Днк у растений где находится: что это такое, как работает, на что влияет, структура и функции

Внеклеточная ДНК: история в пяти вопросах.

ДНК — ключевая молекула, несущая генетическую информацию о белках организма. В клетках она находится в ядре и митохондриях (кроме бактерий, у которых ядра и митохондрий нет). Клетка умеет эту информацию считывать, то есть синтезировать закодированные в ней белки, и передавать по наследству дочерним клеткам. Однако ДНК можно обнаружить не только внутри клеток, но и снаружи — такие молекулы назвали внеклеточной ДНК (вкДНК). Они существуют в тканях сами по себе и влияют на функционирование окружающих клеток.

Как это так — ДНК вне клетки?

Клетки бактерий могут выделять ДНК в окружающую среду — это связано с процессами их размножения и обмена информацией. Так, например, распространяется устойчивость к антибиотикам: одна бактерия приобретает соответствующий ген, копирует и делится им с остальной популяцией. У эукариотических (ядерных) организмов подобные процессы долгое время были неизвестны: полагали, что они используют ДНК только для хранения, считывания и передачи информации.

Но в 1948 году в плазме крови обнаружили внеклеточную ДНК — фракцию ДНК, не связанную с клетками и существующую отдельно от них. За последующие годы ученые нашли такую ДНК у всех исследованных организмов, от растений до животных и человека. Ее находили в межклеточном веществе, в циркулирующих жидкостях и даже в отдельно взятых культурах клеток. Похоже, что ДНК вне клеток встречается регулярно и, следовательно, может играть определенную роль в жизни организма.

Внеклеточная ДНК не похожа на обычную.

Геномная ДНК состоит из длинных нитей-хромосом, а вкДНК — набор небольших последовательностей, иногда в миллион раз короче хромосомы.

Случаен ли выбор этих последовательностей или нет — до сих пор остается спорным вопросом.

Внеклеточная ДНК не всегда находится в растворе сама по себе. Иногда она связана с гистонами — белками, которые клетка использует для компактной упаковки нитей ДНК в ядре. В других случаях вкДНК может встречаться внутри экзосом — пузырьков, окруженных мембраной, которые отпочковываются от клеток, путешествуют по организму и могут сливаться с другими клетками. Более того, одна группа ученых выделила из крови животных целый комплекс из ДНК, жиров и белков, отвечающих за ее копирование. То есть, вероятно, по организму плавают целые молекулярные машины, копирующие и распространяющие информацию прямо на ходу. Впрочем, какую часть от общей вкДНК составляют такие структуры, пока неизвестно.

Откуда появляется внеклеточная ДНК?

Кажется логичным, что вкДНК не образуется сама, а выделяется клетками. Что может заставить клетки выбрасывать наружу молекулы, несущие их наследственную информацию?

Гипотеза клеточной гибели предполагает, что ДНК высвобождается, когда разрушаются клетки. Эта теория помогает объяснить, почему вкДНК представлена маленькими фрагментами: например, при апоптозе (программируемой клеточной гибели) ДНК внутри клетки разрезается на небольшие участки, прежде чем вся клетка распадается. Также это согласуется с тем, что в состояниях, сопровождающихся гибелью клеток (инфаркт миокарда, ожоги), количество вкДНК в крови увеличивается.

Но не все так просто: внеклеточную ДНК находили в любых тканевых культурах, даже там, где не было массовой гибели клеток. Это пытается объяснить гипотеза «метаболической ДНК»: вероятно, клетки в ходе своей жизнедеятельности постоянно синтезируют новую ДНК, увеличивая количество копий информации, чтобы удобнее было ее считывать. Cо временем молекулы ДНК изнашиваются и клетки выделяют их в окружающую среду вместе с продуктами обмена веществ.

Существует и мнение, что выделение вкДНК — это способ клеток обмениваться сигналами. Так, например, из разных внутриорганизменных жидкостей были выделены мембранные пузырьки, содержащие небольшие количества ДНК. Такие пузырьки могут сливаться с клетками, передавая им молекулы ДНК.

