适于多物种的通用尾巴序列设计及通用体系的建立

doi:10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0967

生物技术通报 ›› 2024, Vol. 40 ›› Issue (5): 94-102.doi: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2023-0967

适于多物种的通用尾巴序列设计及通用体系的建立

孙擘¹^,²(), 王蕊¹, 霍永学¹, 葛建镕¹, 匡猛²(), 王凤格¹()

1.北京市农林科学院玉米研究所农业农村部农作物DNA指纹创新利用重点实验室（部省共建）玉米DNA指纹及分子育种北京市重点实验室，北京 100097
2.中国农业科学院棉花研究所棉花生物学国家重点实验室，安阳 455000

收稿日期:2023-10-18 出版日期:2024-05-26 发布日期:2024-03-28
通讯作者: 王凤格，女，博士，研究员，研究方向：玉米分子鉴定；E-mail: gege0106@163.com；
匡猛，男，博士，研究员，研究方向：棉花种子品质与分子育种；E-mail: kuangmeng007@163.com
作者简介:孙擘，硕士研究生，研究方向：共性技术开发及应用；E-mail: sunbo990818@163.com。
第一联系人：
王蕊为本文共同第一作者
基金资助:
北京市农林科学院科技创新能力建设专项(KJCX20230301);北京市农林科学院科研创新平台建设专项(PT2023-34)

Design of Universal Tailed-sequence and Establishment of the Universal System Suitable for Multiple Species

SUN Bo¹^,²(), WANG Rui¹, HUO Yong-xue¹, GE Jian-rong¹, KUANG Meng²(), WANG Feng-ge¹()

1. Maize Research Institute, Key Laboratory of Crop DNA Fingerprinting Innovation and Utilization（Co-construction by Ministry and Province）, Beijing Key Laboratory of Maize DNA Fingerprinting and Molecular Breeding, Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences, Beijing 100097
2. Institute of Cotton Research of CAAS, State Key Laboratory of Cotton Biology, Anyang 455000

Received:2023-10-18 Published:2024-05-26 Online:2024-03-28

摘要/Abstract

摘要：

【目的】荧光毛细管电泳由于其检测通量高、分辨率高等优点，被广泛应用于个体鉴定、品种鉴定、物种鉴定等多种应用场景中。尾巴序列为荧光毛细管电泳平台的广泛应用提供了高效的解决方案。为解决已有尾巴序列无法满足多物种使用需求，本研究基于编码转译技术开发高效的通用尾巴序列（universal tailed-sequence, UTS）设计工具。基于此工具设计通用尾巴序列，构建适合多作物的通用型PCR体系和程序，提高荧光电泳通量和灵活性。【方法】基于编码转译技术开发高效的通用尾巴序列设计工具，并对3 755个常用汉字进行编码转译，并设置序列GC含量、发卡结构及同源引物二聚体退火温度等筛选条件得到符合条件的UTS。使用BLAST工具对通用尾巴序列设计工具生成的UTS在多种生物基因组上进行同源性评估，并在玉米、番茄、辣椒、西瓜等作物上进行实验评估，构建物种通用型实验体系及程序。【结果】通过设计工具编码转译并筛选共得到7 436 833个高质量的候选UTS，占所有字组的52.74%。挑选6个UTS在20个作物基因组上的BLAST结果显示其与M13相比具有更好的特异性。通过对通用引物扩增程序进行优化，使通用引物在多个物种上的扩增成功率达到或超过95%，并具有较强的稳定性。【结论】利用编码转译技术开发通用尾巴序列，并为其搭配物种通用型扩增体系和程序，提供一种通量高、成本低的荧光电泳通用检测方法。

关键词: PCR, 荧光电泳, 通用引物, 引物设计

Abstract:

【Objective】Fluorescent capillary electrophoresis, for its high detection throughput and resolution, was in extensive applications in various scenarios, including individual identification, variety discrimination, and species identification. The tailed-sequence offers an efficient solution for the extensive application of the fluorescent capillary electrophoresis platforms. To address the limitation of existing tailed-sequences in meeting the demands of multi-species applications, this study developed an efficient Universal Tailed-Sequence（UTS）design tool based on encoding translation technology. Utilizing this tool, UTS were designed to construct a versatile PCR system and protocol suitable for multiple crops, thereby enhancing the throughput and flexibility of fluorescent electrophoresis. 【Method】An efficient UTS design tool was designed based on encoding translation technology and 3 755 commonly used Chinese characters were encoding translated with filtering criteria including GC content, hairpin, and the self-dimer annealing temperature. The BLAST tool was used to assess the homology of UTS generated by the design tool on various biological genomes. The UTS was experimentally evaluated on crops such as maize, tomatoes, peppers, and watermelons, constructing a species-universal experimental system and protocol. 【Result】The design tool, through encoding translation and screening, generated a total of 7 436 833 high-quality candidate UTS, accounting for 52.74% of all character combinations. Six selected UTS were demonstrated better specificity across 20 crop genomes by BLAST results compared to M13. With optimization of the general primer amplification procedure, the success rate of general primer amplification across multiple species reached or exceeded 95%, showing strong stability.【Conclusion】This study utilized encoding translation technology to develop UTS and paired them with a species-universal amplification system and protocol, which may provide a high-throughput, cost-effective universal detection method for fluorescent electrophoresis.

Key words: PCR, fluorescence electrophoresis, universal primer, primer design

孙擘, 王蕊, 霍永学, 葛建镕, 匡猛, 王凤格. 适于多物种的通用尾巴序列设计及通用体系的建立[J]. 生物技术通报, 2024, 40(5): 94-102.

SUN Bo, WANG Rui, HUO Yong-xue, GE Jian-rong, KUANG Meng, WANG Feng-ge. Design of Universal Tailed-sequence and Establishment of the Universal System Suitable for Multiple Species[J]. Biotechnology Bulletin, 2024, 40(5): 94-102.

图/表 10

参考文献 22

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反应组分 Reaction component	荧光引物扩增体系 Fluorescent primer amplification system	TP-M13-SSR扩增体系 TP-M13-SSR amplification system	UTS通用扩增体系 UTS universal amplification system
ddH₂O	/	/	/
10×Buffer	1×	1×	1×
MgCl₂	2.5 mmol/L	2.5 mmol/L	2.5 mmol/L
dNTPs	0.15 mmol/L each	0.15 mmol/L each	0.15 mmol/L each
Taq 酶 Taq enzyme	1.0 U	1.0 U	1.0 U
上游引物 Forward primer	0.25 μmol/L	0.015 μmol/L	0.03 μmol/L
下游引物 Reverse primer	0.25 μmol/L	0.1 μmol/L	0.1 μmol/L
通用尾巴序列 Universal tailed-sequence	/	0.1 μmol/L	0.1 μmol/L
模板DNA Template DNA	5 ng/μL	5 ng/μL	5 ng/μL

反应组分 Reaction component	荧光引物扩增体系 Fluorescent primer amplification system	TP-M13-SSR扩增体系 TP-M13-SSR amplification system	UTS通用扩增体系 UTS universal amplification system
ddH₂O	/	/	/
10×Buffer	1×	1×	1×
MgCl₂	2.5 mmol/L	2.5 mmol/L	2.5 mmol/L
dNTPs	0.15 mmol/L each	0.15 mmol/L each	0.15 mmol/L each
Taq 酶 Taq enzyme	1.0 U	1.0 U	1.0 U
上游引物 Forward primer	0.25 μmol/L	0.015 μmol/L	0.03 μmol/L
下游引物 Reverse primer	0.25 μmol/L	0.1 μmol/L	0.1 μmol/L
通用尾巴序列 Universal tailed-sequence	/	0.1 μmol/L	0.1 μmol/L
模板DNA Template DNA	5 ng/μL	5 ng/μL	5 ng/μL

通用尾巴序列类别 UTS category	扩增程序 Amplification program
UTS通用扩增程序 UTS universal amplification program	95℃，5 min； 95℃，40 s，55℃，35 s，72℃，45 s，35 cycle； 72℃，10 min；4℃ store
TP-M13-SSR扩增程序 TP-M13-SSR amplification program	95℃，5 min； 95℃，40 s，Primer annealing temperature，35 s，72℃，45 s，8 cycle； 95℃，40 s，M13 Tailed-sequence annealing temperature，35 s，72℃，45 s，30 cycle； 72℃，10 min；4℃

