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Research Article
Vito M. Butardo Jr.1, Christiane Seiler2, Nese Sreenivasulu3, Markus Kuhlmann2
1Department of Chemistry and Biotechnology,Swinburne University of Technology, 2Department of Molecular Genetics, Heterosis Research Group,Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK), 3Grain Quality and Nutrition Center, Applied Functional Genomics Cluster,International Rice Research Institute
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
提出了谷物转录分析的方法。基于微阵列的基因表达分析从谷物中分离高质量的总RNA开始,并随着cDNA的生成而继续。在cRNA标签和微阵列杂交后,提出了信号检测和质量控制的建议。
基因表达的表征取决于RNA质量。在发芽、发育和成熟的谷类种子中,优质RNA的提取往往受到淀粉和糖含量高的阻碍。这些化合物可以降低提取的总RNA的产量和质量。总RNA数量和质量的恶化随后会对下游转录分析产生重大影响,而下游转录分析可能无法准确反映被检测样本基因表达图谱的空间和/或时间变化。在该协议中,我们描述了一种提取总RNA的优化方法,其数量和质量足以用于谷物的整个转录分析。所述方法适用于用于开发、发芽和成熟谷类种子的转录分析的几个下游应用。显示了使用微阵列平台的转录分析方法。该方法是专门为具有描述基因组序列的谷物的基因表达分析而设计的。介绍了从微阵列处理到最终质量控制的详细过程。这包括 cDNA 合成、cRNA 标签、微阵列混合、幻灯片扫描、特征提取和数据质量验证。该方法生成的数据可用于描述谷物在发芽过程中、谷物发育的不同阶段或不同生物或非生物应激条件下的转录。此处提供的结果为下游生物信息学分析提供了高质量的转录素数据,例如确定表达的差异基因(DEGs)、基因调控网络的特征以及进行转录光全体关联研究(TWAS)。
转录素代表一组完整的核糖核酸(RNA)记录,由生物体的基因组在给定时间,特别是环境和生长条件下表达。每个细胞都有其各自的转录,反映其目前的生理和代谢状态。从类似组织或器官中提取的细胞集合用于典型的转录组研究,但单细胞和空间解析的转录组正在流行1。转录分析从特定时间点和在定义的生长条件下从选定组织提取总RNA开始。为此,我们建议使用新开发的方法从高淀粉或糖含量的样品中提取总RNA,如谷物种子2。不同样本的转录因子比较导致对不同丰度的RNA分子进行鉴定。这些RNA分子被认为是表达的差异基因(DEGs)。然后,从特定标记基因派生的笔录的丰度可用于估计发育状态或确定生物体对环境波动的反应。在所研究的发育时间点上,其笔录丰度没有可检测到变化的基因通常被用作参考或内务基因。
RNA通常通过各种方法进行检测和量化,例如北方印迹和定量逆转录酶聚合酶链反应(qRT-PCR),但目前高通量转录组方法严重依赖使用微阵列技术和RNA测序(RNA-Seq)的核酸杂交。RNA-Seq目前非常流行,因为它为高通量转录学应用提供了几个优势,如其他地方33、4。4虽然是一种较老的技术,但使用微阵列芯片的基因表达分析仍然被广泛应用,因为它是一种较为成熟的技术,在生物信息学方面只需要较少的背景。与RNA-Seq相比,微阵列实验产生的数据集更小,更易于分析。此外,它还更具成本效益,尤其是在处理大量样本时。在我们的实验室中,我们经常使用转录学分析,使用微阵列技术来确定中央调控中心的作用,这些,中心控制谷物5、6、7、8、96,的生长、发育和代谢所涉及的分子网络和途径5。8,97我们还经常用它来进行全基因组基因表达分析研究,以获得对谷类谷物对非生物胁迫的反应的机械理解10,以及进行转录血对数(TWAS)和链接映射研究,以确定负责谷物质量和营养的基因11,12。,12其他团体也利用微阵列技术在,大麦13、水稻14、15、16、高梁17和小麦18中提供开发特异性基因17表达图集。14,151618
本出版物的目的是提供一个简短的文本摘要和详细的视觉描述,我们目前在我们的实验室采用的方法,使用安捷伦微阵列平台对谷物进行转录分析。请注意,其他微阵列平台可用,但此方法将不包括在内。我们首先介绍了从开发或发芽谷类种子中提取RNA的详细说明。根据我们的经验,获得高质量、高量的转录组,适应下游转录分析往往是使用谷类种子组织的瓶颈。我们已经尝试了几个商业上可用的RNA提取试剂盒,但没有一个提供令人满意的结果。因此,我们开发了一种化学萃取协议,以获得一种粗RNA提取物,然后使用市售试剂盒进行柱式纯化。使用这种方法,我们定期和可重复地获得高质量的RNA2(图1),可用于不同的下游应用,以生成转录图谱。
1. 总RNA提取和纯化
注:始终在烟罩下工作,因为这种方法涉及使用有害的挥发性有机溶剂。在开始实验之前,在50°C热块中预加热无核酸水的微熔管。这种无核酸水将用于从步骤1.8中的自旋柱中分离出总RNA。
2. cDNA合成,后经cRNA转录和标签
注:此步骤适用于同时处理 24 个样品。建议在一天内连续执行整个步骤,但会确定可选的停止点和暂停点。在开始以下步骤之前,请务必在 80°C、65 °C 和 37 °C 下预热三个微熔管热块。这些温度设置将更改,如以下步骤所述。例如,在准备 Spike 混合后(或者如果之前已准备好),37 °C 热块将设置为 40°C。根据制造商的说明,使用低输入快速放大器基因表达标签套件(参见材料表)准备单色尖峰混合、T7 启动器混合和 cDNA 主混音。这种制备取决于起始RNA提取物的量,通常总RNA为10至200纳克,聚脂酸酯为5纳。我们经常使用50 ng总RNA作为微阵列杂交2的起始材料,以及下面将介绍的方法。在为 24 个样本准备主混合物时,添加 2 个额外的反应以考虑移液变异。在此步骤中,始终使用无核酸微熔管和无核酸水。
3. cRNA 纯化
4. 微阵列混合和扫描
注:此步骤只需 3-4 小时,因此 24 个样品的杂交可以在午餐后开始。一个操作员可以舒适地运行多达 4 张幻灯片(32 个示例)。第二天早上分配给扫描和扫描微阵列幻灯片。然后,可以在第二天的下午执行其他跑步。重复此步骤,直到对所有样本进行混合和扫描。强烈建议使用无色无粉乳胶手套处理和处理幻灯片,以确保样品不会受到可能干扰微阵列分析的彩色颜料的污染。除了商业上可用的微阵列外,以下自定义阵列由我们集团设计,可从安捷伦订购:大麦(霍迪姆莫勒尔)订购代码028827,大米054269(OryzasativaOryzasativa subs.Japonica),054270(奥里萨萨蒂瓦子子,印度)和小麦048923(三聚三聚三指)。 Japonica
该方法经过优化,用于提取含有大量污染淀粉或糖的谷物种子样品。它旨在每天从24个种子样本中提取总RNA。应在一天内连续进行,但在整个协议中标识可选的停止点和暂停点。或者,读取器可以使用他们首选的RNA萃取试剂盒或手动化学萃取方法。然而,根据我们以往的经验,由于大量的淀粉、蛋白质、糖和/或脂质污染,市售的植物RNA提取试剂盒不适合种子。在所述方法中,使用商业RNA萃取试剂盒进行粗RNA的化学萃取,然后进行柱式纯化。这通常为RNA提供更高的质量和产量。图 1显示了使用此处描述的方法测试 RNA 提取质量的生物分析器运行结果。结果为大麦叶(样本1和2代表低淀粉含量样品)和大麦种子(样本3和4代表高淀粉含量样品)。所有样品的RNA完整性 (RIN) 值为 10。
图 1显示了纯化 RNA 提取物的代表性凝胶,其中使用生物分析仪测试了质量。样品 1 和 2 是低淀粉含量样品(如大麦叶)的典型结果,其中叶绿体中额外的 rRNA 波段显而易见。样品3和4是大麦种子等淀粉含量高样品的代表性结果,显示18S和28S rRNA。请注意,由于叶绿素rRNA,绿色植物组织(如叶样本)不能计算自动RIN值。然而,完整性和高质量可以通过没有任何降解产物,通常显示为低分子涂片,在视觉上确定。使用本文中描述的协议,高淀粉种子样品(如大麦种子)的 RIN 值通常为 10。
此外,我们还在这里介绍了两个精英大麦近亲繁殖线(索菲亚和维多利亚)用于分析麦芽质量19的时间课程实验的代表性数据。在麦芽过程中,淀粉转化为糖。因此,样本代表淀粉和糖含量不同比例的组织。由于工业麦芽工艺与发芽过程相似,分析了两条大麦系的转录,其麦芽质量不同。RNA是在2、24、48、72、120、144和196小时从发芽种子中提取的。按照上述方式对定制的大麦微阵列芯片进行RNA制备和杂交。图 2指示从质量控制 (QC) 报告(QC)报告 (图 3) 和检测到信号的直方图中给出的微阵列混合化读取的规范化网格。网格给出了来自芯片每个角的派生信号的示例,包括用于校准的背景和尖峰读取点。直方图指示具有相应信号强度的可检测点的偏差。成功的杂交提供了一个宽高斯形曲线,只有轻微的异常值,如图所示。杂交失败可能导致向一侧("绿色怪物")的强烈转变。
最后,图 3的列 4 显示了可接受值的代表性结果。为了表明所执行实验的可靠性,使用 GeneSpring 软件进一步评估了结果。收集的数据作为主要组件分析 (PCA) 呈现。PCA 将所选点(基因)的值集成为矢量。使用的评估点数可能从数百个到整个芯片不等,并且取决于所使用的软件。每个芯片(样本)产生一个值(矢量),该值由分析点的集成信号强度产生。因此,图形 (PCA) 中的相对位置指示样本彼此的相似性。样本越接近,它们就越相似。技术复制应该比生物复制更接近,样本的生物复制应该比来自不同时间点、组织或条件的样本更紧密地聚集在一起。

图1:使用生物分析仪检查RNA质量后获得的电泳文件运行摘要。样品1和2是大麦叶组织,由叶绿体的附加核糖带指示。样品3和4是大麦种子组织与18S和28SrRNA带显示。RIN 因子并不总是计算绿色组织,如叶,但根据凝胶,RNA的质量非常好。样本 3 和 4 的 RIN 值为 10。请点击此处查看此图形的较大版本。

图2:成功的大麦微阵列杂交的QC报告。A = 表示从芯片各个角落在网格上检测到的信号。直方图显示背景减法后按信号强度(荧光)分类为对数的信号数。请点击此处查看此图形的较大版本。

图 3:混合和扫描后的质量控制 (QC) 摘要。混合幻灯片的值在第 2 列(值)中给出,可接受值的范围显示在列 4 中。请点击此处查看此图形的较大版本。
| 洗涤室组件 | 内容和标签 | 目的 |
| 菜 1 | 空,留在实验室的长凳上,直到第二天 | 第二天用"洗涤缓冲区 1"填充,用于拆卸微阵列幻灯片 |
| 菜 2 | 加入一个微阵列滑架和一个小磁性搅拌棒;标签与"沃什缓冲区1",留在实验室工作台,直到第二天 | 用于在第二天使用 Wash 缓冲区 1 清洗微阵列幻灯片 |
| 菜 3 | 加入一个小磁性搅拌棒,标签上贴有"Wash 缓冲器2",放在37°C迷你培养箱中。 | 用于在第二天用洗涤缓冲器 2 在 37 °C 迷你培养箱内清洗微阵列幻灯片 |
表1:洗涤室组件的制备。
| 步骤 | 菜 | 洗涤缓冲器 | 温度 | 时间 |
| 拆卸 | 1 | 1 | 环境 | 尽可能快 |
| (步骤 4.13) | ||||
| 首次清洗 | 2 | 1 | 环境 | 1 分钟 |
| (步骤 4.14) | ||||
| 第二次洗涤 | 3 | 2 | 37 °C | 1 分钟 |
| (步骤 4.15) |
表2:洗涤室组件的孵化温度和时间。
作者没有相互竞争的财务利益。
提出了谷物转录分析的方法。基于微阵列的基因表达分析从谷物中分离高质量的总RNA开始,并随着cDNA的生成而继续。在cRNA标签和微阵列杂交后,提出了信号检测和质量控制的建议。
这项工作得到了CGIAR专题领域全球稻农粮食系统CRP、RICE、非洲和南亚耐应力水稻(STRASA)第三阶段以及IZN(德国Halle(萨勒)作物植物研究跨学科中心的支持。我们感谢曼迪·普夫费尔德的出色技术援助,感谢伊莎贝尔·玛丽亚·莫拉-拉米雷斯博士与小麦片分享信息和经验。我们感谢朗达·迈耶博士(RG赫特罗西斯,IPK盖特斯莱本,德国)的评论和批判性地阅读手稿。
| ß-巯基乙醇 | Roth | 4227.3 | 使用前立即向 20 mL RNA 提取缓冲液中加入 300 ul |
| 分析仪 2100 | 安捷伦科技 | 测定 RNA 提取物的质量和数量 | |
| 碎冰机 | 各种品牌 | 在样品处理过程中将样品保存在冰上 | |
| 杜瓦瓶 | 各种品牌 | 用作液氮容器 | |
| 乙醇、无水 | Roth | 9065.1 | |
| 基因表达杂交试剂盒 | Agilent Technologies | 5188-5242 | 试剂盒组分: 2X Hi-RPM 杂交缓冲液 25X 片段化缓冲液 10X 基因表达封闭剂 |
| 基因表达洗涤缓冲液试剂盒 | Agilent Technologies | 5188-5325 | 试剂盒组分: 基因表达洗涤缓冲液 1 基因表达洗涤缓冲液 2 Triton X-102 |
| 加热块 | 各种品牌 | 建议至少有一个用于 1.5 ml 试管的加热块,另一个用于 2.0 ml 试管的加热块 | |
| 杂交炉 | 安捷伦 | G2545A | Sheldon Manufacturing 的不锈钢柱箱,设计用于微阵列杂交,用于在微阵列中杂交样品过夜。 |
| 杂交垫片滑动套件 | Agilent | G2534-60014 | |
| iQAir 空气净化器 | 确保实验在低臭氧区域进行 | ||
| 异丙醇 | Roth | 9866.5 | |
| 无绒纸,Kimwipes Kimberly-Clark | Professional | KC34155 | |
| 低输入快速放大器标签套件 | Agilent Technologies | 5190-2305 | 试剂盒组分: T7 引物 5x 第一链缓冲液 0.1M DTT 10 mM dNTP 混合物 AffinityScript RNAse 块混合物 5x 转录缓冲液 NTP 混合物 T7 RNA 聚合酶混合物 无核酸酶水 花青素 3-CTP |
| 金属刮刀, 小 | 确保小金属刮刀可以放入微量离心管中,以确保轻松舀取样品。 | ||
| 微阵列芯片扫描仪 | Agilent Technologies | Agilent SureScan 或 Agilent C 微阵列芯片扫描仪 | |
| 微量离心管,不含核酸酶 | 各种品牌 | 2.0 mL 和 1.5 mL 体积 | |
| 离心 | 机Eppendorf | 5810 R | 建议至少配备一个室温和低温微量离心管,其转子可容纳 24 个 1.5 mL 和 2.0 mL 微量离心管 |
| 迷你培养箱 | Labnet | I5110-230V | 任何小型培养箱都可以。 |
| 研钵和研杵 | 任何可以承受使用液氮进行低温研磨的小型陶瓷或大理石研钵和研杵。 | ||
| NaCl | Sigma-Aldrich | S7653-1KG | |
| Nanodrop 1000 | Peqlab / Thermofisher | ||
| 无核酸酶水 | Biozym | 351900302 | |
| 单色 RNA 加标试剂盒 | Agilent | 5188-5282 | 试剂盒组分: 单色 RNA 加标混合物 稀释缓冲液 |
| 臭氧屏障玻片盖套件 | Agilent | G2505-60550 | 可选但强烈推荐的 |
| PCR 管,0.2 mL,不含 RNase | Stratagene | Z376426 | |
| 苯酚:氯仿:异戊酰混合物 (25:24:1) | Roth | A156.2 | |
| 移液器吸头,无核酸酶,过滤吸头 | 各种品牌 | 可容纳 2、20、20、100、200 和 1000 μl 体积 | |
| 移液器套装 | 各种品牌 | 对于 2、20、20、100、200 和 1000 ul 体积 | |
| RNA 提取缓冲液 | 10 mM Tri-HCl pH 8.0 150 mM LiCl 50 mM EDTA 1.5% EDTA 15 ul/mL &β;-巯基乙醇 | 我们通常使用 Roth 或 Sigma 化学品;添加 &β;-巯基乙醇新鲜每日 | |
| 无 RNase 的 DNase 套装 | Qiagen | 79254 | |
| RNeasy 迷你试剂盒 | Qiagen | 74104 | 试剂盒组分: RNeasy 迷你离心柱(粉红色) 1.5 ml 收集管 2 ml 收集管 缓冲液 RLT 缓冲液 RW 缓冲液 RPE 无核酸酶的水 |
| RNeasy 植物迷你试剂盒 | Qiagen | 74904 | 试剂盒组分: RNeasy 迷你离心柱(粉红色) QIAshredder 离心柱(紫色) 1.5 ml 收集管 2 ml 收集管 缓冲液 RLT 缓冲液 RLC 缓冲液 RW1 缓冲液 RPE |
| 用于 DNA 微阵列扫描仪的 | 无核酸酶水玻片架安捷伦 | G2505-60525 | |
| 带可拆卸架的载玻片染色皿 | DWK Life Sciences 900200 | Fisher Scientific 08-812 | 我们推荐DWK Life Sciences Wheaton™玻璃 20 玻片染色皿,带可拆卸架(配有培养皿、盖子和载玻片架) |
| 氯化钠 | Roth | P029.1 | |
| 超低温冰箱 | 各种品牌 | 能够在 -80 &°g 下储存样品;C | |
| 涡旋混合器 | 各种品牌 | 至少一个用于单管涡旋混合器,另一个用于可以涡旋混合多管 |