Изображение: Алиса Муравьева

У меня в крови нашли ДНК. Это плохо?

Внеклеточная ДНК — естественный компонент плазмы крови, и ее можно обнаружить у любого человека. В норме ее концентрация довольно низкая, хотя и может варьировать, но в случае патологических и стрессовых состояний количество вкДНК резко вырастает. Например, при ожогах или заболеваниях, связанных с массовой гибелью клеток, — инфаркте миокарда или ревматоидном артрите. Даже у здорового человека возможны сильные колебания уровня вкДНК, если он подвергается стрессу, например сильной физической нагрузке. Однако после прекращения нагрузки концентрации возвращаются к нормальным значениям.

Сложнее обстоит дело при онкологических заболеваниях. Не до конца понятно, откуда в этом случае возникает вкДНК — в результате гибели здоровых тканей или как продукт целенаправленного выделения опухолевых клеток. Тем не менее ее количество также сильно отличается от нормы.

Пока медицина не научилась диагностировать конкретные заболевания по концентрации вкДНК в крови, однако уже можно оценивать тяжесть состояния и прогнозировать развитие болезни.

Так, если сравнить количества вкДНК у людей, перенесших инфаркт миокарда, то оказывается, что чем больше вкДНК, тем сильнее осложнения и риск повторного инфаркта или остановки сердца.

Возможно, тщательное изучение последовательностей вкДНК поможет ставить более точные диагнозы. На это делают ставку и в области пренатальной диагностики: в крови матери присутствует вкДНК плода, а это значит, что можно получить генетический материал ребенка без оперативного вмешательства. Это открывает широкое поле для генетических анализов — для выявления болезней плода (например, резус-конфликта) или определения пола.

Что клетки «думают» о внеклеточной ДНК?

Внеклеточная ДНК постоянно присутствует вокруг клеток, и можно предположить, что изменение ее концентрации или свойств послужит сигналом, на который другие клетки отреагируют.

На некоторые клетки повышение концентрации вкДНК оказывает активирующий эффект. Клетки иммунной системы способны запускать иммунный ответ при распознавании вкДНК. Это происходит за счет механизма, который в норме отвечает за реакцию на молекулы чужеродной, например вирусной, ДНК в крови. Те же самые рецепторы, которые узнают вирусную ДНК, реагируют и на собственную вкДНК организма, активируя клетки иммунной системы.

Для других клеток вкДНК может работать как сигнал тревоги — в них развивается «эффект свидетеля». Допустим, у нас есть культура клеток, подвергающаяся стрессу: низкий уровень кислорода, облучение или другие аномальные условия. В этих клетках ДНК повреждается и развивается окислительный стресс — накапливаются агрессивные вещества, разрушающие клеточное содержимое. Если перенести вкДНК, выделенную пострадавшими клетками, на культуру здоровых клеток, то в них также начинают обнаруживаться повреждения ДНК и окислительный стресс. Такие клетки называют «свидетелями», так как они переживают стресс, не подвергаясь действию изначальных факторов.

Изображение: Алиса Муравьева

Однако этим эффекты вкДНК не исчерпываются: она может стимулировать или замедлять деление клеток, влиять на активность генов и синтез белка. Судя по всему, вкДНК оказывает на многие клетки системный эффект, изменяя их физиологию, но конкретная его природа пока остается загадочной.

Что мы еще (не)знаем о внеклеточной ДНК?

В последнее время появились данные о том, что клетки животных и человека могут поглощать вкДНК из крови. В некоторых случаях эти молекулы достигают клеточного ядра, проникают внутрь и встраиваются в собственный геном клетки. Часто интеграция такой блуждающей молекулы вкДНК в геном заканчивается повреждением ДНК клетки-реципиента и ее гибелью. Но если встраивание оказывается успешным, процессы считывания информации меняются: фрагменты бывшей вкДНК блокируют работу генов в ядре клетки или запускают считывание собственной информации. Таким образом, перед нами особенный механизм межклеточного взаимодействия — обмен генетической информацией.

