利用纳米孔宏条形码技术结合短扩增子和长扩增子的16S rRNA及COI(细胞色素氧化酶I)引物进行鱼糜物种鉴定

《Food Control》:Surimi species authentication using Nanopore metabarcoding with short- and long-amplicon 16S and COI primers

【字体: 时间:2026年03月14日 来源:Food Control 6.3

编辑推荐:

  多引物代谢条形码技术用于 surimi 分子鉴定研究,通过比较长/短 16S rRNA 和 COI 基因引物对揭示 marker-specific 偏差,发现 16S-2 提供最高物种恢复量,但需结合多引物策略提升分类学分辨率。

  
Matsapume Detcharoen|Panatda Khrueakaew|Soottawat Benjakul|Jirakrit Saetang
宋卡王子大学理学院生物科学系,泰国宋卡府哈蒂艾

摘要

基于鱼糜的海产品经常被错误标注,因为密集的加工过程会消除可用于识别的形态特征,而加工过程中DNA的断裂会进一步降低分子分类鉴定的可靠性。宏条形码技术可以验证这些产品的真实性,但不同的通用引物会产生不同的结果。本研究使用了四种线粒体引物对进行宏条形码分析,包括长扩增子16S rRNA(16S-1)、短扩增子16S rRNA(16S-2)、长COI(COI-1)和短COI(COI-2)。在过滤掉极低丰度的读段(<0.1%)后,每个鱼糜样本包含4到68个物种级别的鉴定结果。在所有文库中,16S-2鉴定了170个物种,16S-1鉴定了155个物种,COI-1鉴定了168个物种,COI-2鉴定了116个物种,每种引物都鉴定出了一些独有的分类单元。群落组成因引物而异(PERMANOVA R2 = 0.065,p = 0.001),并且同一基因内不同引物的Shannon多样性也有所不同。在样本间的比较中,16S-2最常获得最高的鉴定数量,长16S引物能提供更多的物种级别鉴定结果,而COI引物在某些分支中更常保留属级别的鉴定结果。总之,可靠的鱼糜鉴定需要明确的引物选择和结果报告,以确保结果的准确性和可解释性。

引言

基于鱼糜的食品,如鱼丸、蟹棒和虾饼,由于经过密集加工(通常涉及多种物种的混合以及可识别形态特征的丧失),特别容易受到掺假和错误标注的影响(Giusti, Armani, & Sotelo, 2017)。这些高度加工的海产品对追溯性和消费者透明度提出了独特的挑战,因为它们通常由粉碎的鱼浆制成,经过多阶段的机械绞碎、反复清洗和热凝胶化处理。一项全球性 meta 分析估计海产品的错误标注率为19%(Luque & Donlan, 2019),但基于鱼糜的食品的错误标注率可能更高,最近的中国电子商务调查显示错误标注率高达61.9%(Zhang et al., 2024)。
工业化的鱼糜生产过程去除了用于视觉物种识别的形态特征(Park et al., 2013)。因此,针对线粒体DNA的分子方法已成为此类产品物种鉴定的最可靠和实用的方法,为监管执法和欺诈检测提供了依据(Filonzi et al., 2021; Mottola et al., 2024)。通常,DNA条形码技术(通常针对线粒体标记物,如细胞色素c氧化酶亚基I(COI))已成为海产品鉴定的标准方法,因为它具有较高的物种间变异性,并且有丰富的参考数据库(Fernandes et al., 2021; Hebert et al., 2003)。其广泛应用有助于在全球供应链中识别错误标注的海产品(Dawan & Ahn, 2022)。然而,当应用于鱼糜等高度加工的样品时,这种标准的COI条形码效果大打折扣(Zhang et al., 2024)。生产过程中的热应力和机械应力会将DNA剪切成较短的片段,阻止全长条形码的扩增(Galal-Khallaf et al., 2016)。这种降解导致标准PCR协议的模板可用性降低,从而降低了物种鉴定的成功率。为此,一些研究提出了截短或mini-barcode的COI区域,以提高降解样品中的扩增成功率(Sultana et al., 2018)。然而,这些较短的COI条形码的表现可能不稳定,尤其是当引物不匹配或COI序列差异较小时,可能导致假阴性结果和分类分辨率不足。
作为一种替代方案,片段化的线粒体16S核糖体RNA(rRNA)标记物已成为海产品鉴定的有希望的工具,尤其是在鱼糜等高度加工的产品中(Giusti et al., 2023)。这些标记物通常针对较短的扩增子,更有可能在恶劣的加工条件下存活,并且通常具有更广泛的分类用途,能够在一次检测中捕捉到更多的脊椎动物和无脊椎动物,这在处理鱼丸、蟹棒和虾饼等复杂的多物种样品时特别有利(Giusti, Tinacci et al., 2017; Hossain et al., 2019)。因此,关于加工海产品的研究表明,16S标记物比COI标记物能鉴定出更多的物种,从而提供更全面的产品成分评估(Shu et al., 2021)。尽管有这些优势,但在同一组降解的多物种商业鱼糜产品上对这两种标记系统进行系统和定量的对比仍然有限。这样的对比对于理解标记物的特定偏差以及指导常规监管和法医应用中的标记物选择至关重要。
因此,开发稳健、可扩展且快速的鱼糜物种鉴定工作流程对于保护消费者和监管执法至关重要,尤其是考虑到加工海产品中错误标注的高发率(Detcharoen et al., 2024)。便携式测序平台(如Oxford Nanopore Technology(ONT)的进步现在实现了现场实时测序,为现场和监管环境中的快速诊断提供了前所未有的灵活性。虽然ONT可以生成覆盖整个条形码区域的读段,但长读段测序的实际效益取决于剩余DNA模板的完整性和长度,这在鱼糜等高度加工的样品中是一个重要限制。此外,ONT支持实时碱基调用,允许在不需要批量处理的情况下即时分析目标扩增子(Shum et al., 2024)。因此,ONT主要适用于在降解的鱼糜样品中快速、便携地应用长扩增子和短扩增子16S及COI标记物。
在这里,我们使用Oxford Nanopore测序和基于k-mer的分类工作流程,对四种线粒体引物对进行了探索性比较评估,这些引物针对16S和COI基因的长短区域。我们的目标是(1)评估不同标记物的物种鉴定灵敏度和分类精度,(2)量化标记物的特定偏差,(3)为高度加工海产品的监管鉴定提供基于证据的推荐。通过填补这一关键知识空白,我们的研究旨在推动整个鱼糜供应链的透明和可持续实践。

