植物线虫太赫兹特征光谱及其无标记基因识别研究

基于分子生物学的线虫检测方法需要建立在已知部分线虫基因片段（如线虫的ITS区域），并根据已知基因片段序列，经过引物、探针设计与合成、荧光标记、PCR反应、凝胶电泳、荧光信号检测等过程，此外还存在PCR后污染等造成的假阳性等问题，从而降低了目标线虫的准确检测效率。针对此，项目组开展了基于太赫兹光谱的线虫无标记基因识别研究，亟希望通过应用太时域光谱仪（THz-TDS）、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)并辅助高分辨率的超外差混频技术及最灵敏的超导探测器，研究线虫DNA的太赫兹特征光谱，在此基础上构建线虫DNA的太赫兹光谱数据库，并与其它近缘线虫的DNA的太赫兹光谱进行比对，分析其差异，进而应用密度泛函理论(DFT)及应用高斯03分析软件获得线虫DNA的声子模式（集体振动模）或分子构象（形），以达到准确鉴别线虫的目标。

1.研究背景. 松材线虫是松木的有害生物，它和拟松材线虫是近缘种，在形态上几乎无差异，但DNA结构不同。遗传学、免疫学、病理学和生理生化方法（酶学血清学、性外激素、染色体数）在检测过程中由于受到线虫发育阶段、寄主、地理来源、试验条件等方面的影响，具有明显的局限性。基于分子生物学的线虫检测方法需要建立在已知部分线虫的基因片段的基础上，常用的是线虫的ITS区域，根据已知基因片段序列，需要经过引物、探针设计与合成、荧光标记、PCR反应、凝胶电泳、荧光信号检测等过程，此外还存在PCR后污染等造成的假阳性等问题，从而降低了目标线虫的准确检测效率。THz频段存在大量的DNA分子主链间激发的本征共振，应用THz时域光谱技术进行DNA束缚态的基因识别，无需对其DNA片段作荧光标记，试验相对简单、操作方便。这也是我们开展这一研究的原因。..2.研究内容及其重要结果. 项目具体研究了两种线虫（松材线虫、拟松材线虫）DNA及其PCR片段的THz光学特性及其光谱特征，发现它们的折射率及其特征峰位置均有所不同，由此可鉴别不同的线虫。测试了受松材线虫侵蚀后松针叶样品的THz吸收系数的变化，由此追踪松树的感病时间。研究了太赫兹超导热电子混频器的物理特性，为进一步开展THz高灵敏检测提供了理论依据。应用密度泛函理论（DFT）及Gaussian03软件，研究了DNA分子中AGCT四种碱基及其A-T、C-G碱基对的THz特征谱，确定其振动模式及分子间的弱相互作用，为进一步解析DNA分子结构及其声子模式、分子构象提供了理论基础。应用密度泛函理论进一步研究了松针叶的叶绿素分子的振动模式及分子间的弱相互作用，获取其分子构象。本研究方案主要从光谱特征及其分子动力学模型开展植物线线虫鉴别研究，可为植物线虫病监测提供新的方案。