虾苗场3种重要病原同步定量PCR检测技术的建立
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文章编号:1004-2490(2020)03-0375-10
虾苗场3种重要病原同步
定量PCR检测技术的建立
收稿日期:2019-03-25
基金项目:中国水产科学研究院基本科研业务费(2017HY ZD0302);上海市虾类产业技术体系建设项目[沪农科产字(2014)第5号];公益性行业(农业)科研专项基金(201303047)
作者简介:李楠英(1993—),男,硕士研究生,研究方向:水产动物病害与防治。
E mail:935454951@qq.com通信作者:周俊芳,副研究员。
E mail:zhoujf@ecsf.ac.cn
李楠英1,2,房文红1,王 元1,马清扬1,2,
李新苍1,赵 姝1,符贵红1,周俊芳1
(1.中国水产科学研究院东海水产研究所,农业农村部东海渔业资源开发利用重点实验室,
上海 200090;2.上海海洋大学水产与生命学院,上海 201306)
摘 要:白斑综合征病毒(whitespotsyndromevirus,WSSV)、虾肝肠胞虫(Enterocytozoonhepatopenaei,EHP)和虾虹彩病毒(decapodiridescentvirus1,DIV1)为近年来凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)育苗场内的主要生物性危害因素,其中2种或3种病原共感染的现象也较为常见,快速、准确地检测和鉴别这3种病原是大型苗场生物安保体系构建和无特定病原虾苗生产的迫切需求。
基于SYBRGreenI染料法,建立了同步扩增3种病原的定量PCR检测技术。
结果显示,该同步方法对3种病原的标准曲线相关系数(R2)均大于0.99,且检测限可低至10copy·μL-1,尤其是WSSV,在低至1copy·μL-1时仍能保持较好的组内和组间重复性。
熔解曲线分析显示,该同步定量PCR技术对对虾样品的扩增产物只在78.4℃、79.7℃、83.5℃处出现3个尖锐峰,分别与3种病原(DIV1、EHP和WSSV)扩增产物的T
m
值相对应。
以上结果表明,建立的同步定量PCR检测技术具有较高的检测灵敏度和良好的病原特异性,可以在50min内同步完成对3种病原的快速鉴定和组织内病原含量的确定,既可用于对虾育苗场内对这3种病原的监测,也适用于对养殖对虾病原感染与病害发生的风险预测。
关键词:白斑综合征病毒;虾肝肠胞虫;虾虹彩病毒;同步定量PCR
中图分类号:S945.1 文献标志码:A
引进品种凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)因为生长速度快、适应性强,其种苗培育和养殖产业在我国得到持续发展,成为我国重要水产养殖经济品种。
然而,随着混养与集约化等多种模式的开发和国内外虾类产品与苗种流通的增加,我国凡纳滨对虾病原种类呈现增多趋势,如白斑综合征病毒(whitespotsyndromevirus,WSSV)、传染性皮下及造血组织坏死病毒(infectioushypodermalandhematopoieticnecrosisvirus,IHHNV)、偷死病野田村病毒(covertmortalitynodavirus,CMNV)、桃拉综合征病毒(Taurasyndromevirus,TSV)、黄头病毒(yellowheadvirus,YHV)、传染性肌肉坏死病毒(infectiousmyonecrosisvirus,IMNV)和最近发生的虾虹彩病毒(decapodiridescentvirus1,DIV1)等病毒性病原[1-2]、虾肝肠胞虫(Enterocytozoonhepatopenaei,EHP)等寄生虫性病原[3],以及副溶血弧菌(Vibrioparahaemolyticus)、哈维弧菌(V.harveyi)和气单胞菌(Aeromonassp.)等细菌性病原[4-7]。
其中,WSSV、IHHNV、TSV、YHV、IMNV所致疾病被农业部动物疫病名录(2013)列为二类疫病;尽管EHP、DIV1和致急性肝胰腺坏死病副溶血弧菌
海 洋 渔 业2020年
(V.parahaemolyticusAHPND,Vp
AHPND
)为近几年新发的病原,但是这几种病原对对虾养殖造成的经济损失却非常严重,已经成为虾类养殖业的重要威胁[8-11]。
鉴于对虾病原种类的多样性、危害严重性以及许多养殖病害的暴发源于病原对种苗的微量感染等,近年来生物安保育苗技术在大型对虾育苗场逐步推广[12],部分病原的发病率和暴发程度得到明显控制,如TSV和IHHNV的检出率大幅降低,WSSV也从20世纪末的一类疫病降为二类疫病。
