本文介绍了一种从专性活体营养型真菌病原体白粉菌中提取、纯化基因组DNA并进行质量控制的方法,适用于长读长基因组测序。
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本文介绍了一种从专性活体营养型真菌病原体白粉菌中提取、纯化基因组DNA并进行质量控制的方法,适用于长读长基因组测序。
白粉菌是一类具有重要经济意义的真菌性植物病原体。由于缺乏完善的遗传学和基因组学资源,目前对这类病原体的分子生物学和遗传学了解相对较少。这些生物体具有庞大且富含重复序列的基因组,使得基因组测序和组装极为困难。本文介绍了一种从白粉菌物种Golovinomyces cichoracearum中获取高分子量基因组DNA的收集、提取、纯化及质量控制评估方法。该方案包括通过机械破碎孢子,随后采用优化的酚/氯仿法提取基因组DNA。通常每150 mg分生孢子可获得约7 µg DNA。利用本方法提取的基因组DNA适用于长读长测序(即,> 48.5 kbp)。本方法还描述了用于评估基因组DNA大小、得率和纯度的质量控制措施。对本文所述质量水平的基因组DNA进行测序,将有助于多个白粉菌基因组的组装与比较,进而加深对该类农业病原菌的理解并提升其防控水平。
白粉菌是一类专性活体营养型真菌植物病原体,综合来看,它们是全球范围内造成植物病害的最主要原因1。目前已描述的白粉菌物种超过900种,在分类学上归属于白粉菌科(Erisyphaceae)中的五个族2。由于其重要的经济影响以及与寄主植物之间形成的密切互作关系,白粉菌病害已受到长达>100年的持续研究。在侵染过程中,白粉菌会引发寄主细胞结构、代谢过程和分子生物学层面的显著变化,从而有利于该病原菌的生存与繁殖。然而,由于其专性寄生的生活方式,对白粉菌的研究面临特殊挑战,目前尚未实现该类真菌的纯培养生长3,4,5,6,7,8。此外,尽管已有部分物种实现了瞬时转化,但稳定、可靠的白粉菌遗传转化体系至今仍未建立9,10。
白粉菌基因组的测序与组装一直面临困难,这主要源于其基因组本身的若干特征。与其他真菌基因组相比,白粉菌基因组较大(120 - 180 Mbp),并含有60 - 90%均匀分布的重复元件11这些元件包括非长末端重复序列以及未分类的重复元件。两个 专化型 一种白粉菌物种的 禾谷布氏霉 小种 禾谷类 和专化型 tritici (Bgh 和 Bgt, 分别) 以及葡萄白粉病 Erysiphe necator 已完成测序,并已获得其他多个物种的草图基因组12,13,14基因组的重复性质使得组装困难,且已完成的 Bgh 基因组被组装成6,989条超级contig,其L50为2 Mb12.