Этот механизм, вероятно, играет важную роль в развитии заболеваний. Несколько лет назад была сформулирована концепция «генного метастаза»: предполагается, что опухолевые клетки могут выделять множественные копии своих мутантных генов. Здоровые клетки их поглощают, интегрируют в свой геном и начинают производить мутантные опухолевые белки.

Похожие процессы теоретически могут происходить и при взаимодействии клеток разных организмов. Хотя вкДНК плода обнаруживается в крови матери, пока нет сведений о ее поглощении клетками. Зато обнаружено, что при переливании крови не только клетки донора поселяются в организме реципиента, но и вкДНК донора может интегрировать в клетки реципиента.

Исследования функций внеклеточной ДНК начались относительно недавно, однако уже можно говорить об открытии принципиально нового механизма коммуникации как между клетками в пределах организма, так, вероятно, и между самими организмами.

 Полина Лосева

Гены: что это и как связаны с характером

Большинство генов у человека и шимпанзе практически идентичны: разница в ДНК составляет всего 1–3%. Но именно эта разница делает нас людьми. Разбираемся, как гены влияют на наши внешность, интеллект и поведение

  1. Что это

  2. Доминантные и рецессивные

  3. Гены и наследственность

  4. На что влияют

  5. Мутации

  6. Изучение генов

Что такое гены

Гены — это небольшие участки молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), в которых закодирована информация о строении одной молекулы белка или РНК (рибонуклеиновой кислоты).

ДНК, РНК и белки — это строительные материалы для всех живых организмов. Поэтому информация, которую несет ген, очень важна: благодаря ей организм «знает», какие белки ему производить. В этом смысле ген часто сравнивают с чертежом или планом, по которому организм строит себя.

Ген — самый маленький кусочек, на который можно разделить ДНК. Его можно «разобрать» на более мелкие химические элементы, но именно ген передается от родителей потомству как одно целое.

У растений, грибов, животных и человека ДНК находятся в ядре любой клетки организма. Форма ДНК — перекрещивающиеся «нити»-хромосомы. Если мы увеличим ДНК и «растянем» ее на отдельные цепочки то увидим гены — отдельные участки ДНК.

Точное число генов в организме одного человека пока неизвестно: мы знаем только приблизительные данные, например, что генов, кодирующих белки, у человека около 20 тыс.

Еще в середине XIX века Грегор Мендель и другие ученые высказывали предположения, что наследование специфических черт у организмов происходит при помощи особых частиц. В 1889 году голландский ботаник, один из основателей генетики Хуго де Фриз в своей книге «Внутриклеточный пангенезис» (Intracellular Pangenesis) назвал такие частицы «пангенами», а в 1909 году датский биолог Вильгельм Иогансен ввел термин «ген». В 40-е годы XX века американские бактериологи доказали, что передача признаков от одного организма к другому происходит именно при помощи ДНК, а не других белков или химических соединений. Еще через несколько лет были получены первые высококачественные снимки структуры ДНК. С этого момента изучение отдельных участков ДНК — генов — пошло полным ходом.

Самый крупный международный проект, когда-либо проводившийся в биологии, — проект «Геном человека». Он был начат в 1990 году в США. Геном — это вся совокупность ДНК человека, включая всю информацию, которая содержится в генах.

Считается, что 85% генома человека к 2003 году были «прочитаны» или, говоря научным языком, секвенированы. И хотя проект уже закрыт, до сих пор термин «полная расшифровка генома человека» употребляют с осторожностью — к 2022 году около 8% генома остается «непрочитанным».

Когда в 2003 проект «Геном человека» был завершен, весь на тот момент расшифрованный человеческий геном был опубликован в 23 томах. Они содержат 3 млрд букв, обозначающих последовательности генов. Все книги находятся в лондонском музее Wellcome Collection.