笔者近几年在上海、海南和福建等省市的几家大型凡纳滨对虾育苗场对常见病原的检测结果表明,EHP、WSSV和DIV1为育苗场内的主要生物性危害因素,因此,这3种病原为凡纳滨对虾育苗场内构建生物安保体系的重点监控病原。
由于苗种携带病原呈微量、隐性的感染特征,因此,其检测方法首选样品用量低、灵敏度高的分子生物学技术,如常规、套式和定量PCR等检测技术。
其中,定量PCR技术由于比普通PCR技术灵敏度更高且能够确定病原感染程度,因此,越来越多地被应用于重要病原的检测[13-14]。
与此同时,为了适应大量样品和多种病原的检测需求,PCR检测技术也在向高通量方向发展,比如多重和同步检测技术[15-17]。
然而,到目前为止还没有见到同步检测EHP、WSSV和DIV1的定量PCR技术的报道,因此,本研究的目标是建立同步检测EHP、WSSV和DIV1的定量PCR技术,以期在提高病原检测通量的同时,提高对种苗隐性感染病原的检测灵敏度和对种苗风险评估的精确度,为苗场生物安保体系的构建和对虾健康养殖提供技术支撑。
1 材料与方法
1.1 虾和病原
EHP、WSSV和DIV1阳性对虾样品为本实验室在上海、浙江等地养殖场采集的、经PCR分别鉴定的养殖对虾,保存于-80℃冰箱;维氏气单胞菌(A.veronii)、副溶血弧菌、哈维弧菌等病原为本实验室保存;SPF虾苗采自上海彰显渔业合作社,为阴性对照样品。
1.2 引物
分别设计靶向DIV1MCP基因(GenBank:MF599468)、EHPSWP基因(GenBank:KX258197)和WSSV基因组(GenBank:AF332093.3)的多对引物,送上海生工生物工程有限公司合成。
1.3 DNA提取
由于苗场虾苗个体很小,可根据培育的不同时期采集一定数量的完整个体(约20mg)匀浆,然后参考海洋动物基因组DNA提取试剂盒说明书(天根)提取样品总DNA。
1.4 实时定量PCR质粒标准品的制备
以DIV1、EHP和WSSV阳性样品的总DNA为模板,参考文献[18]的方法和试剂,分别用合成的3种病原的定量PCR引物进行普通PCR扩增。
扩增产物经凝胶电泳纯化后连接pMDTM19 T载体,转化感受态细胞DH5α。
提取的阳性质粒DNA按10倍比稀释成不同梯度的质粒标准品,置于-20℃冰箱保存备用。
1.5 同步扩增定量PCR反应体系和条件的确定及方法建立
首先,参考文献[18]的方法和试剂,确定一种病原(DIV1)的SYBRGreenI实时定量PCR扩增的最佳引物、反应体系和程序。
然后,基于DIV1的反应体系和程序,用EHP和WSSV的系列候选引物对各自的质粒标准品进行定量扩增,根据检测灵敏度、病原特异性和熔解曲线等筛选出各自的最佳扩增引物。
最后,通过进一步验证和优化,建立基于SYBRGreenI的3种病原同步定量PCR检测技术。
2 结果与分析
2.1 同步扩增3种病原的实时定量PCR条件与体系的确定
首先,通过对DIV1引物的筛选,确定了其最佳扩增引物(表1)、反应体系和条件:扩增体系(20μL)包含2×TBGreenPremixExTaqⅡ(Takara)10μL,引物IVQF(10μM)0.6μL,引物IVQR(10μM)0.6μL,DNA模板2μL,无DNA酶水6.8μL。
最后添加ROXReferenceDye0.4μL;扩增条件为95℃30s;然后,95℃5s,60℃20s,循环40次[19]。
最后,将以上DIV1定量PCR方法的体系和条件设定为3种病原同步定量PCR扩增的体系和条件。
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第3期李楠英等:虾苗场3种重要病原同步定量PCR检测技术的建立
2.2 同步扩增条件下,EHP和WSSV最优实时定量PCR检测方法的建立
为了达到同步、高效扩增3种病原的目的,基于DIV1的扩增体系和条件,运用EHP和WSSV的系列备选引物对各自的质粒标准品进行扩增。
通过对各自方法的灵敏度、特异性以及稳定性和熔解峰等筛选分析后,确定了EHP和WSSV的最佳定量PCR引物(表1),建立了同步扩增条件下两者的最优定量PCR检测方法。
如图1~图2和表2~表3所示,两种方法的相关系数(R2)均大于0.99。
其中,EHP的标曲方程和相关系数(R2)分别为y=-3.3815x+37.718和0.997,WSSV的标曲方程和相关系数(R2)分别为y=-3.1129x+35.626和0.999。
将以上系列标准品分别置于-80℃冰箱保存60d后,各自重复检测的结果差异均不显著(P>0.05)。
2.3 同步扩增DIV1、EHP和WSSV的实时定量PCR检测技术的验证