尽管基因组较大,白粉菌的蛋白质编码基因数量却较少,分别预测出 Bgh 和 Bgt 含有 5,845 和 6,540 个基因。测序的白粉菌似乎还缺少至少 99 个在其他真菌中至关重要的核心基因,这与其依赖寄主植物生存的特性一致11,12,13,14。
靠近端粒、着丝粒、核糖体RNA基因阵列以及富含可移动元件区域的重复序列,难以通过短读长测序策略进行有效组装,因此在基因组组装中常常被低估15。这些区域被认为是基因组序列中许多缺口形成的主要原因,这一点在具有大量重复元件扩增的白粉菌中尤为突出16。高度可变的基因组区域通常位于此类重复序列区域中3。这些区域是染色体结构重排的发生位点,且常编码处于强烈选择压力下的基因,例如编码效应蛋白的基因以及编码次级代谢酶的基因。单分子长读长测序技术的进步为跨越基因组中重复区域的测序提供了潜在解决方案15。例如,Faino et al.(2015)发现,结合使用长读长测序技术和光学图谱技术,能够成功获得植物病原真菌Verticillium dahlia两个菌株的无缺口基因组序列,使基因组中重复DNA序列的比例提高了三倍,增加了基因注释的数量(同时减少了部分或缺失的基因注释),并揭示了基因组的重排现象17。
为了使用这些长读长测序技术,需要高浓度、高质量的基因组DNA,其最小长度需超过> 20 kbp。本文介绍了我们针对在黄瓜上生长的白粉菌物种Golovinomyces cichoracearum进行分生孢子收集、从分生孢子中提取高分子量DNA以及质量控制评估的方法18。本实验方案基于瑞士苏黎世大学B. Keller实验室团队开发的方案13,19,并进行了多项改进,显著提高了DNA得率,并增加了长度超过>48.5 kbp的DNA比例。此外,本方案还纳入了美国能源部联合基因组研究所推荐的质量控制步骤20,21,22。
裂解缓冲液中每种试剂的功能以及每一步纯化步骤的原理均如Henry(2008)所述23。在本方案的设计过程中,还参考了已发表的从植物和微生物组织中分离高分子量基因组DNA的可用方案24,25,26,27,28。
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1. 真菌材料的制备
2. 基因组DNA纯化
3. 质量控制
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60纳克纯化基因组DNA的代表性示例 G. cichoracearum 使用凝胶电泳和脉冲场凝胶电泳在琼脂糖凝胶上进行电泳的结果如图所示 图1 和 2分别. 通过、勉强通过和未通过质量控制的基因组DNA样品示例如下所示。完全通过质量控制的基因组DNA样品适用于长读长基因组测序方法。勉强通过质量控制的样品可被接受,但优先选择完全通过质量控制的样品。未通过质量控制的样品不适用于长读长基因组测序方法。

图1:纯化基因组DNA的琼脂糖...
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为了从专性活体营养型白粉菌中获得高纯度、高分子量的基因组DNA,我们开发了一种对先前所述方法的改进版本30。采用该优化方案的平均得率为每150 mg分生孢子可获得7 µg DNA,是此前方案得率的两倍。此外,DNA片段平均长度从约20 kbp提高至超过48.5 kbp。该方案在黄瓜-G. cichoracearum体系中进行了优化。若要在其他白粉菌或专性活体营养型真菌中获得最佳质量和最高纯度的DNA,可能需要对该方案进行进一步调整。未来,该方案或可用于从其他专性活体营养型真菌中获取适用于长读长DNA测序的高分子量DNA,但可能需要进一步优化。
在优化本方案的过程中,如何平衡高DNA得率与提取DNA的高分子量是一个关注重点。为尽量减少DNA剪切,已去除包括涡旋在内的多个步骤,并改用轻柔颠倒混匀的方式。这一改变在未显著降低DNA得率的前提下,提高了提取DNA的质量。此外,在细胞裂解步骤开始时即移除钢珠,与将钢珠保留在溶液中直至裂解结束相比,可显著提高DNA得率。
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作者无任何利益冲突需要披露。
本方案的制定得到了美国联合基因组研究所-社区测序项目(#1657)的支持。部分工作由Philomathia基金会、美国国家科学基金会(#0929226)以及能源生物科学研究所对S. Somerville的资助支持;B. Keller的研究由瑞士国家科学基金会(#310030_163260)资助。我们衷心感谢我们的同事M. Figureroa和M. Miller(明尼苏达大学)、R. Panstruga(亚琛工业大学)、C. Pedersen(哥本哈根大学)、P. Spanu(帝国理工学院)、J. Taneja(加州大学伯克利分校)、M. Wildermuth(加州大学伯克利分校)、R. Wise(爱荷华州立大学)和S. Xiao(马里兰大学)在本方案开发过程中提供的宝贵建议,并感谢他们慷慨分享各自的实验方案。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MM400 球磨仪 | Retsch | 20.745.0001 | 或同等性能的球磨仪 |
