Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Представлено сравнение и оптимизация двух методов растительного органелларного ДНК: традиционное дифференциальное центрифугирование и фракционирование общей гДНК на основе статуса метилирования. Мы оцениваем полученное количество и качество ДНК, демонстрируем эффективность в короткометражном секвенировании следующего поколения и обсуждаем потенциал для использования в долгочитаемом одномолекулярном секвенировании.
Органные органные геномы растений содержат большие повторяющиеся элементы, которые могут подвергаться спариванию или рекомбинации с образованием сложных структур и / или подгеномных фрагментов. Органелларные геномы также существуют в смесях в пределах определенного клеточного или тканевого типа (гетероплазмы), а обилие подтипов может изменяться во время развития или при стрессе (субстехиометрическое смещение). Для более глубокого понимания структуры и функции органелларного генома необходимы технологии секвенирования следующего поколения (NGS). Традиционные исследования секвенирования используют несколько методов для получения органеллярной ДНК: (1) Если используется большое количество исходной ткани, оно гомогенизируется и подвергается дифференциальной центрифугированию и / или градиентной очистке. (2) Если используется меньшее количество ткани ( т. Е. Если семена, материал или пространство ограничены), тот же процесс выполняется, как и в (1), за которым следует амплификация всего генома для получения достаточной ДНК. (3) Анализ биоинформатики может быть использован дляСуммарную геномную ДНК и разобрать органолептические прочтения. Все эти методы имеют присущие проблемы и компромиссы. В (1) может быть трудно получить такое большое количество исходной ткани; В (2) усиление цельного генома может привести к смещению последовательности; И в (3) гомология между ядерными и органелларными геномами может мешать сбору и анализу. В растениях с крупными ядерными геномами выгодно обогащать органеральную ДНК, чтобы снизить затраты на секвенирование и сложность последовательности для анализа биоинформатики. Здесь мы сравниваем традиционный метод дифференциального центрифугирования с четвертым методом, адаптированным подходом CpG-methyl pulldown, для разделения общей геномной ДНК на ядерные и органеарные фракции. Оба метода дают достаточную ДНК для NGS, ДНК, которая сильно обогащена для органеллярных последовательностей, хотя и при различных соотношениях в митохондриях и хлоропластах. Мы представляем оптимизацию этих методов для ткани листьев пшеницы и обсуждаем основные преимущества и dЯвляется преимуществом каждого подхода в контексте ввода образца, упрощения протокола и последующего приложения.
Секвенирование геномов является мощным инструментом для анализа лежащей в основе генетической основы важных признаков растений. В большинстве исследований секвенирования генома основное внимание уделяется содержанию ядерного генома, так как большинство генов расположено в ядре. Тем не менее, органелл геномов, в том числе митохондрии (через эукариот) и пластид (в растениях; специализированной форме, хлоропластов, работает в фотосинтезе) способствуют значительной генетической информации , необходимой для организменном развития, реакции на стресс и общей пригодности 1. Органелларные геномы обычно включаются в общую экстракцию ДНК, предназначенную для секвенирования ядерного генома, хотя также используются методы уменьшения количества органелл до экстракции ДНК 2 . Во многих исследованиях были использованы результаты секвенирования от полных выделений гДНК для сборки органеллярных геномов 3 , 4 , 5 ,Xref "> 6 , 7. Однако, когда целью исследования является фокусирование на органелларных геномах, использование общей гДНК увеличивает затраты на секвенирование, потому что многие чтения« теряются »для последовательностей ядерных ДНК, особенно у растений с большими ядерными геномами Кроме того, из-за дублирования и переноса органелларных последовательностей в ядерный геном и между органеллами правильное отображение положения секвенирования, считываемое в соответствующий геном, является биоинформационно сложным 2 , 8. Очистка органелларных геномов от ядерного генома является одной Стратегия по уменьшению этих проблем. Дальнейшие стратегии биоинформатики могут использоваться для разделения чтений, которые сопоставляются с областями гомологии между митохондриями и хлоропластами.
В то время как органелларные геномы многих видов растений были секвенированы, мало что известно о широте разнообразия органелларного геномаДоступных в диких популяциях или в культивируемых племенных пулах. Известно, что органелларные геномы являются динамическими молекулами, которые подвергаются значительной структурной перестройке из-за рекомбинации между повторяющимися последовательностями 9 . Кроме того, в каждой органелле содержится несколько копий органомерного генома, и в каждой клетке содержится множество органелл. Не все копии этих геномов идентичны, что называется гетероплазмой. В отличие от канонической картины «мастер-кругов», в настоящее время растут доказательства более сложной картины органелларных структур генома, включая субгеномные круги, линейные хромосомы, линейные конкатэмеры и разветвленные структуры 10 . Сборка растительных органелларных геномов дополнительно осложняется их относительно большими размерами и существенными инвертированными и прямыми повторами.
