ESSENZE DERIVATI AGRUMARI Ess. Deriv. Agr., 74, 63-66 (2004) Pubblicato dalla Stazione Sperimentale per l’Industria delle Essenze e dei Derivati dagli Agrumi (www.ssea.it) 63 Indagine genetico-molecolare RAPD-PCR su popolazioni calabresi di peperoncino piccante (Capsicum annuum ssp.) Vincenzina Galtieri, Bruna Laratta, Paola Minasi e Luigi De Masi* Laboratorio Tecnologie Biochimiche e Microbiologiche, Stazione Sperimentale per l’Industria delle Essenze e dei Derivati dagli Agrumi (SSEA), Via Gen. Tommasini, 2 - 89127 Reggio Calabria, Italy RIASSUNTO SUMMARY La caratterizzazione genetico-molecolare di alcune popolazioni calabresi di peperoncino piccante (Capsicum annuum ssp.) è stata effettuata mediante la metodica del "DNA polimorfico amplificato arbitrariamente" (Random Amplified Polymorphic DNA, RAPD) basata sulla reazione a catena della polimerasi (Polymerase Chain Reaction, PCR). Inizialmente è stata valutata la procedura estrattiva del DNA genomico da foglie di peperoncino su di un totale di otto popolazioni. Successivamente, sono state stabilite le condizioni ottimali per l'amplificazione tramite RAPD-PCR del DNA estratto, saggiando singolarmente tre Taq DNA polimerasi di differenti ditte fornitrici (Applied Biosystems, Eppendorf e Promega), con un unico primer arbitrario ed in presenza di quattro distinte concentrazioni di DNA stampo. Il Frammento di Stoffel dell'enzima Taq DNA polimerasi (Applied Biosystems) è stato l'unico che ha mostrato profili di amplificazione RAPD riproducibili al variare della concentrazione di DNA. The genetic-molecular characterization of some Calabrian ecotypes of hot pepper (Capsicum annuum ssp.) has been effected through the methodic of the Random Amplified Polymorphic DNA (RAPD) based on the Polymerase Chain Reaction technique (PCR). Initially, the evaluation of the extraction method of the genomic DNA from pepper leaves on a total of eight populations has been. Successively, the optimal conditions for the amplification of the extracted DNA have been established through RAPD-PCR, testing three Taq DNA polymerases of different suppliers (Applied Biosystems, Eppendorf and Promega), with an only arbitrary primer and in presence of four separate DNA concentrations. The Stoffel Fragment of the Taq DNA polymerase enzyme (Applied Biosystems) has shown reproducibility of the RAPD amplification profiles varying DNA concentration. Parole chiave: Capsicum annuum, peperoncino piccante, cultivar, estrazione del DNA, RAPD-PCR, tipizzazione del DNA. Key words: Capsicum annuum, hot pepper, cultivar, DNA extraction, RAPD-PCR, DNA fingerprint. INTRODUZIONE Il peperoncino piccante (Capsicum spp.), appartenente alla famiglia delle Solanaceae, è una spezia di rilevante valore economico originaria della zona tropicale dell'America centro-meridionale. Il genere Capsicum è suddiviso in cinque specie e Capsicum annuum, la prima ad essere importata in Europa, ne rappresenta la più importante come diffusione e utilizzo industriale e famigliare. In Italia la produzione è concentrata soprattutto nel Meridione, dove sono coltivate decine di popolazioni che si differenziano per la forma, le dimensioni ed il colore delle bacche oltre che per il grado di piccantezza (Siviero, 2002). Comunemente, le cultivar sono classificate sulla base delle caratteristiche agro-morfologiche e di resistenza a malattie, dal momento che limitate sono le informazioni esistenti da un punto di vista genetico (Arnedo-Andres et al., 2002; Ilbi, 2003). D'altra parte, indagini biochimiche riguardanti sia studi del polimorfismo proteico dei semi che delle varianti * Author for correspondance : e-mail: [email protected] isoenzimatiche di cv di peperoncino hanno dato scarsi risultati (Belletti et al., 1992; Lucchese et al., 1999; Odeigah et al., 1999). Le recenti tecniche geneticomolecolari, basate sulla reazione a catena della polimerasi (Polymerase Chain Reaction, PCR) (Mullis e Faloona, 1987), hanno consentito lo screening e la determinazione della variabilità genetica esistente tra