(Фото: Phys.org)

Доминантные и рецессивные гены

Аллели — это варианты одного гена, которых может быть огромное количество. Вариант гена, который подавляет другие, называется доминантным аллелем. Доминантный аллель будет подавлять вторую вариацию — рецессивную.

От родителей ребенку могут перейти и доминантные, и рецессивные варианты гена. Но рецессивный ген проявит себя только в том случае, если он присутствует у обоих родителей. В противном случае его подавит доминантный ген.

Самый популярный пример — цвет глаз. Карий цвет — доминантный признак, а за серые, голубые и зеленые глаза отвечает рецессивный ген. Но и у кареглазых родителей (как на рисунке) может родиться голубоглазый ребенок, хотя вероятность этого небольшая. Это произойдет в случае, если ребенок получил два рецессивных гена.

(Фото: «Лекции по общей биологии», Пименова И.Н., Пименов А.В.)

По наследству могут передаваться и другие внешние признаки: рост, цвет кожи, волос, какие-то отличительные черты. Это зависит от доминантных генов, которые передаются со стороны отца и матери.

Гены и наследственность

В большинстве клеток человека находится 23 пары хромосом ДНК, то есть 46 на клетку. Исключение составляют «родительские» клетки — сперматозоид и яйцеклетка. У каждой из них «половинный» набор — только 23 штуки. Когда половые клетки объединяются, они формируют зародыш, где гены из разных наборов встречаются друг с другом. И в каждом участке ДНК, ответственном за какой-либо признак, оказываются два гена. Но в виде внешнего признака проявится только доминантный ген, который подавит действие другого, рецессивного гена.

Это описание — очень упрощенная схема наследования. У разных организмов наследование может проявляться по-разному. Например, выделяют типы наследственности с полным и неполным доминированием:

При полном доминировании доминантный ген полностью подавляет рецессивный, который «маскируется», то есть совсем не проявляется. Так наследуется резус-фактор у человека, цвет волос и глаз.

При неполном доминировании встречаются два доминантных или два рецессивных гена, и ни один не может подавить другой. В этом случае появляется новый признак, отличный от родительского. Пример — волнистые волосы как результат взаимодействия кудрявых и прямых волос родителей. Или промежуточные цвета кожи и волос.

Не все типы наследования хорошо изучены: например, некоторые генетические заболевания пока невозможно классифицировать ни по одному из типов. Изучением механизмов наследования, зависимостью заболеваний от генетической предрасположенности и условий окружающей среды занимается медицинская генетика.

На что влияют гены

Гены, полученные от родителей, во многом определяют:

  • внешний облик человека: цвет кожи, глаз и волос, форму глаз, носа, ушей, рост, длину рук и размер ноги;

  • физические качества: например, типы телосложения или скорость обмена веществ;

  • предрасположенность или устойчивость к определенным болезням.

Многие важные параметры зависят не только от генов. Например, последние исследования говорят о том, что продолжительность жизни человека определяется наследственным факторами только на 15–30%, остальное зависит от среды и случайности. И даже эти процентные соотношения неточны: часто генетикам трудно отделить наследственные факторы от влияния среды.

То же касается и умственных способностей. Вопрос, можно ли унаследовать высокий интеллект — предмет ожесточенных споров, в том числе и в науке. Некоторые параметры мозга, например, размеры разных участков мозга, действительно зависят от генов — по меньшей мере на 85%, как говорят некоторые ученые. Но однозначные выводы о непременном наследовании интеллекта, таланта и гениальности сделать пока невозможно. Ученые убеждены, что «хорошие» гены помогают быстрее учиться и легче осваивать трудные дисциплины, но так же сильно на интеллект влияют образование и образ жизни.

Семья Иоганна Себастиана Баха обычно приводится в качестве примера передачи музыкального таланта по наследству. Среди 7 поколений ученые насчитывают более 20 талантливых музыкантов.

