质体、核DNA分离与分析(策略)

目前常用的DNA提取方法如CTAB法,若不加改进,所提得均为细胞的总DNA。以植物为例,细胞总DNA包括核DNA(nuclear DNA, nDNA)、叶绿体DNA(chloroplast DNA, cpDNA)、线粒体DNA(mitochondrial DNA, mtDNA)等。有时我们基于分析需要,只需要叶绿体基因组或线粒体基因组,甚至是核基因组的局部片段,这时该如何获取目的序列呢?

主要通过两种思路来获取我们所需的目的片段。第一是通过实验提取我们所需的DNA片段,然后测序;第二是对全基因组测序,再利用生物信息学方法筛选出目的片段。过去测序成本高、通量低,通常是采用第一种方案,即通过物理、化学方法提出叶绿体、线粒体DNA或对核中感兴趣片段进行扩增,然后送测。但随近年测序通量极大提高、成本降低,利用第二种方案获取所需DNA成为可能。这种方法的优势在于省去了实验分离各类DNA的操作,也无需做目的片段的PCR,减少外源DNA干扰,提高提取效率。缺点在于后期信息学处理较繁,目的片段需有参考基因组,或有特异性分子标记,则较容易识别与抽提。下面介绍两种思路获取各类DNA的具体方法。

一、实验分离DNA

(一)核DNA的提取

核DNA占总DNA的95%,而细胞质DNA占5%以下。通常而言,这少量的DNA混入大多没有干扰。若进行组装,剩下的无法组装入基因组的序列则是细胞质DNA或干扰。也可以在组装前就识别并删除掉叶绿体、线粒体的DNA。当然,还有少量DNA来源于核仁等,需要特殊处理,这里不细述。实验提取核DNA的方法,例可参考徐德昌[1]等。

(二)叶绿体DNA的提取

目前,常用于植物叶绿体DNA提取的方法有DNase Ⅰ处理法[2]、蔗糖密度梯度离心法[3]、Perco Ⅱ梯度法[4]、无水法[5]和高盐-低pH法[6]等,以及对各种方法的改进版本,如杨晓婷[7]针对枣树叶绿体基因组,改良了高盐-低pH法,能获得更好的结果。各种方法总体上都能提取出叶绿体DNA,但程序繁简有别,不同实验对象也有偏差,特别是反应及试剂浓度等在处理不同样品时常需调整。

(三)线粒体DNA的提取

用于高等植物mtDNA提取的方法有Leving(1976)、Sagha-i Maroof的CTAB法[8]、Dolferus方法(1991)、蔗糖衬垫法[9]和CsCl / EB 密度梯度离心法[10][11]

二、信息学筛选DNA

(一)质体DNA的筛选

以叶绿体为例,参考网友“穆易青”[12]分享的方法。该方法基于参考基因组,筛选出叶绿体基因组的contigs / scaffolds,然后拼接,并提供有一系列校正的方法。

(二)核基因组的目标片段

有时我们需从全基因组reads中找到分析所需的小片段DNA(如几百kb)。下面以ITS为例,介绍筛选思路。

ITS是位于18S、5.8S、26S三个基因之间的称作转录间隔区(internally transcribed spacer)的区域,三个基因间的两个间隙分别为ITS1与ITS2,五个片段共同构成一转录单元(transcription unit)。该转录单元是高度重复的串联序列单位。ITS的长度比较保守,但序列变异较快,可以提供丰富的系统学信息。而18S、5.8S、26S rDNA的序列非常保守。以上表明,我们至少可以利用18S、5.8S、26S rDNA做两件事:可用其设计引物,扩增出ITS;或以之为分子标记,定位ITS。所以,当我们获得全基因组序列之后,可以根据已发表被子植物18S、5.8S、26S rDNA序列,以及近缘类群ITS筛选出contigs (scaffolds),进一步还能确定ITS的边界[13]


参考文献

[1] 徐德昌,赵亚华,杜天奎.植物总DNA和核DNA提取及其纯度的研究[J].宁夏农学院学报,1997(03):57-61.
[2] Edelman, et al. M. Methods in chloroplast molecular biology[M]. Elsevier Biomedical Press, Sole distributors for the U.S.A. and Canada,Elsevier Science Pub. Co., 1982.
[3] Hirai A, Ishibashi T, Morikami A, et al. Rice chloroplast DNA: a physical map and the location of the genes for the large subunit of ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase and the 32 KD photosystem II reaction center protein[J]. Theor Appl Genet. 1985, 70(2): 117-122.
[4] S. H, G. C G, E. G, et al. Clone bank and physical and genetic map of potato chloroplast DNA[J]. Theoretical and Applied Genetics. 1998, 75(2).
[5] Nai H W, Jean C C, Ray W. Structure of the chloroplast psbA gene encoding the QB protein from Oryza sativa L.[J]. Developmental Genetics. 1987, 8(5‐6).
[6] Chao S, Na H, Hui H, et al. An improved chloroplast DNA extraction procedure for whole plastid genome sequencing.[J]. PLoS ONE. 2012, 7(2).
[7] 杨晓婷,黄建,张春梅,等.枣叶绿体基因组DNA提取方法研究[J].西北林学院学报,2015,30(02):105-110.
[8] Murray M G, Thompson W F. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA[J]. Nucleic Acids Res. 1984, 8(19): 4321-4325.
[9] 李俊英,闻颖达,蒋嫦英,等.一种简便快捷的植物线粒体质粒DNA的提取方法[J].南开大学学报(自然科学版),2000(04):49-52.
[10] 王关林等.植物基因工程原理与技术[M].科学出版社,1998.
[11] 曾秀存,孙万仓,孟亚雄,等.十字花科植物线粒体DNA的提取和纯化[J].西北植物学报,2005(06):1137-1142.
[12] 叶绿体基因组二代测序组装经验分享.
[13] 王建波,张文驹,陈家宽.核rDNA的ITS序列在被子植物系统与进化研究中的应用[J].植物分类学报,1999(04):104-113.

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