运用本研究建立的3种病原同步定量PCR检测技术,对经套式PCR方法检测过的15份样品(部分样品为1~3种病原阳性)进行同步扩增,并以无DNA酶水作对照,熔解曲线分析结果如图3所示。
在同一块定量PCR板上,熔解曲线只在78.4℃、79.7℃、83.5℃处出现3个尖锐峰,分别与DIV1、EHP和WSSV定量扩增产物的T
m
值一致,而阴性样品和阴性对照没有出现熔解峰。
检测结果如表4所示,15份样品中包含8份DIV1阳性样品、6份EHP阳性样品和2份WSSV阳性样品,检出病原最低基因拷贝数分别为34copy·μL-1(DIV1)、20copy·μL-1(EHP)和68copy·μL-1(WSSV),而原先nPCR的检测阳性数分别为6份(DIV1)、4份(EHP)和1份(WSSV)。
表1 同步扩增DIV1、EHP和WSSV的定量PCR引物
Tab.1 PrimersforsimultaneousdetectionofDIV1,EHPandWSSV
引物Primer序列Sequence病原PathogenIVQFCAATCATGTTGTTGTATCCATCCTTCT
IVQRGGTTTCATTCAACGTAAACGATCTCG
DIV1SWPQFGCAGAGTGTTGTTAAGGGTTTAAGT
SWPQRGCTGTTTGTCTCCAACTGTATTTGA
EHPWSF4CGACAGACTACTAACTTCAGCCTAT
WSR1AAGAGGATACCAGATGCTCGTT
WSSV
表2 EHP实时定量PCR技术的组内重复性
Tab.2 IntragroupvariabilitiesofSYBRGreenⅠqPCRforEHPplasmidDNAdilutions
质粒标准品浓度/(copy·μL-1)Concentrationsofplasmidstandards
CT值 CTvalue
123平均Mean
标准偏差
SD
变异系数/%
CV
1.0×10810.2410.3610.2010.270.080.801.0×10713.7413.9913.7413.820.141.031.0×10617.9917.9718.0017.990.020.091.0×10521.4221.3121.2521.330.080.391.0×10424.1324.3724.6424.380.261.051.0×10326.9526.8426.8626.880.060.211.0×10231.2630.9630.9231.050.190.601.0×10134.5434.3134.0334.290.250.74
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年
图1 EHPSYBRGreenⅠ实时定量PCR检测技术的建立Fig.1 DevelopmentofSYBRGreenⅠ basedqPCRassayforEHP
注:A.不同浓度质粒标准品扩增曲线(1~8:质粒标准品浓度分别为从曲线1的1.0×108copy·μL-1起依次10倍稀释至曲线8的1.0×101copy·μL-1);B.熔解曲线;C.特异性实验:1:EHP阳性样品DNA;2:EHP质粒标准品(1.0×104copy·μL-1);3:SPF
对虾;4:哈维弧菌;5:维氏气单胞菌;6:副溶血弧菌;7:无DNA酶水;D.标准曲线
Note:A.amplificationcurvesofSYBRGreenqPCRforEHPplasmidstandards1-8:concentrationsofplasmidstandardsarein10times
dilutionsequencefrom1.0×108copy·μL-1ofcurve1to1.0×101copy·μL-1ofcurve8;B.meltingcurvesofSYBRGreenqPCRforEHPplasmidstandards;C.assayspecificity:1:EHP positiveshrimpDNA;2:plasmidstandardsofEHP(1.0×104copy·μL-1);3:
SPFL.vannamei;4:V.harveyi;5:Aeromonasveronii;6:V.parahemolyticus;7:DNase freeddH2O;D.standardcurveofSYBRGreenqPCRforEHPplasmidstandards
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第3期李楠英等:虾苗场3种重要病原同步定量PCR
检测技术的建立图2 WSSVSYBRGreenI实时定量PCR检测技术的建立Fig.2 DevelopmentofSYBRGreenⅠ basedqPCRassayforWSSV