Традиционные протоколы для органолептической изоляции, очистки ДНК и последующего генома E sequencing часто громоздки и требуют больших объемов ввода ткани, с несколькими граммами до более сотни граммов молодой листовой ткани, необходимой в качестве отправной точки 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 . Это делает секрецию органелларного генома недоступным, когда ткань ограничена. В некоторых ситуациях количество семян ограничено, например, когда необходимо последовательность на основе поколений или в мужских стерильных линиях, которые необходимо поддерживать путем скрещивания. В этих ситуациях органелларная ДНК может быть очищена, а затем подвергнута амплификации цельного генома. Однако амплификация цельного генома может привести к существенному смещению последовательности, что является особой проблемой при оценке структурных изменений, подгеномных структур и уровней гетероплазмы> 18. Недавние успехи в подготовке библиотек для технологий короткого чтения с чередованием преодолели барьеры с низким входным потенциалом, чтобы избежать усиления цельного генома. Например, набор для подготовки библиотеки Illumina Nextera XT позволяет использовать всего лишь 1 нг ДНК для ввода 19 . Тем не менее, стандартная подготовка библиотек для приложений с длительным чтением, таких как технологии секвенирования PacBio или Oxford Nanopore, по-прежнему требует относительно большого количества входной ДНК, что может создать проблему для секвенирования органелларного генома. Недавно были разработаны новые пользовательские протоколы последовательного кодирования с длительным чтением для уменьшения количества вводимых количеств и для облегчения секвенирования генома в образцах, где получение микрограммовых количеств ДНК затруднено 20 , 21 . Однако получение высокомолекулярных чистых органелларных фракций для подачи в эти библиотечные препараты остается проблемой.
Мы искали tO сравнить и оптимизировать органические методы обогащения и выделения ДНК, подходящие для NGS, без необходимости амплификации цельного генома. В частности, наша цель заключалась в определении оптимальных методов обогащения высокомолекулярной органелларной ДНК из ограниченных исходных материалов, таких как подвыборка листа. В этой работе представлен сравнительный анализ методов обогащения органелларной ДНК: (1) модифицированный традиционный протокол дифференциального центрифугирования по сравнению с (2) протоколом фракционирования ДНК на основе использования коммерчески доступного подхода к распаду ДНК CpG-метилсвязывающего домена 22 применяется к растительной ткани 23 . Мы рекомендуем лучшие методы для выделения органелларной ДНК из ткани листьев пшеницы, которая может быть легко распространена на другие растения и типы тканей.
1. Генерация растительных материалов для выщелачивания и выделения ДНК
2. Способ № 1: экстракция ДНК с использованием дифференциального центрифугирования (DC)
ПРИМЕЧАНИЕ.Протокол стандартного центрифугирования был модифицирован из двух публикаций, в которых оптимизированы условия для выделения обоих органелл, но обогащаются митохондриями 17 , 24 . Полученный протокол менее трудоемкий и использует меньше токсичных химических веществ, чем предыдущие методы. В частности, мы внесли изменения в буферы и стадии промывки, включая добавление поливинилпирролидона (ПВП) в буфер для экстракции STE и удаление заключительной стадии промывки в буфере NETF, который содержит фторид натрия (NaF).
Внимание: Подготовка и использование буфера STE следует выполнять под химическим вытяжным шкафом с надлежащим оборудованием для индивидуальной защиты, так как этот буфер содержит 2-меркаптоэтанол (BME).
3. Способ №2: Метил-фракционирование (MF) Подход к обогащению для органеллярной ДНК из общей геномной ДНК
ПРИМЕЧАНИЕ. Этот протокол был модифицирован из разработанного пользователем протокола извлечения ДНК Genomic Tip Kit для растений и грибов 27 и коммерческого протокола 28 для микробиологического обогащения ДНК. Теоретически, любой протокол выделения ДНК, который дает высокомолекулярную ДНК, может быть использован для раскрытия. Для секвенирования с коротким считыванием любая экстракция, дающая преимущественно фрагменты размером более 15 т.п.н., подходит для использования в раскрывающемся списке. Для loNg-read, могут потребоваться более крупные фрагменты. Поэтому мы оптимизировали этот протокол для получения высокомолекулярной ДНК.
4. Количественная оценка и контроль качества
Протоколы, представленные в этой рукописи, описывают два разных метода обогащения органелларной ДНК из растительной ткани. Представленные здесь условия отражают оптимизацию для ткани пшеницы. Сравнение основных этапов протоколов, требуемого ввода ткани и выхода ДН?...
На сегодняшний день большинство исследований органолептических секвенирования сосредоточены на традиционных методах DC, чтобы обогатить специфическую ДНК. Были описаны способы выделения органелл из различных растений, включая мох 40 ; Однодольные, такие как пшеница
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.
Упоминание торговых наименований или коммерческих продуктов в этой публикации исключительно для целей предоставления конкретной информации и не подразумевает рекомендации или одобрения Департамента сельского хозяйства США. USDA является поставщиком равных возможностей и работодателем.
