本プロトコルでは、DNAバーコーディング技術を使用して植物由来の薬用材料を認証し、薬用植物 Angelica sinensis (Oliv.)ディールズは例として挙げられました。
本プロトコルでは、DNAバーコーディング技術を使用して植物由来の薬用材料を認証し、薬用植物 Angelica sinensis (Oliv.)ディールズは例として挙げられました。
薬用植物は世界的に貴重な資源であり、健康を維持し、病気を治療するために世界中で使用されています。しかし、不純物の存在はそれらの発達を妨げます。DNAバーコーディングは、標準的なDNA領域による種同定技術であり、従来の薬用植物の迅速かつ正確な同定を容易にします。DNAバーコーディングのプロセスは、6つの基本的なステップを伴います:1)薬用植物の処理、2)遠心カラム法を使用して薬用植物から高品質の総DNAを抽出する、3)植物のユニバーサルプライマーで標的DNA領域内部転写スペーサー2(ITS2)を増幅し、サンガーシーケンシングを実行する、4)スプライシングとアラインメントシーケンスを使用してターゲット配列を取得し、 5)バーコード配列をバーコードライブラリと照合して識別し、6)配列を整列させ、種内および種間変異を比較し、系統発生的な隣接結合ツリーを構築します。結果に示されているように、ユニバーサルプライマーは標的領域を増幅することができます。Basic Local Alignment Search Tool (BLAST) は、特定されたパーセンテージが 100% であることを示し、隣接結合ツリーは、スプライシング シーケンスが A. sinensis OR879715.1 クレードでクラスター化され、クレード支持値が 100 であることを示しています。このプロトコルは、薬用植物や不純物を同定する効果的な方法としてDNAバーコーディング技術を適用するための参考資料を提供します。
薬用植物は幅広い薬理作用を持ち、病気の治療や予防に重要な物質です。漢方薬や医薬品の薬用植物に対する市場の需要は膨大で、現在も成長しています。薬用植物の市場が拡大するにつれて、偽和の問題は薬用植物の開発を妨げてきました。現在、薬用植物の偽和物はこれらの理由に苦しんでいます:1)薬用植物の類似した形態は、それらを正しく識別して使用することを困難にします1,2,3,4,5、2)薬用植物の需要の増加により、市場での供給が不十分になっています6,7、3)薬用植物は高価で価格が変動し、経済的に価値のある材料の代わりに安価なハーブを使用することは、不純物混入と市場不当利得につながっています8,9。薬用植物の適切な同定と使用の問題を解決するためには、非専門家が発生源10を特定できる技術が必要である。
薬用植物を外観と匂いだけで適切に識別し、使用するには限界があります11。より正確な同定と品質管理のために、物理化学的方法が採用されています12。例えば、薄層クロマトグラフィー(TLC)は、薬草を迅速に同定する方法であり、中国薬局方に含まれています。それにもかかわらず、植物13を特定するための参照標準が必要です。高速液体クロマトグラフィー(HPLC)は、定性試験と定量試験の両方を実行できるため、医薬品の品質試験に適しています。ただし、この機器は高価であり、14,15を操作するには専門知識が必要です。DNAバーコード技術は、安定したDNA配列を用いて類似した形態の植物を区別することで、迅速かつ正確な種同定技術です。Hebertらは、ゲノム16内の認識された比較的短いDNA配列を使用する種を同定するためのDNAバーコード技術を提案し、Chenらは、薬用植物の分子同定のための普遍的な配列としてITS2を提案し、6600以上の植物を同定し、高い同定能力を発見した17。ITS2および葉緑体遺伝子断片に基づく薬用植物の研究は、資源保護、市場規制、および国際貿易の分野での応用により、種レベルで種を区別する能力を実証している17,18,19。DNAバーコードの適用は、従来の同定方法の限界を克服することができ、これは薬用植物の品質と安全性を確保し、資源の乱用と混乱を防ぐのに役立つ20。これは、薬用植物の研究、持続可能な方法でハーブ産業の成長のサポート、および消費者が正しい薬を使用することの保証を提供するのに有益であることが証明されています21,22,23,24。