注:A.不同浓度质粒标准品扩增曲线(1~8:质粒标准品浓度分别为从曲线1的1.0×107copy·μL-1
起依次10倍稀释至曲线8的1.0×100copy·μL-1);B.熔解曲线;C.特异性实验:1:WSSV质粒标准品(1.0×104copy·μL-1),2:WSSV阳性样品DNA;3:
SPF对虾;4:哈维弧菌;5:维氏气单胞菌;6:副溶血弧菌;7:无DNA酶水;D.标准曲线
Note:A.amplificationcurvesofSYBRGreenqPCRforWSSVplasmidstandards1-8:concentrationsofplasmidstandardsarein10times
dilutionsequencefrom1.0×107copy·μL-1ofcurve1to1.0×100copy·μL-1ofcurve8;B.meltingcurvesofSYBRGreenqPCRforWSSVplasmidstandards;C.assayspecificity:1:plasmidstandardsofWSSV(1.0×104copy·μL-1);2:WSSV positiveshrimpDNA;
3:SPFL.vannamei;4:V.harveyi;5:Aeromonasveronii;6:V.parahemolyticus;7:DNase freeddH2O;D.standardcurveofSYBRGreenqPCRforWSSVplasmidstandards
表3 WSSV实时定量PCR技术的组内重复性
Tab.3 IntragroupvariabilitiesofSYBRGreenqPCRforWSSVplasmidDNAdilutions
质粒标准品浓度/(copy·μL-1)Concentrationsofplasmidstandards
CT值CTv
alue123平均Mean标准偏差
SD变异系数/%
CV
1.0×10
7
13.7413.7513.7913.760.020.141.0×106
16.7816.7016.9016.790.080.501.0×10
5
20.2320.2620.3220.270.040.181.0×104
23.3823.3223.3123.340.030.121.0×10
326.6126.6126.6426.620.010.051.0×102
28.9228.9328.8528.900.040.121.0×10
132.2432.2932.2932.280.020.071.0×10
0
35.93
35.85
35.88
35.89
0.03
0.10
9
73
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年
图3 同步定量PCR检测技术扩增对虾DNA的产物熔解曲线图
Fig.3 MeltingcurvesofproductsamplifiedfromshrimpDNAbysynchronousSYBRGreenqPCRassay
注:1:DIV1阳性DNA;2:EHP阳性DNA;3:WSSV阳性DNA;4:DIV1、EHP和WSSV阴性DNA以及无DNA酶水
Note:1:DIV1 positiveDNA;2:EHP positiveDNA;3:WSSV positiveDNA;4:DIV1 ,EHP ,andWSSV negativeDNAandDNase freeddH2
O表4 同步定量PCR和套式PCR对对虾样品中3种病原的检测结果对比
Tab.4 ComparisonofdetectionresultsofthreepathogensinL.vannameisamplesbysynchronousqPCRandnPCRassay
样品编号Samplenumber
DIV1
nPCRqPCR/
(copy·μL-1
)
EHP
nPCRqPCR/
(copy·μL-1
)
WSSV
nPCRqPCR/
(copy·μL-1
)
1-0-0-02+20335-0-03-0+197069-04-0-0-05+332455755-0-06+2147+536+19577-0-0-08-34+181439-09+457-0-010+1309-20-011-0-0-012-73-0-013-0-52-014
-0-0-6815+1019+1170-0DNase freeddH2
O-
0
-
0
-
0
3 讨论
白斑综合征病毒、虾肝肠胞虫和虾虹彩病毒自发生以来先后对我国养殖凡纳滨对虾造成了
重大经济损失[9,20-21]。
研究表明,对虾常常被两
种以上的病原同时感染,即对虾病原存在共感染
甚至协同致病现象。
JOSEPH等[22]
在斑节对虾
(Penaeusmonodon)育苗场内调查发现,104份虾苗样品中,WSSV、斑节对虾杆状病毒(Penaeusmonodonbaculovirus,MBV)和肝胰腺细小病毒(hepatopancreaticparvovirus,HPV)共感染(双病原或3病原共感染)率占被检虾苗总数的
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第3期李楠英等:虾苗场3种重要病原同步定量PCR检测技术的建立
60.6%;胡文娟等[23]对对虾病毒的调查中也发现,WSSV与IHHNV在我国养殖的凡纳滨对虾中存在共感染现象。
本研究中对虾样品的验证结果也表明,当前养殖对虾体内存在两种病原(EHP与WSSV或EHP与DIV1)甚至3种病原(EHP、DIV1和WSSV)共感染的现象。
多个研究表明,建立同步或多重定量PCR检测技术可以让对虾病原的共感染现象和相对感染程度得到更清晰的揭示:SIBONGA等[24]通过建立多重PCR技术,发现斑节对虾育苗场内同时存在WSSV、MBV和IHHNV;刘飞等[25]则建立了可同时检测6种对虾病毒[WSSV、IHHNV、HPV、TSV、IMNV和对虾杆状病毒(BP)]的多重PCR检测方法,大幅提高了病原检测效率。
但是,由于普通PCR方法需要对扩增产物进行电泳等后续处理,而且其检测灵敏度比定量PCR要低很多,因此,多重或同步qPCR技术更加符合高通量、快速出报告的苗场生物安保监测要求;而且,qPCR技术还可以对病原的感染程度进行准确评估。
LEAL等[16]和XIE等[26]通过建立同时检测WSSV、IHHNV的双重qPCR技术和同时检测WSSV、IHHNV与TSV的三重(RT )qPCR技术,不仅鉴别了对虾样品中共感染的病原,而且对每种病原的感染程度进行了定量分析。
由于寡核苷酸的添加会影响qPCR的扩增效率,因此,多重qPCR检测灵敏度比单病原qPCR技术要低[16]。
如果检测对象为体质量较大的养殖对虾,这种细小差异对于疾病诊断和病害防控策略的影响相对较小,但是对于体质量很轻且病原含量很低的虾苗而言,采用同步qPCR检测方法也许更为合适。
本研究的质粒扩增结果表明,当总DNA中靶基因含量低至10copy·μL-1时,本研究建立的3病原同步定量PCR检测技术对每种病原均能保持良好的组内和组间重复性,其中,WSSV在基因拷贝数为1copy·μL-1时仍然保持较好的组内和组间重复性。
对经套式PCR鉴定过的对虾样品的验证结果也显示,15份样品DNA中3种病原的最低基因含量分别为34copy·μL-1(DIV1)、20copy·μL-1(EHP)和68copy·μL-1(WSSV),这些病原的基因含量均低于nPCR对同一样品的检测限,因此,同步定量PCR检测阳性数显著多于nPCR。
值得一提的是,本研究建立的WSSV定量PCR检测技术,在WSSV含量为2copy·reaction-1(即1
copy·μL-1)时对应的平均C
T
值仍然小于36,而已经报道的、同样基于SYBRGreenI染料法的WSSV定量PCR检测方法,在WSSV基因含量为
11.85copy·reaction-1时,其C
T
值已经大于36[27]。
以上分析表明,本研究所建立的同步定量PCR技术不仅稳定,而且具有较高的检测灵敏度。
对熔解曲线进行分析还可以看出,在同一块定量PCR板上对3种病原进行同步扩增后,扩增产物熔解曲线只在78.4℃、79.7℃、83.5℃处出现3个尖锐峰,恰好对应DIV1、EHP和WSSV的
产物T
m
值,而阴性样品和阴性对照均没有出现熔解峰。
事实上,该同步qPCR检测技术已经多次被用于养殖凡纳滨对虾样品的检测,包括对部分养殖示范合作社内养殖虾类病原的长期跟踪检测,并多次检出了目的病原,其熔解曲线始终未见到异常扩增的情况(结果未显示),表明此同步qPCR方法具有良好的病原特异性,在复杂样品中只扩增目标病原基因序列[28]。
除此之外,由于感染对虾的微孢子虫种类较多,因此,本研究选择编码EHP的SWP基因为靶标[29],也在一定程度上提高了该同步定量PCR技术的病原特异性。
综上,本研究建立的3种病原同步定量PCR检测技术,可以充分发挥定量PCR技术96孔板、384孔板的高通量优势,尤其是当单份样品中个体数量较少时,可实现多病原同板扩增,不仅能大幅缩短检测时间,提高苗场病原监测的时效性,而且可以快速揭示病原的共感染或协同现象。
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3
海 洋 渔 业2020年
AsynchronousquantitativePCRassayforsimultaneousdetection
ofthreesignificantpathogensinshrimphatcheries
LINanying1,2,FANGWenhong1,WANGYuan1,MAQingyang1,2
,
LIXincang1,ZHAOShu1,FUGuihong1,ZHOUJunfang
1
(1.KeyLaboratoryofEastChinaSeaandOceanicFisheryResourcesExploitationandUtilization,MinistryofAgricultureandRuralAffairs,EastChinaseaFisheriesResearchInstitute,ChinaAcademyofFisherySciences,Shanghai 200090,China;
2.CollegeofFisheriesandLifeScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai 201306,China)
Abstract:Whitespotsyndromevirus(WSSV),Enterocytozoonhepatopenaei(EHP)anddecapodiridescentvirus1(DIV1)havebeenmainbiologicalhazardsinLitopenaeusvannameihatcheriesinrecentyears,andco infectionswithtwoorthreepathogensarecommon.Rapidandaccuratedetectionandidentificationofthesethreepathogensisanurgentneedfortheconstructionofbiosecuritysystemandtheproductionofspecificpathogenfree(SPF)seedinlarge scaleshrimphatcheries.BasedontheSYBRGreenI,aquantitativePCR
techniqueforsimultaneousdetectionofthethreepathogenswasdeveloped.Correlationcoefficients(R2
)forallthreepathogensweregreaterthan0.99withthedetectionlimitsaslowas10copy·μL-1.EspeciallyforWSSV,whenthedetectionlimitwasaslowas1copy·μL-1,thetechniquestillmaintainedgoodlevelsof
intra groupandinter grouprepeatabilities.Meltingcurveanalysisshowedthattherewereonlythreesharppeaksoftheamplifiedproductsofshrimpsamplesat78.4℃,79.7℃,83.5℃,whichcorrespondedtotheTmv
aluesofDIV1,EHPandWSSV,respectively.Incontrast,nomeltingpeakswereobservedinallofthenegativecontrols.TheaboveresultsshowedthatthesynchronousquantitativePCR(qPCR)assayhadbothhighdetectionsensitivityandgoodpathogenspecificity,whichcouldquicklyidentifythethreepathogensanddeterminethepathogencontentintissueswithin50min.Therefore,thesynchronousqPCRassaycanbeusednotonlytomonitorthethreepathogensinshrimphatcheries,butalsotopredicttheriskofpathogenicinfectionanddiseaseoccurrenceinshrimpfarms.
Keywords:whitespotsyndromevirus(WSSV);Enterocytozoonhepatopenaei(EHP);decapodiridescentvirus1(DIV1);synchronousquantitativePCRassay
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