本文展示了一种从标本馆材料中提取DNA并构建高通量测序文库的详细方案,包括对质量极差的DNA进行挽救的方法。
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本文展示了一种从标本馆材料中提取DNA并构建高通量测序文库的详细方案,包括对质量极差的DNA进行挽救的方法。
标本馆是可用于多种生物学研究的宝贵植物材料来源。使用标本馆标本面临诸多挑战,包括样本保存质量参差、DNA降解以及对稀有标本的破坏性取样。为了在大规模测序项目中更有效地利用标本馆材料,亟需一种可靠且可扩展的DNA提取与文库构建方法。本文展示了一种稳健、从头到尾的完整实验流程,用于从标本馆标本中提取DNA并构建高通量测序文库,且无需针对单个样本进行流程调整。该流程专为低质量的干燥植物材料优化设计,通过改进组织研磨、调整文库片段大小选择,并引入可选的低产量文库再扩增步骤,整合并优化了现有方法。对低产量DNA文库进行再扩增,可挽救来自不可替代且潜在重要价值的标本馆标本的样本,避免进一步的破坏性取样,且在常见的系统发育学应用中不会引入可察觉的测序偏差。该流程已在数百种禾本科植物中测试验证,预期在其他植物类群中经适当验证后亦可适用。该方法的局限性在于DNA极度降解(片段长度不在理想大小范围内)以及某些植物材料中存在的次生代谢物,后者可能抑制DNA的纯净提取。总体而言,该流程提供了一种快速而全面的方法,可在不到13小时的时间内完成24个样本的DNA提取与文库构建,其中实际操作时间仅需约8小时,且所需调整极少。
标本馆收藏是系统发育学1,2,3、群体遗传学4,5、保护生物学6、入侵物种生物学7以及性状演化8等研究中物种多样性与基因组多样性的重要潜在来源。能够获取丰富多样的物种、种群、地理来源和时间点,凸显了标本馆作为"宝库"9的价值。历史上,源自标本馆材料的DNA降解问题一直阻碍基于PCR的研究,常使研究人员只能使用高拷贝数的分子标记,例如叶绿体基因组区域或核糖体RNA的内转录间隔区(ITS)。标本及其DNA的质量因保存方法的不同而存在广泛差异9,10,其中干燥过程中受热导致的双链断裂和DNA片段化是最常见的损伤形式,造成了所谓的90% DNA“锁闭”现象,严重限制了基于PCR的研究11。除片段化外,标本馆基因组学中第二普遍的问题是污染,例如来自内生真菌13,或在采集后、装订前死亡个体所获得的真菌污染12;不过,若具备合适的真菌数据库,该问题可通过生物信息学手段解决(见下文)。第三个但较少见的问题是胞嘧啶脱氨作用(C/G→T/A)引起的序列修饰14,尽管据估计其在标本馆标本中的发生率较低(约0.03%)11。随着高通量测序(HTS)技术的发展,利用短读长和足够的测序深度可克服片段化问题12,15,使得即使DNA质量较低的大量标本也能获得基因组水平的数据,甚至在某些情况下实现全基因组测序15。
标本馆样本的使用日益频繁,已成为系统发育研究项目中越来越重要的组成部分16。当前利用标本馆标本进行高通量测序(HTS)面临的一个挑战是,如何在无需针对单个样本优化方法的前提下,及时、稳定地从大量物种中获得足量的双链DNA——这是测序流程的必要前提。本文展示了一种适用于标本馆标本的DNA提取与文库构建方案,该方案在现有方法基础上加以改进,以实现快速且可重复的结果。该方法可在13小时内完成从样本到24个样本文库的全部流程,其中实际操作时间为8小时;若需要进行可选的再扩增步骤,则总耗时为16小时,操作时间为9小时。同时处理更多样本也是可行的,但受限于离心机容量和技术操作能力。该方案仅需常规实验室设备(如PCR仪、离心机和磁力架),无需使用雾化器或超声波破碎仪等特殊设备进行DNA片段化。
