Mon810以及玉米的内源基因Invertase的序列,设计了能特异性结合这些基因的引物探针 ,建立了一种定量检测转基因玉米品系Mon 810和Event 176的方法,该方法的检测灵敏度小于 0 .0 1%,其反应灵敏度远远高于国际上的要求 。朱文斯等[28]利用实时荧光PCR技术,定性检测了不同农作物的加工产品:玉米、棉花、
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大豆、马铃薯、水稻中的转基因成分,认为实时荧光PCR技术快速、灵敏、准确,是一种可以被采用的实用检测并且鉴定植物中转基因成分的方法。 1.3.2.4巢式PCR
巢式PCR (Nested PCR)属于变异的PCR,其原理是在反应体系中加入两对引物,同时进行PCR反应。第一轮扩增在外阴物的引导下进行PCR反应,结束后,其PCR产物将作为第二轮扩增的模板,在另一对引物的存在下进行第二轮的扩增。而半巢式PCR (Semi-nested PCR) 是在巢式PCR的基础上发展起来的,它是利用一对半引物同时进行PCR的反应。深加工产品破坏了植物细胞内的DNA分子,半巢式PCR可以解决被破坏样品难以检测含有转基因成分的问题。闻伟刚等[29]依据转基因大米的Cry1A(b) / Cry1A(c)基因和大米内源基因SPS,总共设计了6对半巢式PCR引物,扩增结果显示,半巢式PCR的检测灵敏度远远大于普通PCR。盛蕾等[30]设计了以CAMV35S启动子、GOX、BARSTAR和BARNASE4的外源基因为检测对象的特异性半巢式PCR引物,在反应中选取油菜籽磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因(PEP)为内源参照基因,反应灵敏度可以达到0.001%。 1.3.2.5 其他PCR方法
此外,还有热不对称交结PCR、免疫层析法等一系列检测方法[31]。Yang等[32]设计了针对油菜Oxy-235插入片段的特异性引物和探针,采用热不对称交结PCR法进行了扩增,可以定性和定量检测Oxy.235菜籽。张隽等[33]依据玉米品系MON89034中外源基因的插入位置设计不同的引物,并在其中选取出最佳反应引物,优化了反应体系和反应条件,成功的建立了一种特异性检测MON89034转化体的LAMP方法,该方法可以特异性检测出MON89034玉米,其检测限为1 pg。鲍蕾等[34]建立了一种免疫层析法,这种方法可以迅速的检测出植物油中的玉米赤霉烯酮的含量,该反应的灵敏度为10μg/kg。Shiro Fukuta等[35]根据大豆中的外源基因CaMV35S启动子设计了6种引物并进行环介导等温扩增,其检测限为0.5%。
1.4生物芯片技术
近年来即使分子生物检测学技术的发展迅速,但是由于基因序列插入的不确定性,检测不同的的DNA序列难度逐渐加大,应用传统实验方法费时费力,已无法完全的地获得和了解越来越多的碱基对信息,人们需要一种新的技术手段来研究众多基因的多态性变化,从而认识它们的功能,了解它们的相互作用和调控关系。在这样的情况下, 上
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个世纪80年代,随着人类对分子生物学方面的不断探索,微流体芯片( gene chip)技术就产生了,在分子生物学研究中,它整合了样品处理、检测和分析过程,这不仅省去了大量的重复操作的费用和时间,也可以用很少的被检样品能得到其包含的很多生物信息,这是传统的其它检测方法(如核酸杂交、抗原抗体免疫反应等)不可比拟的。生物芯片根据碱基对之间相互结合的原理,应用了缩微技术,将分子生物学检测中不连续的分析过程变成连续,将反应物质结合在芯片载体的表面,以实现对生物体内的组分的测定能够快速、准确,更主要的是生物芯片的检测过程是平行的,因此,所得结果可能更加接近生物体内的实际情况。同时也增强了各种信息间的可比性。按照芯片上检测成分的不同,生物芯片被划分成基因芯片、细胞芯片、组织芯片和蛋白质芯片[36]。 1.4.1基因芯片技术
21世纪以来,生物学相关学科发展迅速,越来越多的生物基因组需要测定,基因芯片在这种情况下就应运而生。基因芯片技术应用十分广泛,在确认基因功能、诊断疾病分子水平、检测病原体、发现疾病易感基因等医学与生物学和筛选多靶位同步超高通量药物领域得到广泛应用[37]。基因芯片利用微细加工技术 ,将大量的特定序列的基因探针,按照某种规律固定于面积十分小的载体玻片上,这样就构成了一个二维DNA探针阵列,该阵列可以和待检物质按照碱基互补原则结合。 1.4.1.1 基因芯片技术原理
基因芯片技术是根据碱基互补的原理人为设计一小段基因片段(也就是特异性的探针),在该片段上连接一些可检测的物质,这种物质能与待检样品中的某种特定序列结合。通过平面微细加工技术以及超分子自组装技术把大量的基因探针集成在一个2c㎡的硅片上,从而实现对待检植物组DNA的大规模检测。
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