هنا هو بروتوكول لتحديد الميدان من Chamomميلا Matricaria باستخدام نظام qPCR المحمولة. ويعتبر هذا البروتوكول الذي يسهل تنفيذه مثالياً كوسيلة لتأكيد هوية الأنواع النباتية في المواقع التي يكون فيها الوصول إلى معدات المختبرات والخبرة محدوداً، مثل المزارع والمستودعات.
مراقبة الجودة في المنتجات النباتية يبدأ مع المواد الخام المعروضة. تقليدياً، يتم إجراء تحديد النباتات من خلال التقييم المورفولوجي وطرق التحليل الكيميائي. غير أن عدم توافر علماء النبات، لا سيما في السنوات الأخيرة، إلى جانب الحاجة إلى تعزيز مراقبة الجودة لمكافحة الضغوط على سلسلة العرض الناجمة عن زيادة الطلب الاستهلاكي وتغير المناخ، يتطلب اتباع نهج بديلة. والهدف من هذا البروتوكول هو تيسير تحديد الأنواع النباتية باستخدام نظام QPCR محمول في الميدان أو في أي مكان، حيث يكون الوصول إلى معدات المختبرات والخبرة محدوداً. يتم تضخيم الحمض النووي الهدف باستخدام qPCR القائم على الصبغة ، مع الحمض النووي المستخرج من المواد المرجعية النباتية بمثابة عنصر تحكم إيجابي. يتم تحديد الحمض النووي الهدف من خلال تضخيم محددة ومطابقة ذروة ذوبان ضد السيطرة الإيجابية. وقد أدرج وصف مفصل للخطوات والمعلمات، من عملية جمع العينات الميدانية، إلى استخراج الحمض النووي، والتضخيم PCR، متبوعاً بتفسير البيانات، لضمان أن القراء يمكنهم تكرار هذا البروتوكول. تتماشى النتائج التي تم إنتاجها مع أساليب التعرف النباتية التقليدية في المختبر. وهذا البروتوكول سهل التنفيذ وفعال من حيث التكلفة، مما يتيح إجراء اختبارات نوعية على المواد الخام في أقرب وقت ممكن من نقطة منشأ سلسلة التوريد.
ممارسة استخدام النباتات للحفاظ على وتحسين الصحة يعود إلى آلاف السنين. بسبب الضغوط على سلسلة التوريد التي جلبتها زيادة الطلب المستهلك1, ممارسات الحصاد غير المستدامة وتغير المناخ2, الزنا النباتية أصبحت مصدر قلق متزايد في صناعة المكملات الغذائية والغذائية3. قد يؤدي وجود أنواع نباتية غير معلنة أو غير محددة إلى انخفاض الفعالية، أو حتى إلى قضايا السلامة. على سبيل المثال ، يمكن استبدال كوهوش السوداء(Actaea racemosa) ، المستخدمة لعلاج الانزعاج ما قبل الحيض ، مع الأنواع الآسيوية منخفضة الثمن مع دعم محدود للبيانات السريرية لفعاليتها4. في حالة أكثر خطورة، استبدال أرييستوولوتشي fangchi ل ستيفانيا تيراندرا في دراسة سريرية لفقدان الوزن باستخدام الأعشاب الصينية أدى إلى تسمم الكلية الشديد والفشل الكلوي في بعض المشاركين5,6. وتقاسم النوعان المختلفان اسما صينيا شائعا هو “فانغ جي”. وتبرز هذه الحالات الحاجة إلى مراقبة أكثر صرامة للجودة، بدءاً من تحديد المواد الخام7،ويفضل أن يكون أقرب إلى نقطة منشأ سلسلة التوريد قدر الإمكان، حتى يمكن تخصيص الموارد بكفاءة لمواد الهوية الصحيحة.