この論文では、A. sinensisを例に、DNAバーコーディングを適用して薬用植物を同定する方法のプロトコルを概説しています。DNAバーコードは、生物のDNAに含まれる1つ以上の標準化された短い遺伝子マーカーを利用して、特定の種に属するものとして認識します。現在の薬用植物の同定方法には一定の限界があります。従来の形態学的同定は、専門家の広範な経験に大きく依存しており、これは人的要因の影響を受ける可能性がありますが、化学的同定は主要な化合物の不純物混入などの問題を引き起こしやすい傾向があります。対照的に、DNAバーコードは、より正確な種同定手段を提供し、速度、高い再現性、安定性などの利点を提供します。さらに、この技術により、インターネットや情報プラットフォームを通じて既存の種配列データを一元的に管理・共有することが可能になり、種の同定の効率と信頼性が大幅に向上します11,12。それらの類似した形態と薬用部分のために、A. sinensisはしばしば他の種と混同され、市場で頻繁に誤用されたり、意図的に置き換えられたりします25。Yangらは、DNAバーコードを使用してA.anomalaを偽の薬物と区別するためにA.anomalaを同定しました26。Yuanらは、アンジェリカの23種を収集し、DNAバーコードを使用してさまざまな種を区別しました27。このプロトコルに記載されている手順に従うことで、ユーザーは前処理からバーコード配列とバーコードデータベースとの最終的な照合まで、植物由来の医薬品材料を認証することができます(図1)。
1. サンプル調製
2 サンプルからのDNA抽出
注:この研究では、CTAB法に基づく植物ゲノムDNA抽出キットを使用しています。DNA抽出は、取扱説明書に従って行われますが、独自のNuclear Isolation Buffer(NIB)を追加するなど、いくつかの変更を加えています。このプロトコルは、最初に組織から汚染物質を分離し、次に最初の核単離ステップ28,29,30を追加することにより、DNAの純度を向上させます。
3 ターゲットフラグメントの増幅と検出
注:植物の提案されたDNAバーコード領域に基づいて適切な増幅プライマーを選択してください。反応条件を 表2に示します。
4. データの収集と分析
注:さまざまなシーケンスアセンブリおよび分析ソフトウェアがあります。例として、Codon code Aligner V11.0.1とMEGA11を使用しています。
サンプルDNAの品質
OD260/OD280の吸光度比の範囲は1.80〜1.84であった。分光光度計で測定した各サンプルのDNA量は100 ng/μLを超えており(表3)、サンプルDNA抽出の品質が良好であることを示しています。これは、抽出プロセス中にサンプルがタンパク質、RNA、または試薬によって汚染されておらず、サンプルの品質が良好で、ダウンストリームのPCR増幅に適していることを示しています。
PCR解析
ゲル電気泳動は、3つの並行実験サンプルのPCR産物に対して行った。セットアップは、 図3に示すように、マーカー、サンプル1〜3(AS-1、AS-2、AS-3)、およびネガティブコントロール(0)でした。AS-1、AS-2、AS-3のサイズはいずれも500 bpで、1つの明るく明確なバンドがあり、0にはバンドはなく、抽出されたDNAがITS2プライマーを使用して500 bpに増幅されたことを示しています。
シーケンシング結果のデータベース比較
シークエンシングの結果は、GPGDデータベースの種同定結果と同じNCBIデータベースのBLAST同定結果を組み合わせることで、100%の配列類似性を持つ A. sinensis を同定しました(表4)。BLAST の結果は、最も高いパーセント ID スコアと最も低い e 値を使用して決定されました。種の同定は、最も高い最大同定率に単一の種が含まれ、>99%のスコアを獲得した場合に成功したと見なされました。スコアが99%≤場合は、シーケンシングファイルの品質、またはPCR産物が汚染されていないかを確認してください。
系統樹に基づく種同定の解析
その結果、構築されたニュージャージー州の系統樹では、4種すべてが別々のクレードに集まっており、アウトグループとしての P.praeruptorum は Angelica クレードから分離されていることが示されました。スプライシング配列は A. sinensis OR879715.1 クレードでクラスター化され、クレード支持値 (ブートストラップ) は 100 であり、他の 2 種、 A. dahurica と A. cartilaginomarginata はそれぞれ別々のクレードにクラスター化され、スプライシング配列が A. sinensis であることが証明されました (図 4)。