| 用于球磨的 2 mL 管 | Sarstedt | 72.694.007 | |
| 5/32" 不锈钢研磨珠 | OPS Diagnostics | GBSS 165-5000-01 | |
| 微处理器控制的 280 系列水浴锅,预设温度为 65 °C | Thermo Fisher Scientific | 2825 | 或同等性能的水浴锅 |
| 微处理器控制的 280 系列水浴锅,预设温度为 37 °C | Thermo Fisher Scientific | 2825 | 或同等性能的水浴锅 |
| Eppendorf 5417R 冷冻微量离心机 | Krakeler Scientific | 38-022621807 | 或同等性能的微量离心机 |
| 氯仿:IAA (24:1 v/v) | Sigma-Aldrich | C0549 | 接触皮肤或吸入时具有危害性。操作时需佩戴腈类手套、防护眼镜、实验服,并在通风橱内进行 |
| 苯酚:氯仿:IAA (25:24:1 v/v) | Thermo Fisher Scientific | 15593031 | 接触皮肤或吸入时具有危害性。操作时需佩戴腈类手套、防护眼镜、实验服,并在通风橱内进行 |
| 100% 异丙醇 | Sigma-Aldrich | W292907 | |
| 100% 乙醇 | Sigma-Aldrich | 34923 | 使用前需预冷至 -20 °C |
| 乙酸钠 | Sigma-Aldrich | S2889 | |
| RNase,无 DNase 污染(10 mg/mL) | Thermo Fisher Scientific | EN0531 | |
| 偏重亚硫酸钾 | Sigma-Aldrich | P2522 | |
| 月桂酰基肌氨酸钠 | Sigma-Aldrich | L9150 | |
| Tris 碱 | Sigma-Aldrich | 10708976001 | |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | Sigma-Aldrich | EDS | |
| 氯化钠(NaCl) | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| 十六烷基三甲基溴化铵(CTAB) | Sigma-Aldrich | H6269 | |
| Uvex by Honeywell Futura Goggles S345C,Uvextreme | Staples | 423263 | 或同等性能的护目镜 |
| High Five COBALT 腈类手套,大号 | Neta Scientific | HFG-N193 | 或同等性能的手套 |
| GelRed 核酸凝胶染料,水溶液,10,000 倍稀释 | Biotium | 41003 | |
| 溴化乙锭 10 mg/mL | Biotium | 40042 | 接触皮肤时具有危害性。操作时需佩戴腈类手套和防护眼镜 |
| 超纯琼脂糖,生物试剂级 | VWR International LLC | JT4063 | |
| GeneRuler 1 kb Plus DNA Marker | Thermo Fisher Scientific | FERSM1332 | |
| 8 - 48 kb CHEF DNA 分子量标准 | Bio-Rad | 170-3707 | |
| Pippin Prep | Life Technologies Corporation | 4472172 | 或同等性能的脉冲场凝胶电泳装置 |
| Whatman 定性滤纸,1 号 | Sigma-Aldrich | WHA1001042 | 或同等性能的生长培养箱 |
| Percival 生长培养箱 | Percival | AR66LXC9 | |
| NanoDrop 8000 紫外-可见分光光度计 | Thermo Fisher Scientific | ND-8000-GL | 或同等性能的分光光度计 |
| Quant-iT PicoGreen dsDNA 定量检测试剂盒 | Thermo Fisher Scientific | P11496 | |
| TAE 缓冲液(Tris-乙酸-EDTA)(50x) | Thermo Fisher Scientific | B49 | 使用前用水稀释 50 倍(至 1x) |
| TE 缓冲液 | Thermo Fisher Scientific | 12090015 | |
| Tris-硼酸-EDTA,10x 溶液(电泳用) | Thermo Fisher Scientific | BP13334 | 使用前用水稀释 10 倍(至 1x) |
| 液氮 | 液氮(-196 °C)具有冷冻危险性。升温时会迅速膨胀,切勿密封于密闭容器中 |
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