С психическими заболеваниями все тоже неоднозначно. Пока ученые не обнаружили ни одного гена, который может вызвать ту или иную психическую болезнь. Таких генов не существует — в том смысле, в каком есть гены цвета глаз, или гены, ответственные за определенные генетические заболевания. При этом обнаружены гены, которые увеличивают риск психического заболевания, например шизофрении или биполярного расстройства — на 5% или менее.

Влияют ли гены на характер?

Ученые также ищут связи между генами и поведением человека. Генетика поведения изучает, насколько гены определяют семейные отношения, социальные связи и даже политические убеждения. Несмотря на то, что четкой и однозначной связи между ними не обнаружено, ученые пришли к выводу, что определенные мутации генов могут менять поведение. Муха-дрозофил, у которой был определенный вариант особого гена, искала корм активнее, чем носители другого варианта. У людей ученые нашли участок гена, который соотносится с альтруизмом — взаимопомощью и добротой. Он влияет в том числе и на семейную жизнь: женщины, которым достался муж с «неправильным» вариантом гена, обычно недовольны отношениями в семье.

Константин Хоманов, врач-терапевт, клинический фармаколог, основатель приложения «Справочник Врача» и «Мое Здоровье» подчеркивает, что особенности поведения или характер нельзя объяснить только патологиями или особым набором генов. Но иногда изменения в генах могут вызвать нарушения аминокислотного, углеводного, жирового обмена — от этого страдает головной мозг и могут появиться специфические черты личности.

Анна Волкова, биохимик, нутрициолог и специалист по работе с генетическими тестами Basis Genomic Group, рассказывает, что гены определяют характер, склонность к заболеваниям, спортивные таланты, здоровье кожи и даже предпочтения в еде. Все основы нашего метаболизма заложены природой. Например, ген DRD4 отвечает за чувствительность нейронов к дофамину. Дофамин — это гормон радости, азарта, предвкушения и стремления к прекрасному. Есть несколько вариантов этого гена. Если чувствительность к дофамину низкая, то человек предпочитает тихий спокойный образ жизни, а если высокая — это охотник за яркими впечатлениями.

Еще один ген — FTO, кодирует белок, участвующий в энергетическом балансе. Если этот ген изменен, то такого белка вырабатывается мало, и человек постоянно испытывает голод. Чувство насыщения запаздывает, что приводит к перееданию и частым обильным перекусам. Предпочтения в еде, скорее всего, будут тоже нездоровые: выпечка, сладости, жирные жареные блюда, фаст-фуд. Носителям такого измененного гена нужно следить за своим рационом, быть физически активными и в целом вести здоровый образ жизни.

Почему возникают мутации генов

Генная мутация — это изменение, происходящее на маленьком участке ДНК, внутри одного гена, которое может быть унаследовано потомками. Изменения на более длинном участке ДНК называются хромосомными. Есть еще геномные мутации — изменения, затрагивающие целые хромосомы в геноме. У человека геномные мутации обычно приводят к тяжелым наследственным заболеваниям: например, к синдрому Шерешевского-Тернера, характеризующемуся физическим, умственным и половым недоразвитием у носителя этой мутации.

А вот последствия генных мутаций могут быть разными: некоторые из них связаны с генетическими особенностями или заболеваниями, такими как дальтонизм или гемофилия. Другие мутации дают своим носителями способности, которые пригодились бы каждому: например, люди с мутацией гена hDEC2 чувствуют себя отдохнувшими после всего 4 часов сна.

Редкая мутация дистихиаз была у американской актрисы Элизабет Тейлор. У нее был дополнительный ряд ресниц позади нормально растущих, что делало ее глаза очень выразительными. Эта аномалия довольно редкая у людей, но часто встречается у собак.

(Фото: Pinterest.com)

Что такое мутагенные факторы

Факторы, способствующие появлению мутаций, называются мутагенными. К таким факторам относится, например, радиация: в облученных клетках происходит повреждение ДНК. Еще в 1927 году американский генетик и впоследствии лауреат Нобелевской премии Герман Меллер продемонстрировал, что облучение рентгеновскими лучами приводит к существенному увеличению частоты мутаций у мухи-дрозофилы.