DNA 质量、片段大小和数量是限制腊叶标本在高通量测序实验中应用的关键因素。已有其他方法用于提取腊叶标本 DNA 并构建高通量测序文库,证明仅使用 10 ng DNA 即可有效进行测序16;然而这些方法需要通过实验确定文库构建所需的最适 PCR 循环数。当可扩增的双链 DNA(dsDNA)含量极低时,这种方法变得不切实际,因为某些腊叶标本仅能提供足够进行一次文库构建的 DNA 量。本文所介绍的方法无论样本质量如何,均采用固定的 PCR 循环次数,因此在文库优化步骤中不会损失任何 DNA。若文库未达到测序所需的最低量,则通过重新扩增步骤进行补充。许多腊叶标本稀有且材料有限,使得在多数情况下难以合理化进行破坏性取样。为应对这一问题,本方案允许在文库构建过程中投入少于 1.25 ng 的 dsDNA,从而扩大了可用于高通量测序的样本范围,并最大限度减少了对标本的破坏性取样需求。
以下实验方案已针对禾本科植物进行了优化,并已在数百种不同物种的标本馆样本上进行了测试,尽管我们预计该方案也可应用于许多其他植物类群。方案中包含一个可选的恢复步骤,可用于挽救低质量和/或稀有样本。基于对两百余份标本馆样本的测试结果,该方案适用于组织投入量少且质量较低的样本,从而通过最小破坏性取样实现稀有标本的保护。本文结果表明,该方案能够构建高质量文库,可用于基于系统发育基因组学的测序项目。
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1. 实验开始前
2. DNA 提取
3. 质量控制(QC)
4. DNA 剪切
注意:这是商用双链片段化酶试剂盒方案(参见材料表)的优化版本。
5. 磁珠纯化
6. 文库构建
注意:这是市售文库试剂盒的修改版本(参见材料表中的实验方案)。
| 循环步骤 | 温度 | 时间 | 循环次数 |
| 初始变性 | 98 °C | 30 s | 1 |
| 变性 | 98 °C | 10 s | 12 |
| 退火/延伸 | 65 °C | 75 s | 12 |
| 最终延伸 | 65 °C | 5 min | 1 |
| 保存 | 4 °C |
表1:PCR方案的变性、退火和延伸时间及温度。 温度和时间已针对本方案中所列试剂进行了优化。若更换试剂,应重新优化温度和时间。
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DNA 提取与最终文库产量
在本研究中,通过使用五十个不同样本验证了该实验方案在分离腊叶标本DNA及构建高质量测序文库方面的有效性,其中最古老的样本来自1920年,最新的样本来自2012年(表 2)。每个样本使用约10 mg叶片组织进行DNA提取。若条件允许,优先选择更绿的叶片组织,且不选用有明显真菌污染的组织。虽然也可使用发黄或褐色的组织进行提取,但预期产量会较低。初始提取获得的总双链DNA(dsDNA)含量范围为3.56 ng至2,610 ng。与预期一致,从标本馆标本中提取的DNA高度降解(图1A, 补充材料 图1)。部分提取物用于酶切剪切(1.26–464 ng)。尽管标本馆DNA在保存过程中已发生剪切,但为优化实验流程,仍需进行额外剪切以提高文库总产量。剪切后双链DNA的总回收量范围为 <输入的双链DNA中有1%至51%得以保留,...
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本文介绍的方法是一种从干燥植物标本中提取DNA并构建测序文库的全面且可靠的方案。该方法具有良好的重复性,且基本无需根据标本质量进行调整,因此适用于大规模基于标本馆的测序项目。方案中包含一个可选的低产量文库再扩增步骤,使得低质量、低含量、稀有或具有重要历史价值的样本也能够被纳入测序范围,而这些样本通常难以满足常规测序要求。
初始DNA得率的重要性
由于初始标本保存方式的影响,从标本馆材料中提取的DNA通常会发生降解11,年龄不足300年的标本其DNA降解程度可与数百至数千年前动物遗骸中提取的DNA相当31,32。因此,优化初始DNA得率对于获得足量高质量的双链DNA(dsDNA)以成功构建测序文库至关重要。对于禾本科物种,通过在初始研磨步骤中联合使用灭菌砂和液氮,可更彻底地破坏细胞壁并释放核酸,从而实现最佳的DNA得率。该方法可同时增加理想的较长双链DNA片段和不理想的较短片...