図1:薬用植物種の識別フローチャート。 (A)植物の処理、DNAの抽出、薬用植物のシーケンシング、(B)データベースを使用した種配列の比較、および(C)種間の系統関係を確認するための分類学的検証のための系統樹の使用。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:薬用植物のDNA抽出ワークフロー。 (A)薬用植物からDNAを抽出するには、合計6つのステップが含まれます。(B)PCR機器の増幅およびPCRサイクリングプロセス。(C)電気泳動。(D)サンガーシーケンシングおよびシーケンシングクロマトグラム。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3: Angelica sinensis (Oliv.)のゲル電気泳動ディールズ。 DL5000のDNAマーカーを分子マーカーとして、AS-1、AS-2、AS-3をサンプルとし、0を対照群とします。ゲル電気泳動を行ったところ、AS-1、AS-2、AS-3の全てのサンプルに500 bpのバンドがあり、コントロールではバンドが見られませんでした。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:13の配列から作成された隣接結合系統樹。 NCBIデータベースから4つの植物種から合計10の配列をダウンロードし、スプライシング配列を比較して、種内および種間配列の変動を解析および比較し、系統発生的に隣接する結合木を構築しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
| 材料・設備名 | 用量 |
| ポリビニルピロリドン | 10グラム |
| トリス-HCl | 1 M 50 mL |
| エチレンジアミン四酢酸 | 0.5 M 20 mL |
| NaClの | 20.45 グラム |
| β-メルカプトエタノール | 10ミリリットル |
| 滅菌脱イオン水 | 500ミリリットル |
表1:核分離バッファー製剤試薬。
| バーコード | 入門 | プライマー配列 (5'-3') | PCR増幅シーケンシング | |||
| ITS2の | R:3R | GACGCTTCTCCAGACTACAAT | 94°C | 5分間 | ||
| 94°C | 30代 | 40サイクル | ||||
| 56°C | 30代 | |||||
| F:2階 | ATGCGATACTTGGTGTGAAT | 72°C | 45秒 | |||
| 72°C | 10minの | |||||
表2:DNAバーコードプライマーとPCR反応条件。
| サンプル | DNA抽出(ng/μL) | OD260/OD280 |
| AS-1 | 124 | 1.84 |
| AS-2 | 184 | 1.81 |
| AS-3 | 164 | 1.82 |
表3: アンジェリカシネンシス (Oliv。DielsはDNA品質を抽出しました。
| サンプル | アラインメントされた配列の長さ(bp) | スプライシングシーケンスの長さ(bp) | GC(%) | NCBI:BLASTの割合(%) | GPGD:種の識別率(%) |
| AS-1 | 500bpの | 229bpの | 55.50% | 100% | 100% |
| AS-2 | 504bpの | 229bpの | 55.50% | 100% | 100% |
| AS-3 | 499bpの | 229bpの | 55.50% | 100% | 100% |
表4:シーケンシング結果のデータベース比較。
分子同定技術は、従来の同定方法よりも習得が容易です。それは、植物の成長段階に影響されず、主観的な判断や専門的な専門知識の蓄積に依存しないため、伝統的な薬草の同定の限界を克服する35。他の種は、その類似した形態と薬用部分のために A. sinensis と混同されるが、DNAバーコードを使用することで、それは決定的に識別することができる36。
このプロトコルの主要なステップには、いくつかの重要な考慮事項が含まれます。まず、ハーブの取り扱いやDNA抽出の際の汚染を避けることは、外来DNAや不純物が結果を損なうのを防ぐために不可欠です。外部の汚染物質を除去するには、サンプルの適切な洗浄が必要であり、徹底的な粉砕は試薬相互作用の表面積を増やすことでDNA抽出を強化します。また、試薬との効率的な混合を確保し、より良い細胞溶解とDNAの放出を可能にするために、適切な量のサンプルを使用することも重要です。最後に、過度の加熱はDNAの劣化につながり、抽出されたDNAの品質に影響を与える可能性があるため、ウォーターバス時間の制御は非常に重要です。これらのステップを組み合わせることで、分析用の高品質なDNAの抽出を確実に行うことができます。
薬用植物には、DNAの抽出と増幅に影響を与える多糖類とポリフェノールが含まれています。Nuclear Isolation Bufferを使用すると、これらの物質の影響が軽減され、核溶解が可能になり、高純度gDNA 28,29,30の抽出が向上します。現在、DNA抽出法には、遠心カラム法、CTAB法、SDS法の3つの主要な方法があります。しかし、この研究では、その安定性、簡便性、効率性、および高濃度のDNAを抽出する能力37、および溶出バッファーを加熱することで、より高品質でDNAを溶出するのに役立つため、実験に遠心カラム法を選択しました。ここで、この研究では、ITS2特異的プライマー17,38を選択し、短いITS2配列は、高い種間変動と同定の範囲が広い他のプライマー39と比較して、効率的な分類学的配列タグとして機能する。増幅の失敗の考えられる理由は、一部のサンプルのDNA分解です。別の可能性は、使用されるITS2ユニバーサルプライマーのペアが特定の種に対して機能しないか、またはユニバーサルプライマー40の代替セットを使用する可能性があることである。BLAST の結果は、最も高いパーセント ID スコアと最も低い e 値を使用して決定されました。種の同定は、最も高い最大パーセント同定が単一の種を含み、スコアが >99%40,41 の場合、成功したと見なされました。スコア ≤99% の場合、シーケンシング ファイルの品質を確認するか、PCR 産物が汚染されているかどうかを確認してください。
要約すると、DNAバーコードは、伝統的な漢方薬の品質管理と国際的なハーブ取引において重要な役割を果たすべきです。このホワイトペーパーでは、植物DNAの抽出に関するいくつかの洞察と、薬用植物の同定にDNAバーコード技術を使用するための詳細なガイドを提供します。実験プロセス中に注意すべき重要なポイントを強調しています。したがって、この論文は基本的なハーブの識別のための参照を提供し、より多くの人々が技術を迅速に習得するのに役立ちます。ただし、単一軌跡バーコード識別の効率が不十分な特殊なケースでは、参照ライブラリに依存します。高い種被覆率を持つ参照ライブラリーを構築することは、DNAバーコード42を使用して種を特定するための大きな一歩であり、多くの研究者は、マルチローカスバーコード技術が効率を向上させることができると提案している43,44。さらに、分子技術の発展に伴い、ZhengらはDNAバーコード技術を等温DNA増幅技術およびRPA-LFD検出と組み合わせて、有毒植物45を迅速に認証し、いくつかの既製キット46も開発している。DNAバーコードデータベースは絶えず改善されており、漢方薬の同定方法の一般化、標準化、国際化を促進する上で重要な役割を果たしています。
著者らは、この研究は、潜在的な利益相反と解釈される可能性のある商業的または金銭的関係がない状態で実施されたと宣言します。
この仕事は、才能のある人、科学研究開始、中国伝統医学大学(030040015)の資金助成プロジェクトを紹介することによって支援されました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| CTABラピッドプラントゲノムDNA抽出キット | 上海恵陵バイオテクノロジー株式会社 | NG411M | 広範囲の植物の異なる組織から高品質のゲノムDNAを迅速に抽出するのに適しています |
| DL5000 DNAマーカー | 南京バザイムバイオテクノロジー株式会社 | MD102-02 | Ready-to-use製品、ゲルを泳動する際には、本製品を直接電気泳動に適量摂取してください。 |
| 電気泳動北京 | Liuyiバイオテクノロジー株式会社 | DYY-6C | は、タッチスクリーンのデザインを採用し、設定電圧を表示し、同時に電流を設定し、並列出力 |
| エチレンジアミン四酢酸 | BeijingpsaitongBiotechnologyCo.、Ltd | E70015-100G | 核分離緩衝製剤試薬を表示することができます。 |
| Goldview 核酸ゲル染色剤(10,000回) | Yisheng Biotechnology(Shanghai)Co.、Ltd | 10201ES03 | ガロースゲル電気泳動を使用してDNAを検出すると、DNAに結合し、強力な蛍光シグナルを生成します。 |
| 高速卓上遠心分離機 | 長沙ハイテク産業開発区 Xiangyi Centrifuge Instrument Co. | H1650 | サンプルの迅速かつ効率的な分離のために、このコンパクトで軽量な遠心分離機は信頼性の高い安全性を提供します |
| ハイスループットティッシュグラインダー | Shanghai Jingxin Industrial Development Co. | Tiss-48 | サンプルを粉砕するための高周波振動装置 |
| http://www.gpgenome.com/ | Institute of Chinese Materia Medica, China Academy of Chinese Medical | データベースには、ゲノム配列、遺伝子セット、オルガネラゲノム、低カバレッジのゲノムデータ、DNAバーコード配列が含まれています。 | |
| https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ | 米国国立医学図書館 | - | 国立バイオテクノロジー情報センターは、生物医学およびゲノム情報へのアクセスを提供することにより、科学と健康を進歩させます。 |
| Kylin-Bell | Haimen Qilinbel Instrument Manufacturing Co. (キリンベル海門 Qilinbel Instrument Manufacturing Co.) | VORTEX-5 | 高速渦の形での急速な混合、混合速度、均一性、徹底性 |
| LifeTouch | Hangzhou BORI Technology Co. | TC-96/G/H(b)B | 先進の熱電冷凍技術と新開発のTAS技術の採用により、総合性能の向上を実現 |
| 多機能ゲル画像解析システム | 上海天寧生命科学有限公司南西オペレーションセンター | Tanon-Mini Space 2000 | 条件をマッピングするためのグラジエント機能と最大30°Cのグラジエント温度範囲で、迅速な遺伝子増幅実験を行います。C |
| NaCl | 北京ソーラーバイオサイエンス&テクノロジー株式会社 | S8210-100 | 核分離バッファー製剤試薬。 |
| ナノドロップ One | Genes Ltd. | ND ONE | DNA、RNA、タンパク質のサンプルをわずか1-2 & microで数秒で定量化します。サンプル |
| ポリビニルピロリドン | Shanghai yuanye Bio-Technology Co.、Ltd | S30268-500g | 核分離緩衝剤製剤試薬のL。 |
| スノーフレーク製氷機 | 上海Zhixin実験機器技術有限公司 | ZX-60X | は、ロータリー押出製氷方法を採用し、製氷速度が速く、製氷効率が速く、 |
| ティッシュホモジナイザー用ステンレス鋼ビーズ | Beyotime Biotechnologyに採用しています。 | F6623 | 振動による組織やその他のサンプルの粉砕および混合のための装置 |
| トリスアセテート-EDTAバッファー | Beyotime Biotech Inc | ST716 | TAEは、アガロースゲル電気泳動で頻繁に使用されるDNA電気泳動用の一般的に使用されるバッファーです。 |
| Tris-HCl | 北京ソーラーバイオサイエンス&テクノロジー株式会社 | T8230 | Nuclear Isolation Buffer formulation 試薬。 |
| ウォーターバスケトル | 上海Senxin実験器有限公司 | DK-8D | 精密なサーモスタットおよび温度調節、正確で信頼できる温度制御 |
| β-メルカプトエタノール | 上海Eon化学技術Co. | R054186-100ml | Nuclear Isolation Buffer製剤試薬。 |
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