gli organismi direttamente a livello del DNA (Henry, 1997). I marcatori molecolari accertano le variazioni fra genotipi diversi identificando differenze nelle sequenze di basi che costituiscono il DNA genomico e forniscono perciò un'impronta digitale molecolare della varietà (DNA fingerprint). Fra tali marcatori, il "DNA polimorfico amplificato arbitrariamente" (Random Amplified Polymorphic DNA, RAPD) rappresenta uno dei metodi più diffusi per identificare polimorfismi. Esso si basa sulla reazione PCR convenzionale, servendosi di una variante che prevede l'impiego di un unico oligonucleotide random, cioè progettato senza alcuna conoscenza della sequenza di DNA bersaglio, che funge da primer forward e V. GALTIERI ET AL. / Ess. Deriv. Agr., 74, 63-66 (2004) 64 reverse per la regione che deve essere amplificata (Mullis e Faloona, 1987; Welsh e McClelland, 1990; Williams et al., 1990). Attualmente i marcatori RAPD risultano essere strumento indispensabile per lo studio della biodiversità vegetale ed animale nonché per la risoluzione di controversie di natura tassonomica (Prince et al., 1995; Karp et al., 1996; Henry, 1997; De Masi et al., 2003; Galtieri et al., 2004). Sulla scorta di queste considerazioni si è ritenuto opportuno iniziare un programma di studio per la determinazione delle caratteristiche genetico- molecolari, attraverso analisi RAPD, di peperoncino calabrese. La regione Calabria, infatti, rappresenta la connaturale sede di crescita e diffusione, sottoforma di diverse popolazioni, di questa ricercata spezia. In sintesi, il presente lavoro ha previsto le seguenti fasi: (a) messa a punto della procedura d'estrazione e di purificazione del DNA genomico dalle foglie di peperoncino su un totale di otto campioni; (b) studio dell'andamento della reazione RAPD-PCR utilizzando tre Taq DNA polimerasi di diversa provenienza (Applied Biosystems, Eppendorf e Promega). Il lavoro di ottimizzazione svolto rappresenta la parte preliminare dello studio, che proseguirà con le reazioni di amplificazione RAPD-PCR su tutti i campioni in esame impiegando altri primer arbitrari. In tal modo è possibile ottenere informazioni particolareggiate sulla variazione genetica esistente, utili per identificare le popolazioni di peperoncino piccante. MATERIALI E METODI Materiale vegetale Nel corso del 2002 l'Accademia Italiana del Peperoncino (www.peperoncino.org) di Diamante (CS) ha reperito i semi di 16 popolazioni di peperoncino piccante provenienti dalla provincia di Cosenza (comuni di Belvedere, Bisignano, Buonvicino, Diamante, S. Maria del Cedro, Verbicaro e Maierà) e di 3 popolazioni da Reggio Calabria (Terreti). La semina di questi ecotipi, effettuata nel 2003 presso il Campo Sperimentale della SSEA-RC, ha consentito di selezionare otto popolazioni in base alle loro caratteristiche agro-morfologiche (Tab. 1). Al fine di effetTabella 1- Popolazioni di peperoncino calabrese in studio. N. Provenienza 1 2 3 4 5 6 7 8 Verbicaro (CS) S. Maria del Cedro (CS) Bisignano (CS) Diamante (CS) Belvedere (CS) Maierà (CS) Terreti (RC) Terreti (RC) Numerazione interna (Ni) 1 3 5 10 13 14 17 18 tuare l'estrazione del DNA sono state prelevate giovani foglie da ciascuna delle otto popolazioni-campione oggetto del presente studio e congelate nel più breve tempo possibile a -80°C. Isolamento del DNA genomico Il DNA genomico delle otto popolazioni di peperoncino in studio (Tab. 1) era estratto in accordo alla procedura descritta da De Masi et al. (2002). In breve, 0,15 g di foglia per pianta provenienti da 10 piante di ciascuna popolazione, erano unite in un unico campione omogeneo per un totale di 1,5 g. Tale campione composito era poi polverizzato in mortaio in presenza di azoto liquido e quindi sospeso in un tampone di lisi preriscaldato a 60°C (200 mM TrisHCl pH 8, 1,4 M NaCl, 2% (p/v) CTAB, 20 mM EDTA pH 8, 2% (v/v) 2-mercaptoetanolo e 5 mM acido ascorbico). La miscela era quindi incubata a 60°C per almeno 30 minuti e sottoposta ad un trattamento con cloroformio-butanolo (24:1). Alla fase