Вирусы как биологический фактор также является причиной мутации — около 8% ДНК человека приходится на фрагменты древних вирусов. Эти фрагменты встроились в геном в древние времена, когда человечество переживало пандемии. Некоторые современные исследования подтверждают, что фрагменты генома коронавируса COVID-19 тоже способны встраиваться в геном человека.

Есть и химические вещества, которые вызывают мутации ДНК — например, бензол, который входит в состав нефти и бензина. Если человек надышится парами бензола, то может умереть. Даже в небольших количествах бензол может вызвать мутации, приводящие к раковым заболеваниям.

Мутации — необходимое условие многообразия жизни на планете. Без них живые существа не смогли бы приспособиться к постоянно меняющимся условиям существования. Но у этого есть и своя отрицательная сторона — последствия от мутаций для отдельного организма могут быть фатальными. Радует то, что только небольшой процент генетических изменений вызывает генетические отклонения. Большинство мутаций не оказывают никакого влияния на развитие и здоровье человека.

Зачем изучать свои гены

Генетическое тестирование — это метод, с помощью которого можно выявить мутации в генах. Генетические тесты отличаются друг от друга по технологии: например, полимеразная цепная реакция исследует набор конкретных участков ДНК, а секвенирование нового поколения (NGS) может прочесть за один раз большинство участков полного генома человека. Врач-генетик знает о преимуществах и недостатках методов и посоветует пациенту подходящий, исходя из его проблемы.

Обращаются за генетическим исследованием, чтобы:

  • диагностировать заболевание, тип заболевания, а иногда найти причину и варианты лечения — например, при определенных видах онкологии генетическое тестирование очень важно;

  • определить риск заболеть определенным заболеваниям;

  • измерить риск передачи заболевания потомкам;

  • определить непереносимость каких-то лекарств;

  • обследовать эмбрион или плод на предмет генетических мутаций.

Примерно один из 200 человек расположен к мутации в генах BRCA1 или BRCA2. Эти мутации в том числе повышают риск развития рака молочной железы, от которого умерла мать Анджелины Джоли. Сама актриса сделала генетическое тестирование, которое показало 87% вероятность развития рака груди и 50% вероятность развития рака яичников в течение жизни. Чтобы снизить риски до минимальных, в 2013 году Анджелине Джоли провели профилактическую двустороннюю мастэктомию и реконструкцию груди.

(Фото: Akns-images.eonline.com)

Генетические тесты делают и государственные, и крупные частные лаборатории, их востребованность с каждым годом увеличивается. Константин Хоманов объясняет, что часто по направлению от врача-генетика генетическое тестирование проходят, чтобы поставить верный диагноз у детей, иногда — взрослым. Тесты дают врачу и пациенту информацию для персонализированного лечения — чтобы правильно спланировать беременность или успеть начать лечение ребенка до прогрессирования патологии. Например, лечение самым дорогим лекарством в мире — «Золгесма», которое заменяет отсутствующий или нерабочий ген на его функциональную копию, лучше проводить до двухлетнего возраста. Если диагноз поставлен слишком поздно, то в получении лекарства могут отказать.

Наверное, самые «известные» генетические тесты — это ДНК-тесты на родство. С их помощью можно не только определить отцовство или материнство, но и в целом степень родственных отношений между людьми. Кроме того, пользуются популярностью тесты на определение генетических болезней перед зачатием или ЭКО, в ранние сроки беременности — это так называемый неинвазивный пренатальный тест (НИПТ).

А еще генетическое тестирование помогает определить свой этнический состав. Национальность человека по ДНК узнать нельзя, так как она определяется не генетикой, а самосознанием. Но зато можно выяснить, сколько различных народов оставили след в геноме. С помощью тестов можно выявить предрасположенность к алкогольной и другим зависимостям и даже суицидальному поведению.