样本收集和DNA提取

从零售店购买了14种基于鱼糜的海产品样本(表1),用冰运输并在-20°C下保存直至处理。使用DNeasy Blood & Tissue试剂盒(QIAGEN,德国希伦)按照制造商的协议提取DNA。简要来说,每个样本大约取200毫克样品,用无菌手术刀无菌取样。样品被放入无菌的1.5毫升微量离心管中,在56°C下用180微升Buffer ATL和20微升...

物种鉴定和引物比较

在所有数据集中,Nanopore测序产生了总计3290万个原始读段,其中2240万个通过了质量过滤和长度修剪(表S2)。对于16S-1数据集,每个样本平均(±标准差)有567,979 ± 160,960个原始读段和434,387 ± 126,934个过滤后的读段。16S-2引物每个样本产生了438,499 ± 114,059个原始读段和295,545 ± 81,447个过滤后的读段。COI-1文库产生了593,237 ± 283,512个原始读段和278,022 ± 118,779个过滤后的读段...

讨论

在高度加工的鱼糜样品中成功进行物种鉴定需要一个综合的工作流程,因为鉴定结果受标记物选择、实验室程序和生物信息学处理的共同影响。我们的研究结果表明,没有一种单一引物能够提供全面的或稳定的样品组成视图。重要的是,观察到的引物间不一致性不仅反映了降解混合物种样品的固有挑战,还...

结论

总之,使用短链和长链16S标记物的多引物策略为高度加工鱼糜的物种鉴定提供了最大的范围和分类精度。标准的长COI(COI-1)可以作为一个有用的补充标记物,但我们的结果不支持将mini-COI(COI-2)作为更优的替代方案。当在快速、便携的测序平台上实施,并了解其固有的局限性时,这种策略可以提供...

CRediT作者贡献声明

Matsapume Detcharoen:撰写——原始草稿、可视化、软件、方法学、调查、数据分析、数据管理。Panatda Khrueakaew:项目管理、调查、数据分析。Soottawat Benjakul:撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、概念构思。Jirakrit Saetang:撰写——审稿与编辑、资源协调、方法学、资金获取、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家科学与研究创新基金(NSRF)宋卡王子大学(授权号:AGR6801024S)的支持。
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

知名企业招聘

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号