acquosa, recuperata dopo centrifugazione a 13.000g, era aggiunto un eguale volume di isopropanolo freddo, per consentire la precipitazione degli acidi nucleici. Successivamente, il pellet era sospeso con etanolo al 70% e poi disciolto in H2O bidistillata sterile. Ciascun campione era trattato con 5 g/mL di RNasi A per 1 ora a 37°C al fine di eliminare l'RNA coestratto. Infine il DNA era precipitato con 1/10 di volume di acetato d'ammonio 5 M e 3 volumi di etanolo freddo puro. Dopo centrifugazione, separazione ed idratazione con etanolo al 70%, il pellet era solubilizzato in H2O bidistillata sterile. La quantità e la purezza del DNA stampo ottenuto erano controllate spettrofotometricamente. Procedura RAPD-PCR Le reazioni di amplificazione PCR erano effettuate in un volume finale di 50 L, così composto (De Masi et al., 2002): 1X Reaction Buffer Taq-specifico, 3 mM MgCl2, 100 M di ciascun dNTP, 20 pmoli del primer decamerico unico ed arbitrario U4 (5'-GACAGACAGG-3'), 2,5 Unità di Taq DNA polimerasi ed il DNA stampo di peperoncino (1, 10, 100 e 200 ng). La miscela di reazione era assemblata a freddo e poi trasferita ad un PTC-100 Programmable Thermal Controller (M.J. Research, U.S.A.) pre-raffreddato a 4°C. Dopo l'incubazione a 94°C per 3 minuti, la reazione di amplificazione è proseguita per 45 cicli (ciascuno costituito da 3 fasi, la prima di 1 minuto a 94°C, seguita da 1 minuto a 40°C ed infine la terza fase di 1 minuto a 72°C), con una estensione finale a 72°C per 7 minuti; successivamente i prodotti PCR sono stati conservati a 4°C. Tre diverse Taq DNA polimerasi erano indipendentemente saggiate con il primer unico ed arbitrario U4 su quattro differenti concentrazioni di DNA stampo di una popolazione (Ni 5) proveniente da Bisignano (CS), per verificare le loro prestazioni nelle amplificazioni RAPD-PCR. In particolare, sono stati utilizzati il Frammento di Stoffel della AmpliTaq DNA V. GALTIERI ET AL. / Ess. Deriv. Agr., 74, 63-66 (2004) polimerasi dalla Applied Biosystems (Foster City, CA, U.S.A.), l'enzima HotMasterTM Taq DNA polimerasi dalla Eppendorf AG (Amburgo, Germania) e l'enzima Taq DNA polimerasi in Storage Buffer B dalla Promega (Madison, WI, U.S.A.). Elettroforesi su gel Il DNA genomico ed i prodotti di amplificazione RAPD-PCR erano separati mediante elettroforesi su gel d'agarosio (allo 0,7% p/v per il DNA genomico, al 2% p/v per i prodotti PCR) in tampone TBE 1X (89 mM Tris-Borato, 2 mM EDTA, pH 8,4) e visualizzati attraverso trans-illuminazione UV dopo colorazione con bromuro di etidio. I prodotti RAPD sono stati digitalizzati mediante l'apparecchiatura Electrophoresis Documentation and Analysis System 120 (Kodak ds, Rochester, NY, U.S.A.). Nell'elettroforesi è stato utilizzato come standard di peso molecolare il 100 bp DNA ladder (Amersham Pharmacia Biotech Inc, Piscataway, NJ, U.S.A.). RISULTATI E DISCUSSIONE Per ottenere indicatori molecolari certi delle popolazioni di peperoncino in esame, in questa fase di ricerca preliminare, ciascun protocollo sperimentale della procedura RAPD-PCR, dall'estrazione del DNA all'analisi elettroforetica su gel, è stato accuratamente valutato. Inizialmente, lo studio ha previsto l'ottimizzazione della procedura estrattiva del DNA genomico da giovani foglie delle 8 popolazioni di peperoncino (Tab. 1). Particolare attenzione è stata rivolta 65 al procedimento di isolamento del DNA dalla specie in esame, in quanto la presenza di polisaccaridi e metaboliti secondari (alcaloidi, tannini, flavonoidi, polifenoli ecc.), potrebbe rendere il DNA non amplificabile nella PCR, poiché tali molecole inibiscono l'attività enzimatica della Taq DNA polimerasi. A tal fine, esaminati precedenti protocolli sperimentali (Doyle e Doyle, 1990; De Masi et al., 2002), si è proceduto all'estrazione del DNA totale dalle foglie di peperoncino. Il detergente cationico CTAB (Bromuro di CetilTrimetilAmmonio) si è rivelato particolarmente efficiente nella purificazione del DNA. Infatti, un doppio trattamento con il tampone di lisi CTAB ha permesso