通用尾巴序列类别 UTS category	扩增程序 Amplification program
UTS通用扩增程序 UTS universal amplification program	95℃，5 min； 95℃，40 s，55℃，35 s，72℃，45 s，35 cycle； 72℃，10 min；4℃ store
TP-M13-SSR扩增程序 TP-M13-SSR amplification program	95℃，5 min； 95℃，40 s，Primer annealing temperature，35 s，72℃，45 s，8 cycle； 95℃，40 s，M13 Tailed-sequence annealing temperature，35 s，72℃，45 s，30 cycle； 72℃，10 min；4℃

UTS编号UTS code	汉字字组 Chinese character	编码后序列 Sequence after encoding（5'-3'）	序列GC含量 GC content of sequence/%	发卡结构T_m Hairpin T_mvalue/℃	同源二聚体T_m值 Self-dimer T_m value/℃
UTS01	孙擘（Sun Bo）	GACCAAGCACACGACAACTGACAT	50.0	/	-29.7
UTS02	电泳（Dian Yong）	GACGACCTAGCCGACAAGTGAGTG	58.3	/	9.3
UTS03	荧光（Ying Guang）	GAATATGCAACGGACCATCCATAC	45.8	35.9	-25.8
UTS04	基因（Ji Yin）	GACCACGGAGAAGACCACAGAATT	50.0	/	-19.6
UTS05	分子（Fen Zi）	GACCATATATCAGACCAAGCACTT	41.7	/	-33.0
UTS06	玉米（Yu Mi）	GACGATGAATACGACGAGTCAGTG	50.0	34.7	-0.4

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Design of Universal Tailed-sequence and Establishment of the Universal System Suitable for Multiple Species

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物种名称Species name	通用引物名称Universal primer name
物种名称Species name	M13	UTS01	UTS02	UTS03	UTS04	UTS05	UTS06
玉米Zea mays L.	0.004	8.2	2.1	0.13	0.52	0.52	0.13
水稻Oryza sativa L.	0.026	19	4.7	4.7	4.7	4.7	1.2
小麦Triticum aestivum L.	0.006	0.061	15	15	3.8	0.96	3.8
大豆Glycine max （L.）Merr.	0.013	1.8	29	29	7.2	0.45	7.2
大麦Hordeum vulgare L.	0.004	0.45	7	7	1.8	1.8	1.8
高粱Sorghum bicolor （L.）Moench	3.7	8.7	34	2.2	2.2	8.7	2.2
甘薯Dioscorea esculenta （Lour.）Burkill	1.7	10	2.6	0.67	0.67	2.6	0.17
马铃薯Solanum tuberosum L.	0.022	3.2	50	3.2	0.21	0.81	50
棉花Gossypium hirsutum L.	0.39	3.1	3.1	12	3.1	0.2	3.1
向日葵Helianthus annuus L.	0.75	1.5	1.5	6	6	1.5	0.38
甘蔗Saccharum officinarum L.	0.5	3.6	0.91	3.6	0.23	0.23	0.23
番茄Solanum lycopersicum L.	0.024	21	5.2	1.3	5.2	1.3	21
黄瓜Cucumis sativus L.	4.9	0.56	2.2	8.8	0.56	0.56	0.56
辣椒Capsicum annuum L.	1.8	16	4.1	4.1	0.27	1	0.27
西瓜Citrullus lanatus subsp. Vuaris	7.4	13	0.21	0.21	3.2	0.81	0.81
甜瓜Cucumis melo L.	2	5.3	5.3	5.3	5.3	5.3	5.3
梨Pyrus L.	5.9	0.065	16	0.065	0.065	1	4
枣Ziziphus jujuba（L.）Lam.	6.7	0.22	3.4	3.4	0.22	0.86	13
菜豆Phaseolus vulgaris L.	0.26	0.47	7.3	1.8	1.8	0.47	0.12
苹果Malus pumila Mill.	1.6	0.15	2.3	0.58	2.3	0.58	0.15

物种名称 Species	测试引物总数Total number of primers tested	M13扩增成功率M13 amplified success rate/%	单UTS扩增成功率Single UTS amplified success rate/%	两个UTS扩增成功率Two UTS amplified success rate/%
玉米Z. mays	40	72.5	85.0	95.0
西瓜C. lanatus	28	96.4	100.0	100.0
番茄S. lycopersicum	24	87.5	91.7	100.0
辣椒C. annuum	22	86.4	86.4	95.5

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