ويمكن استخدام عدد من الأساليب المتعامدة لتحديد هوية النباتات. تقليديا، يتم إجراء تحديد النباتات من خلال التقييم المورفولوجي8،,9 وطرق التحليل الكيميائي10،11،12،13. ويستند تحديد المورفولوجية على الاختلافات في السمات العيانية والمجهرية للمواد النباتية إذا كانت هناك اختلافات (الشكل 1). ومع ذلك ، فإن عدم وجود برامج تدريبية على علم النبات الكلاسيكي في السنوات الأخيرة أدى إلى نقص في الخبراء14، مما يجعل هذا النهج غير عملي لمراقبة الجودة الروتينية. كما أن تطبيقه في المواد النباتية المسحوقة محدود أيضاً. وتستخدم على نطاق واسع أساليب التحليل الكيميائي في الأدوية والمختبرات، ولكنها ليست مثالية للاختبار الميداني نظرا لحجم الأدوات مثل جودة كروماتوغرافيا طبقة رقيقة عالية الأداء (HPTLC)، والكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC)، والمجهر الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) (الشكل 2)،ومتطلبات البيئة. وقد ظهرت مؤخراً طرق الجينوم كتقنية بديلة للتحقق من صحة الأنواع النباتية واكتشافها للاستعاضة عنها، وأثبتت أنها فعالة ودقيقة. أساليب الجينوم تستغل الدقة العالية وخصوصية المعلومات الوراثية في المواد النباتية15،16،17،18،19. تتوفر أدوات التشخيص الجزيئي في شكل أجهزة محمولة، وغالبا ما تتضمن أدوات تفسير البيانات الآلية التي تقلل من حاجز استخدام التكنولوجيا، مما يجعل هذا النهج مثاليا لتحديد الحقل20،21،22،23،24. مرة واحدة وقد تم تصميم طريقة التحليل الجزيئي والتحقق من صحة25،26،27، يمكن أن يؤديها أي أفراد مع التدريب البيولوجيا الجزيئية الأساسية. من بين الأدوات المحمولة المختلفة المتاحة ، PCR في الوقت الحقيقي على تسلسل الحمض النووي هو واحد من الخيارات فعالة من حيث التكلفة28. ويتيح الجمع بين جهاز محمول، إلى جانب التحليل الجزيئي المخصص والمتحقق منه، التحقق من الأنواع والمكونات النباتية خارج المختبر، كما هو الحال في المزارع ومستودعات المواد النباتية، مما يقلل من الوقت والتكاليف المرتبطة بالطرق التقليدية.
والهدف من هذا البروتوكول هو إدخال طريقة لتحديد النباتات في الحالات التي يكون فيها الوصول إلى معدات المختبرات والخبرة محدوداً أو غير متاح، وذلك باستخدام نظام qPCR محمول. وقد ثبت الأسلوب على حقل من Chamomilla Matricaria (الشكل 3A) ، المعروف باسم البابونج الألماني ، وتستخدم على نطاق واسع لخصائصه المضادة للالتهابات ومضادات الأكسدة29. ويمكن الخلط بينه وبين الأنواع ذات الصلة ذات المظهر أو الرائحة المماثلة، وخاصة من أجناس Chamaemelum، Tanacetum، والأححوان30،31،32. من بين الأنواع ذات الصلة، Chamaemelum نبيلي، المعروف أيضا باسم البابونج الروماني، هو واحد ملحوظ مع مستويات الإنتاج مماثلة في التجارة(الشكل 3B). تم تصميم الطريقة التي تم إثباتها ليس فقط لتحديد الأنواع النباتية المستهدفة M. chamomilla، ولكن أيضا الكشف عن قريب لها ، C. nobile، على أساس تضخيم محدد من تسلسل الحمض النووي.
يشرح هذا المقال، بالتفصيل، كيفية تنفيذ تحديد الحقل النباتية من M. chamomilla باستخدام qPCR القائم على صبغة التشابك وتحليل منحنى تذوب على جهاز محمول. ويتضمن البروتوكول جمع العينات النباتية من الحقل، واستخراج الحمض النووي في الموقع، وإعداد تفاعل PCR في الوقت الحقيقي. لضمان استنتاج صحيح، الهدف النباتية M. chamomilla وغير المستهدفة الحمض النووي الجينومي C. نتيل، المستخرجة مسبقا من المواد المرجعية النباتية المعتمدة، وتستخدم كتحكم إيجابي. وتتجلى خصوصية هذه الطريقة من خلال إجراء اختبارات تحديد الهوية M. chamomilla و C. nobile بشكل فردي على العينات والضوابط. يتم استخدام التحكم السلبي غير القالب لاستبعاد نتائج إيجابية كاذبة الناجمة عن التلوث PCR.
تصميم التمهيدي واختيار قالب هي الخطوات الحاسمة في الحصول على كفاءة ومحددة QPCR التضخيم. بعد تحديد قالب مناسب ، وعادة ما يستخدم تصميم التمهيدي البرمجيات للمساعدة في اختيار التمهيديات على أساس متغيرات التصميم مثل طول التمهيدي ودرجة حرارة الذوبان ، و GC المحتوى33،34. يمكن إجراء التحسين والتحقق في ظل الظروف التجريبية المتوقعة من الفحص لضمان خصوصية وحساسية ومتانة تفاعل PCR35. قد ينتج تصميم التمهيدي دون الأمثل في تشكيل التمهيدي- الديم، حيث تنتج التفاعلات التمهيدية منتجات غير محددة36.
لا يوجد نموذج الضوابط (NTC) المستخدمة في هذه الدراسة للتحقق من كل من تلوث الحمض النووي ووجود التمهيدي- الخافتات التي يمكن أن تؤثر على الفحص. وأظهرت النتائج أي تضخيم، وهو مؤشر جيد على أن كلا من تلوث الحمض النووي والضمير التمهيدي ليست مصدر قلق. ويتضح تلوث الحمض النووي والضمير التمهيدي في منحنيات تذوب من خلال عدم وجود عناصر تحكم القالب، وكذرات إضافية في منحنيات تذوب من عناصر التحكم الإيجابية. عادةً ما يتوقع أن يحتوي منحنى الذوبان لعنصر تحكم موجب على ذروة واحدة، ما لم تتسبب النطاقات الفرعية الغنية بـ AT في القالب في ذوبان غير متساوٍ. ويمكن التنبؤ القمم المزدوجة عن طريق محاكاة ذوبان المقايسات باستخدام uMELT البرمجيات37. في هذه الدراسة، تم استخدام معيار الذهب لتشغيل المنتج PCR على هلام agarose لتأكيد وجود المنتج PCR الهدف وعدم وجود التلوث وdr-dimers.
وهناك تحد كبير في التحليل الجزيئي للمواد النباتية هو الحصول على الحمض النووي ذات النوعية الجيدة بعد عملية استخراج الحمض النووي النباتي. يتم تداول المواد النباتية واستهلاكها للمركبات الكيميائية النشطة المرتبطة بالفوائد الصحية. وفي عملية استخراج الحمض النووي، سيتم أيضاً إطلاق هذه المركبات الكيميائية في محلول استخلاص الحمض النووي، مما قد يسبب تثبيط PCR، مما يؤدي إلى فشل في تضخيم PCR. وقد تم تطوير مختلف مجموعات تنقية الحمض النووي النباتي باستخدام المذيبات العضوية والأعمدة لإزالة المركبات الكيميائية المستمدة من النباتات38. ومع ذلك، فإن غطاء الدخان والطرد المركزي عالي السرعة المطلوبين لمساعدة هذه المجموعات غير متوفرة في الميدان.
في البروتوكول الحالي، تستخدم طريقة استخلاص الحمض النووي المبسطة مجموعة استخراج الحمض النووي النباتية التجارية (انظر جدول المواد للحصول على التفاصيل). كان لديه القدرة على تحييد المواد المثبطة المشتركة لنتائج قابلة للتكاثر، وأسفر عن نتائج متسقة ل M. chamomilla وC. nobile. كل من M. chamomilla وC. رؤساء الزهور والأوراق التي أسفرت عن تضخيم PCR مع قمم تذوب محددة، مما يشير إلى أن وجود مثبطات PCR لم يكن مصدر قلق. بالنسبة للنباتات الأخرى ذات المستويات الأعلى من مثبطات PCR ، قد يكون تضخيم الحمض النووي في استخراجها الأصلي أقل كفاءة. للحد من تثبيط وتحسين كفاءة التضخيم، مع الوصول إلى المصنع كله، يمكن أيضا أجزاء أخرى من النباتات مع أقل محتوى السكريات والبوليفينول يمكن استخدامها لأغراض تحديد الهوية. إذا كان هناك وصول محدود إلى أجزاء نباتية مختلفة، والأوراق الأصغر سنا أو بتلات تشريح من رؤساء الزهور، والتي عادة ما يكون محتوى أقل الفينولية39، قد توفر فرصة أفضل للنجاح. وبما أن تسلسل الحمض النووي متسق عبر النبات بأكمله، يمكن استخدام أي جزء نباتي لتأكيد هوية الأنواع. إذا كان التضخيم PCR لا يزال دون المستوى الأمثل، يمكن أن يتم تخفيف استخراج الحمض النووي الأصلي أكثر قبل PCR، أو يمكن استخدام بروتوكولات تنقية المختبرات أكثر تطورا.
10- وثمة تحد آخر لتحليل الـ PCR يتمثل في النتائج الإيجابية الخاطئة الناجمة عن تلوث الحمض النووي، والتي يمكن أن تؤثر سلباً على تفسير البيانات. وعادة ما يتم التحكم فيها عن طريق التدبير المنزلي النشط ، وذلك باستخدام معدات مخصصة ، وتقييد العمل في مناطق معينة. باستخدام qPCR، يمكن إنجاز جميع تحليل PCR في نظام مغلق، مما يقلل إلى حد كبير من فرصة تلوث PCR أمبيرليكون في بيئة لا يتم التحكم فيها بشكل جيد. الى جانب ذلك ، يجب أن الحمض النووي البيئي أيضا لا تظهر إيجابية كاذبة بسبب خصوصية الفحص ، وفقا لدراسة التحقق السابقة40.
هناك مجال للتحسين. في البروتوكول المقدم هنا، تم استخدام صبغة التشابك لإظهار تضخيم جزء الهدف في الوقت الحقيقي. وتثبت خصوصية الطريقة كذلك من خلال درجة حرارة الذوبان المميزة، التي تتميز بين M. chamomilla وC. ناول أمبيرليكونات. ولذلك، يمكن للربط بين الصباغ PCR الإجابة بكفاءة على السؤال “ما هو هذا النوع النباتي؟” في هذا المجال. ومع ذلك، وبالإضافة إلى الحاجة إلى إجراء عملية تحديد نباتية في مصنع واحد معزول عن الحقل، فإن المساحيق أو المستخلصات النباتية في المستودع تستفيد أيضاً في كثير من الظروف من تقييم سريع للهوية في الموقع. بالنسبة لهذه الأنواع من المواد، قد تحتاج إلى معالجة أسئلة إضافية، مثل “ما هو في هذه المادة؟” و “هل تحتوي على الأنواع النباتية التي أبحث عنها؟” و “هل تحتوي على زناة أريد تجنبها؟” و “هل يتم استبدالها كليا أو جزئيا بالأنواع النباتية الأخرى الضارة؟”. بدلا من استخدام صبغة التشابك، يمكن تصميم مسابير qPCR مختلفة لاستهداف amplicons من النباتات المختلفة في نظام رد فعل واحد، مع الحفاظ على خصوصية عالية وكفاءة من المقايسة. تطوير qPCR القائم على المسبار والاستفادة من نظام qPCR المحمولة التي توفر الكشف عن قنوات متعددة يمكن أن تزيد من تطبيق الاختبار الميداني كمقايسة مناسبة لهذا الغرض إلى بيئة أوسع، مثل مستودعات المواد النباتية ومراكز التوزيع للإجابة على أسئلة أكثر تعقيدا. وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مسبارات متعددة يسمح أيضا للمستخدم بتضمين التضخيم الداخلي في كل نظام رد فعل، بحيث تكون هناك معلومات إضافية تكون متاحة عندما يشتبه في تثبيط PCR.
البروتوكول المعروض هنا له المزايا التالية بالمقارنة مع التكنولوجيات الموجودة المستخدمة لنفس الغرض. أولاً، بالنسبة لأساليب التعرف المورفولوجية والكيميائية التقليدية، يلزم أن يقوم الخبراء بإجراء الإجراء ونتائجه وتفسيرها. يمكن إجراء اختبارات تحديد الهوية qPCR من قبل أشخاص لديهم تدريب أساسي في البيولوجيا الجزيئية وتفسيرها بطريقة أكثر توحيدًا. ثانياً، بالمقارنة مع تحديد الأنواع القائمة على qPCR والتمايز الذي يتم عادة في المختبر، لا يتطلب بروتوكول تحديد الهوية الميداني باستخدام جهاز محمول أدوات ذات بصمة كبيرة، مثل جهاز طرد مركزي عالي السرعة، ومعدات تقييم جودة الحمض النووي، ودورة حرارية مع كاشف الفلور، وجهاز كمبيوتر يعمل على برنامج خاص. وهكذا، يمكن إجراء تحديد الأنواع القائمة على الحمض النووي في أي مكان دون تأخير. ثالثاً، البحث عن المواد النباتية هو مهمة تتطلب عملية عالمية. مع التقدم في الخدمات السحابية والذكاء الاصطناعي، يمكن للجهاز المحمول تلقي الأساليب التي تم تطويرها والتحقق من صحتها من قبل الخبراء في المختبر، ويتم تشغيلها من قبل غير الخبراء في المناطق النائية، وإنتاج شهادات موضوعية من أطراف ثالثة. لذلك، هذا الخيار هو أكثر إلحاحا من أي وقت مضى مع العمل عن بعد أصبح الاتجاه.
باختصار، أظهر البروتوكول هنا تحديدًا ميدانيًا لـ M. chamomilla باستخدام نظام qPCR محمول. والتطبيق الناجح لهذه التقنية سوف تولد نتائج دقيقة للغاية على تحديد النباتية ومساعدة مصنعي النباتات والموردين تأهيل المواد النباتية في الوقت المناسب وبطريقة فعالة من حيث التكلفة.
The authors have nothing to disclose.
نشكر جيمس شان على جهوده في تسجيل الفيديو الميداني. نشكر جون بايرون وماثيو سيراو على عملهما في تحرير الفيديو. ونشكر أنسن لوه، وهاري دو، وفرانك دينغ على دعمهم لتحديد موقع حقل الاختبار. نشكر ماريا روبنسكي على تعليقاتها القيمة على المخطوطة بأكملها. جميع الأشخاص المعترف بها هي موظفات في شركة Herbalife International of America, Inc.
Battery | TNE | 78000mAh | Provide field power supply |
bCUBE | HYRIS | bCUBE 2.0 | Portable qPCR instrument |
Cartridges(16 Well) | HYRIS | NA | Consumables for bCUBE |
Electric pipette | Eppendorf | NA | Handling liquid |
Extract-N-AmpTM plant PCR kit | SIGMA | XNAP2-1KT | Plant DNA extraction kit |
German chamomile (Matricaria chamomilla L) flower botanical reference materials | AHP | 2264 | Used as positive control |
Mini dry bath | Yooning | MiniH-100L | For DNA extraction |
Nuclease-free water | AMBION | AM9937 | qPCR reaction |
Primer | Thermo Fisher Scientific | NA | qPCR reaction |
Roman chamomile (Chamaemelum nobile) flower botancial reference materials | ChromaDex | ASB-00030806-005 | Used as positive control |
Luna universal qPCR master mix | NEB | M3003L | qPCR reaction |