l'ottenimento di DNA altamente purificato, privo di polisaccaridi ed altre molecole inibenti e quindi idoneo all'utilizzo nell'analisi RAPD-PCR. La resa media in DNA estratto è stata di 140 g per grammo di foglie di peperoncino. Il passo successivo è stato quello di determinare le condizioni ottimali per l'amplificazione del DNA tramite RAPD-PCR. In particolare, sono state saggiate quattro concentrazioni di DNA stampo con tre diverse Taq DNA polimerasi (Applied Biosystems, Eppendorf e Promega) ed il primer arbitrario U4. L'influenza di differenti quantità di DNA stampo (1, 10, 100, 200 ng) sui profili elettroforetici RAPD è stata accuratamente valutata. La riproducibilità dei profili di amplificazione è stata testata utilizzando il primer U4, selezionato fra 12 oligonucleotidi progettati con un contenuto del 60% o 70% in G+C (dati non mostrati), su di un unico campione identificato con Ni 5 proveniente da Bisignano (Tab. 1). In Figura Figura 1 - Comparazione dei profili di amplificazione RAPD-PCR ottenuti con il primer U4 sul DNA della popolazione n. 3 (Ni 5) di provenienza Bisignano (CS), utilizzando la Taq DNA Polimerasi della Applied Biosystems (A), della Eppendorf (B) e della Promega (C). Linee del pannello A: 1, 10, 100 e 200 ng di DNA stampo amplificato dal Frammento di Stoffel della AmpliTaq DNA polimerasi della Applied Biosystems. Linee del pannello B: 1, 10, 100 e 200 ng di DNA stampo amplificato dall'enzima HotMasterTM Taq DNA polimerasi della Eppendorf AG. Linee del pannello C: 1, 10, 100 e 200 ng di DNA stampo amplificato con l'enzima Taq DNA polimerasi della Promega. Linea M: 100 bp DNA ladder (Amersham Pharmacia Biotech Inc, Piscataway, NJ, U.S.A.), come marcatore standard di peso molecolare. 66 V. GALTIERI ET AL. / Ess. Deriv. Agr., 74, 63-66 (2004) 1 sono mostrati i profili elettroforetici ottenuti in presenza del Frammento di Stoffel (Lawyer et al.,1993) dalla Applied Biosystems (Fig. 1A), dell'enzima HotMasterTM Taq DNA polimerasi dalla Eppendorf AG (Fig. 1B) e dell'enzima Taq DNA polimerasi in Storage Buffer B dalla Promega (Fig. 1C). Per quanto riguarda l'amplificazione ottenuta impiegando il Frammento di Stoffel della AmpliTaq DNA polimerasi, le regioni amplificate (ampliconi) sono risultate riproducibili per quantità di DNA stampo comprese fra 1 e 200 ng, con dimensioni tra 120 e 680 base pairs (bp). Tutte le bande sono evidenti a partire da una quantità di DNA stampo pari a 1 ng, soltanto quella a 120 bp risulta essere di intensità minore, e sono chiaramente visibili fino ad un valore di 200 ng (Fig. 1A). L'amplificazione ottenuta valendosi dell'enzima HotMasterTM Taq DNA polimerasi della Eppendorf AG, ha evidenziato identità dei profili di amplificazione con gli ampliconi compresi fra 400 e 1600 bp, per quantità di DNA stampo compre- se fra 10 e 200 ng. Mentre ad una quantità di DNA corrispondente ad 1 ng, il profilo di amplificazione è differente, presentando 2 bande aggiuntive a 350 ed a 700 bp (Fig. 1B). Simile conclusione si può trarre per gli ampliconi ottenuti con l'enzima Taq DNA polimerasi in Storage Buffer B della Promega (Fig. 1C); anche in questo caso, infatti, gli ampliconi sono riproducibili per quantità di DNA stampo comprese fra 10 e 200 ng, con dimensioni tra 420 e 1600 bp, mentre ad 1 ng di DNA stampo il profilo elettroforetico risulta essere differente. Considerato quindi che gli enzimi della Eppendorf e della Promega hanno dimostrato differenze nei profili di amplificazione e che le bande sopra i 1000 bp sono generalmente considerate poco riproducibili, il Frammento di Stoffel è risultato essere l'enzima più adatto per rendere massima l'efficienza, la sensibilità e la riproducibilità dell'analisi RAPD, prerequisito essenziale per lo studio delle popolazioni di peperoncino in esame. BIBLIOGRAFIA Arnedo-Andres S., Gil-Ortega R., Luis-Arteaga M. e Hormaza I. Development of RAPD and SCAR markers linked to the Pvr4 locus for resistance to PVY in pepper (Capsicum annuum L.). 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