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作者声明不存在任何竞争利益。
感谢 Taylor AuBuchon-Elder、Jordan Teisher 和 Kristina Zudock 在采集标本馆标本方面的协助,以及密苏里植物园提供用于破坏性取样的标本馆标本。本研究工作得到了美国国家科学基金会资助(项目编号:DEB-1457748)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Veriti 热循环仪 | Applied Biosystems | 4452300 | 96 孔 |
| 凝胶成像系统 | Azure Biosystems | c300 | |
| Microfuge 20 系列微量离心机 | Beckman Coulter | B30137 | |
| 数字干浴器 | Benchmark Scientific | BSH1001 | |
| 电泳系统 | EasyCast | B2 | |
| PURELAB flex 2(超纯水) | ELGA | 89204-092 | |
| DNA LoBind 管 | Eppendorf | 30108078 | 2 ml |
| 迷你离心机 | Fisher Scientific | 12-006-901 | |
| Vortex-Genie 2 涡旋振荡器 | Fisher Scientific | 12-812 | |
| 研钵 | Fisher Scientific | S02591 | 瓷质 |
| 研杵 | Fisher Scientific | S02595 | 瓷质 |
| 离心管 | Fisher Scientific | 21-403-161 | |
| 微波炉 | Kenmore | 405.7309231 | |
| Qubit 检测管 | Invitrogen | Q32856 | |
| 0.2 ml PCR 条形管及盖 | VWR | 20170-004 | |
| Qubit 2.0 荧光计 | Invitrogen | Q32866 | |
| 天平 | Mettler Toledo | PM2000 | |
| 液氮短期储存罐 | Nalgene | F9401 | |
| 磁力环架 | ThermoFisher Scientific | AM10050 | 96 孔 |
| 水浴锅 | VWR | 89032-210 | |
| 加热搅拌器 | VWR | 97042-754 | |
| 液氮 | Airgas | UN1977 | |
| 1 × TE 缓冲液 | Ambion | AM9849 | pH 8.0 |
| CTAB | AMRESCO | 0833-500G | |
| 2-巯基乙醇 | AMRESCO | 0482-200ML | |
| 核糖核酸酶 A | AMRESCO | E866-5ML | 10 mg/ml 溶液 |
| Agencourt AMPure XP | Beckman Coulter | A63882 | |
| 氯化钠 | bio WORLD | 705744 | |
| 异丙醇 | bio WORLD | 40970004-1 | |
| 无核酸酶水 | bio WORLD | 42300012-2 | |
| 异戊醇 | Fisher Scientific | A393-500 | |
| 三水合乙酸钠 | Fisher Scientific | s608-500 | |
| LE 琼脂糖 | GeneMate | E-3120-500 | |
| 100 bp PLUS DNA 标准分子量标记 | Gold Biotechnology | D003-500 | |
| EDTA 二钠盐 | IBI Scientific | IB70182 | |
| Qubit dsDNA HS 检测试剂盒 | Life Technologies | Q32854 | |
| TRIS | MP Biomedicals | 103133 | 超纯 |
| 紫色上样染料(6 ×) | New England BioLabs | B7024S | |
| NEBNext dsDNA 片段化酶 | New England BioLabs | M0348L | |
| NEBNext Ultra II DNA 文库构建试剂盒(适用于 Illumina) | New England BioLabs | E7645L | |
| NEBNext 多重接头引物组(适用于 Illumina) | New England BioLabs | E7600S | 双索引引物组 1 |
| NEBNext Q5 热启动高保真 PCR 预混液 | New England BioLabs | M0543L | |
| Mag-Bind RXNPure Plus | Omega bio-tek | M1386-02 | |
| GelRed 10000 × | Pheonix Research | 41003-1 | |
| 苯酚溶液 | SIGMA Life Science | P4557-400ml | |
| PVP40 | SIGMA-Aldrich | PVP40-50G | |
| 氯仿 | VWR | EM8.22265.2500 | |
| 乙醇 | Koptec | V1016 | 200 证明 |
| 二氧化硅砂 | VWR | 14808-60-7 | |
| 再扩增引物 | Integrated DNA Technologies | 见正文 | |
| Sequencher v.5.0.1 | GeneCodes |
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