Мы хотели бы отметить финансирование со стороны Министерства сельского хозяйства США по сельскохозяйственным исследованиям и Национального научного фонда (IOS 1025881 и IOS 1361554). Мы благодарим Р. Каспера за техобслуживание и уход за теплицами. Мы также благодарим Университет Миннесотского геномического центра, где были подготовлены и упорядочены библиотеки Illumina. Мы также благодарны за комментарии редакторов журнала и четырех анонимных рецензентов, которые еще больше укрепили нашу рукопись. Мы также благодарим ОЭСР за стипендию SK по интеграции этих протоколов для совместных проектов с коллегами из Японии.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-mercaptoethanol (beta-mercaptoethanol; BME) | Sigma Aldrich | M3148-100ml | |
2-propanol (Isopropyl alcohol/isopropanol), bioreagent | Sigma Aldrich | I9516 | |
agarose, Bio-Rad Cetified Megabase agarose | Bio-Rad | 1613108 | |
analytical balance | Mettler Toledo | AB54-S | |
balance | Mettler Toledo | PB1502-S | |
bovine serum albumin (BSA) | Sigma Aldrich | B4287-25G | |
Ceramic grinding cylinders, 3/8in x 7/8in | SPEX SamplePrep | 2183 | |
Cryogenic Blocks compatible with tissue homogenizer for holding 50 ml tubes | SPEX SamplePrep | 2664 | |
DNaseI | Sigma | DN25 | |
ethanol, absolute | Decon Laboratories | 2716 | |
Ethylenediamine Tetraacetic Acid (EDTA), 0.5M Solution, pH8.0 | Fisher | BP2482-500 | |
gel imaging system | |||
gel stain | Such as GelRed or Ethidium Bromide | ||
grinding pestle, wide tip for 2 ml conical tubes | |||
Guanidine-HCl, 8M solution | ThermoFisher | 24115 | |
LightCycler 480 SYBR Green I Master | Roche | 4707516001 | |
liquid nitrogen | |||
Lysing enzymes from Trichoderma harzianum | Sigma | L1412 | |
Magnesium Chloride | G Bioscience | 24115 | |
magnetic rack | ThermoFisher | A13346 | |
microcentrifuge tubes, LoBind 1.5 ml | Eppendorf | 22431021 | |
microcentrifuge tubes, standard nuclease-free 1.5 ml | Eppendorf | ||
microcentrifuge, refrigerated | Sorvall | Legend X1R | Or equivalent product, must be capable of reaching at least 18,000 x g with rotors for 50 ml tubes, Oak Ridge tubes, and 1.5 ml tubes |
microcentrifuge, room temperature | Eppendorf | 5424 | Or equivalent product, must be capable of reaching at least 18,000 x g with rotor for 1.5 ml and 2 ml microcentrifuge tubes |
Microcon DNA Fast Flow Centrifugal Filter Units | EMD Millipore | MRCFOR100 | |
Miracloth, 1 square per sample cut to fit funnel | EMD Millipore | 475855 | |
NEBNext Microbiome DNA Enrichment Kit | New England Biolabs | E2612L | |
parafilm | Parafilm M | PM992 | |
plastic pots and trays | |||
polyvinylpyrrolidone (PVP) | Fisher | BP431-100 | |
Proteinase K | Qiagen | 19131 | |
Pulsed-Field Gel Electrophoresis rig (e.g. CHEF DR III) | Bio-Rad | 1703697 | |
purification beads, Agencourt AMpureXP beads | Beckman Coulter | A63881 | |
QIAamp DNA Mini Kit | Qiagen | 51304 | |
Qiagen 20/g Genomic Tip DNA Extraction Kit | Qiagen | 10223 | |
Qiagen Buffer EB (elution buffer) | Qiagen | 19086 | |
Qiagen DNA Extraction Buffer Set | Qiagen | 19060 | |
QiaRack | Qiagen | 19015 | |
qPCR machine (e.g. Roche Light Cycler 480) | Roche | ||
qPCR plate sealing film | Roche | 4729757001 | |
qPCR plate, 96 well plate | Roche | 4729692001 | |
Qubit assay tubes | Life Technologies | Q32856 | |
Qubit Broad Spectrum assay kit | Life Technologies | Q32850 | |
Qubit High Sensitivity assay kit | Life Technologies | Q32851 | |
RNaseA | Qiagen | 19101 | |
Serological pipettes (20 ml) and pipet-aid | Fisher | 13-678-11 | |
Small funnels, 1 per sample | |||
Sodium Chloride | Ambion | AM9759 | |
Soft paintbrush, 2 per sample | |||
SPEX SamplePrep 2010 Geno/Grinder or another type of tissue homogenizer | SPEX SamplePrep | Or another comparable tissue homogenizer. If you do not have access to a tissue homogenizer, then grinding in a pre-chilled mortar and pestle will suffice (see protocol for details). However, a homogenizer will give more consistent results and total homogenization time is reduced. | |
Sucrose | Omnipure | 8550 | |
TBE | |||
thermomixer | |||
Tris | Sigma | T2819-100ml | |
Triton X-100 | Promega | H5142 | |
tube rotater | |||
tubes, 50 mL conical polypropylene | Corning | 352070 | |
tubes, 50 ml high-speed polypropylene | ThermoScientific/Nalgene | 3119-0050 | e.g. Nalgene Oakridge tubes or equivalent |
vermiculite | |||
water bath | |||
water, sterile and certified Nuclease-free | Fisher | 1481 | |
water, sterile milliQ |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены