来源:亚利桑那大学 Ian Pepper 博士和 Charles Gerba 博士实验室
演示作者:Bradley Schmitz
定量聚合酶链式反应(qPCR),也称为实时PCR,是一种广泛用于定量环境中微生物的分子生物学技术。在此方法出现之前,微生物的定量主要依赖于传统的基于培养的技术。然而,从…
1. 样品采集
2. 核酸提取
3. 逆转录
4. 建立 qPCR
5. qPCR 操作
| 试剂 | 序列 (5’ → 3’) | 体积 (μL / 孔) | 终浓度 |
| 正向引物 | GAGTGGTTTGACCTTAACGTTTGA | 2.25 | 900 nM |
| 反向引物 | TTGTCGGTTGCAATGCAAGT | 2.25 | 900 nM |
| 探针 | FAM-CCTACCGAAGCAAATG-BHQ1 | 1.0 | 200 nM |
表1. 检测辣椒轻斑驳病毒的示例引物和探针序列。
| 试剂 | 体积 (μL / 孔) | 孔数 | 总反应混合液体积 (μL) |
| LC 480 Mix | 12.5 | 26 | 325 |
| 分子级 H2O | 4.5 | 117 | |
| 正向引物 | 2.25 | 58.5 | |
| 反向引物 | 2.25 | 58.5 | |
| 探针 | 1.0 | 26 | |
| 总计 | 22.5 | 585 |
表2. 单个反应和总反应混合液的试剂体积。
定量聚合酶链式反应(qPCR)的出现使得能够对环境样本中任何微生物的数量进行定量测定。
与常规PCR类似,qPCR通过检测目标微生物特有的DNA序列是否存在来鉴定微生物。这种方法能够检测那些在实验室条件下无法培养的微生物,从而使得更广泛范围的环境微生物得以分析。此外,qPCR还可对DNA的数量进行定量评估。但与此同时,PCR方法会检测到无论生物体死活的所有DNA,因此限制了仅针对样品中活跃生长的微生物进行检测的能力。
本视频将回顾使定量PCR(qPCR)区别于常规PCR的化学技术革新,解释qPCR如何用于DNA的定量检测,演示利用qPCR从土壤样本中检测RNA病毒的实验方案,并最后展示qPCR在当今环境微生物学中的应用。
qPCR 的基本原理与常规 PCR 相同——引物与模板反复进行退火、PCR 产物延伸以及产物与模板的变性,从而从起始材料池中对目标序列(即扩增子)实现指数级扩增。
qPCR 的创新之处在于向反应体系中添加了荧光化学物质,这使得特制的热循环仪能够“实时”直接观察每个循环中 PCR 产物的合成情况,从而可以定量原始样本中模板序列的含量。该含量通常以阈值循环数(threshold cycle,缩写为 Ct)来衡量,Ct 也称为定量循环数(Cq),即 PCR 循环中荧光产物量超过背景水平的循环数。
定量可以是相对的,即一个序列的Ct值与另一个标准或对照序列的Ct值进行比较;相对量等于2的Ct值差的幂次方。或者,如果在反应中同时检测一系列已知数量的DNA样本,则可生成一条将荧光值与DNA量进行比较的标准曲线,从而实现对样本DNA的绝对定量。
在qPCR中使用的荧光分子主要有两大类。其中一类是在反应中加入可特异性结合双链DNA的荧光染料。该染料仅在与DNA结合后才会发出荧光,从而可对双链DNA产物的量进行定量。
在另一种方法中,针对特定的目标序列设计一段较短的DNA片段,称为探针。该探针在化学上连接了一种荧光染料以及一种“淬灭剂”分子;当淬灭剂与染料紧密接近时,可抑制染料的荧光信号。合成DNA产物的DNA聚合酶具有降解DNA的活性,会导致荧光分子从探针上“释放”,从而使染料与淬灭剂分离,荧光信号得以被检测。
了解了qPCR背后的原理后,接下来我们来看一个实验方案:如何利用该技术从土壤样本中检测感染植物的RNA病毒——辣椒轻斑驳病毒。
在本实验中,将从根际采集样品,根际是指受植物根系及其共生微生物影响的、植物根部周围约7 mm范围内的土壤区域。
采集根际土壤时,首先小心地将目标植物从土壤中取出,并轻轻敲击以尽可能去除多余的散土。将植物封装,以便后续在实验室中进行处理。
将样品带回实验室后,使用无菌刮勺将所需土壤刮入收集容器中。随后,从土壤中收集病毒并提取RNA。
从样品中提取RNA后,通过逆转录将其转化为互补DNA(cDNA)。有关该实验步骤的详细信息,请参阅JoVE SciEd关于逆转录-PCR的视频。
准备进行qPCR时,将冷冻的试剂在专用的层流罩内室温解冻,解冻后立即置于冰上。含有DNA聚合酶的试剂组分应始终保存在冰上。
解冻样本cDNA和阳性对照DNA,例如含有目的扩增片段的环状DNA(即质粒)。
在将反应体系加入96孔qPCR板之前,先在纸上准备一个96格的表格模板,并为每个格子标注将要加入的反应体系。每个样本和标准品均需设置三个复孔,同时包括阳性对照和阴性对照(例如无DNA的反应)。
计算反应“主混合液”所需的试剂体积,主混合液包含所有在各反应中保持不变的试剂。主混合液的配制量应足够用于所有样品及对照组的三个重复反应,并额外增加10%以弥补移液误差。
待试剂解冻后,在一个 1.5 mL 的低吸附微量离心管中配制预混液。操作时,先将每种试剂短暂涡旋振荡以充分混匀,再用小型离心机将管壁上的液体甩至管底,随后用移液器将试剂转移至微量离心管中。注意每种反应组分均需使用新的移液器吸头。待所有试剂加入后,涡旋混匀并离心。然后,将适量的预混液分装至 PCR 板上指定的孔中。
接下来,将含有样本和对照DNA的各管涡旋振荡并离心,然后用移液器将适量液体加入PCR板上相应的孔中。加样完成后,用密封膜封住PCR板,并使用封板工具将密封膜完全压平,排出任何气泡。小心撕去密封膜两端的非粘性标签。
为将反应混合物完全收集至孔板底部,将反应板放入配备板架的离心机中,并使用配平对照板对转子进行适当平衡。以不超过 1,000 rpm 的速度瞬时离心该板,然后让离心机在不使用刹车的情况下缓慢停止。
将反应板放入qPCR仪中。根据制造商的说明书设置PCR程序,并根据所使用的引物对设定退火温度。启动反应程序运行。
qPCR 程序完成后,软件将能够利用阳性对照的已知浓度来计算每个反应中 cDNA 的含量,进而推算出原始样本中病毒的含量。
qPCR 程序完成后,软件将能够利用已知浓度的阳性对照来计算每个反应中 cDNA 的含量。
根据qPCR结果、转入孔中的体积、土壤提取物以及逆转录因子,可以计算出初始土壤样品中的病毒数量。
现在您已经了解了qPCR的实验方法,接下来让我们看看如何利用它来分析不同的环境样品。
qPCR可用于定量从多种不同类型的样本中回收的病毒数量。在此应用中,通过多种不同方法从水样中浓缩了两种不同类型的腺病毒。随后从病毒中提取DNA并进行qPCR检测,以评估各浓缩方法的相对效率。
基于qPCR的微生物计数的另一个应用是量化食品和农业样品中的细菌含量——在此示例中,来自养鸡场的粪便和垫料样品。研究人员并未针对单一物种,而是使用针对所有细菌中高度保守基因的引物进行qPCR,以定量样品中总细菌群落的含量。
最后,如前所述,传统定量PCR(qPCR)方法的一个缺点是无法区分活的和死的微生物。然而,通过添加一种名为叠氮溴化丙锭(propidium monoazide,简称PMA)的化学试剂,该试剂只能进入死细胞并结合其DNA,从而抑制后续的酶促反应(如PCR),研究人员得以区分污染食品和水中常见的致病性大肠杆菌O157:H7的活菌与死菌培养物。
您刚刚观看了JoVE关于使用qPCR定量环境微生物和病毒的简介。您现在应该了解qPCR的工作原理、如何使用qPCR测定环境样品中微生物的数量,以及该技术的一些应用。感谢观看!
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Q1: How does qPCR differ from standard PCR in measuring microorganisms?
qPCR adds fluorescent chemicals to the reaction, allowing real-time visualization of PCR product synthesis at each cycle. This enables quantification of the target DNA sequence in the original sample by measuring the threshold cycle (Ct), the cycle where fluorescent products exceed background. Standard PCR only detects presence or absence of DNA, while qPCR provides quantitative measurement.
Q2: What is the threshold cycle and why is it important in qPCR analysis?
The threshold cycle (Ct), also called the quantification cycle (Cq), is the PCR cycle at which fluorescent product signal exceeds background noise. It is important because it directly correlates to the amount of target DNA in the original sample. Lower Ct values indicate more starting template, allowing researchers to quantify microorganism concentrations by comparing Ct values between samples and known standards.
Q3: What are the two main types of fluorescent molecules used in qPCR?
The first type uses fluorescent dyes that bind specifically to double-stranded DNA and only fluoresce when bound. The second uses a probe—a short DNA sequence designed against a specific target—chemically attached to both a fluorescent dye and a quencher molecule. When the polymerase degrades the probe during synthesis, the dye separates from the quencher, allowing fluorescence detection.
Q4: Why can qPCR detect microorganisms that culture-based methods cannot?
qPCR identifies microorganisms by detecting specific DNA sequences rather than requiring live cultures. Since only 1 to 10 percent of environmental microorganisms are culturable using classical techniques, qPCR enables detection of non-culturable species. However, qPCR detects DNA from both living and dead organisms, limiting its ability to distinguish actively growing microbes from inactive populations.
Q5: How is rhizosphere soil collected for qPCR virus detection?
Rhizosphere soil is the zone approximately 7 millimeters around plant roots influenced by roots and their symbiotic microorganisms. To collect it, carefully extract the plant from the ground and remove excess bulk soil by striking it. Package the plant for lab processing, then use a sterile spatula to scrape the desired soil into a collection vessel for virus extraction and RNA analysis.
Q6: What role does propidium monoazide play in distinguishing live from dead microorganisms?
Propidium monoazide (PMA) is a chemical that enters only dead cells, where it binds to DNA and inhibits subsequent enzymatic reactions like PCR. By adding PMA before qPCR, researchers can selectively prevent amplification from dead microorganisms, allowing differentiation between viable and non-viable populations. This overcomes a major limitation of standard qPCR methodology.
Q7: How can qPCR quantify total bacterial communities in environmental samples?
Rather than targeting individual bacterial species, scientists design qPCR primers against highly conserved genes found in all bacteria. This approach quantifies the total bacterial community present in samples such as food, agricultural, or fecal samples. By measuring the combined DNA from all bacteria, researchers obtain an overall assessment of bacterial content without identifying specific species.