Генетические тестирование пригодится и людям, увлеченным спортом. Анна Волкова поясняет, что есть несколько генов, которые отвечают за выносливость, если они «правильные», то такому человеку подойдет бег на длинные дистанции, плавание, лыжи, коньки, велосипед. При других генетических особенностях можно выбрать другой вид спорта — силовой или забеги на короткие дистанции. Также с помощью специальных генетических тестов можно определить скорость восстановления после физической нагрузки.

Зная о своих генетических особенностях, можно предупредить хронические заболевания или смягчить их проявления. Ведь генетика определяет до 50%, остальное — это наш образ жизни и среда, в которой мы обитаем.

(Фото: Unsplash)

Как извлечь ДНК из листьев и семян растений

Простой и практичный протокол выделения ДНК из листьев и семян растений

Извлечение ДНК из листьев или семян растений, хотя и не новая концепция, является ключом технологии будущего. ДНК растений выступает в качестве исходных данных для многих последующих методов молекулярной биологии, включая ПЦР и NGS, а экстракция нуклеиновых кислот лежит в основе рабочих процессов многих академических исследователей и коммерческих программ селекции. В современной агробиотехнологии и агрогеномике получение точных и действенных данных для сельскохозяйственных исследований, от поиска альтернатив обезболивания опиоидами до глобальной продовольственной безопасности и смягчения последствий изменения климата, зависит от высококачественной ДНК растений, создания методов, а также времени и стоимость, необходимая для их выполнения, что важно для многих исследователей растений. 1-3

В целом, экстракцию и очистку ДНК растений можно разделить на шесть этапов: 1) разрушение/гомогенизация ткани, 2) лизис клеток в буфере для экстракции ДНК, 3) отделение ДНК от других клеточных компонентов, 4) Преципитация ДНК, 5) промывка ДНК и 6) сбор/ресуспендирование ДНК для последующей обработки.

Хотя с биохимической точки зрения это звучит просто, природа исходного растительного материала может создавать уникальные технические проблемы, с которыми трудно справиться даже опытным ученым. По этой причине было разработано несколько различных методов выделения ДНК растений, которые используются для различных целей.

На протяжении десятилетий общепринятым протоколом для эффективного и надежного выделения ДНК из растений была экстракция бромидом цетилтриметиламмония (CTAB), впервые разработанная в 1987 г. 4,5 За прошедшие годы в протокол были внесены технические это более применимо к различным видам растений. 6 Кроме того, протоколы, включающие стадию взбивания шариков, оказались особенно полезными для видов растений с толстыми клеточными стенками, которые трудно разрушить. 7

Также появились методики на основе колонок с использованием мембраны из диоксида кремния в условиях, способствующих связыванию ДНК. Точно так же магнитные шарики используются для выделения ДНК растений и (как процедуры на основе колонок) позволяют эффективно промывать и очищать ДНК.

Имея на выбор множество методов и протоколов выделения ДНК, может быть трудно определить, какой из них подходит для вашего экспериментального применения и видов растений. Вот некоторые соображения по выбору метода экстракции ДНК растений.

Простота использования и длина протокола

CTAB был традиционным методом выбора для выделения ДНК растений, но он требует большого количества оборудования, реагентов и значительного количества трудоемких операций. 8 По этой причине исследователю может потребоваться много времени для работы с небольшим количеством образцов и сложной задачей для обработки большого количества образцов. Этот метод может занять несколько часов даже у опытных исследователей.

Протоколы на основе колонок и/или магнитных шариков намного проще в использовании и коммерчески доступны в виде наборов с предварительно подготовленными реагентами. Кроме того, единственное необходимое оборудование — это центрифуга или магнитная подставка и бисер (при работе с тканями растений, которые трудно разрушить). Эти два метода также можно использовать для реализации масштабируемых автоматизированных рабочих процессов, которые были бы невозможны из-за множества практических шагов, необходимых для выполнения протоколов CTAB. Некоторые ручные процедуры на основе колонок можно выполнить всего за 15 минут.

Эффективность лизиса

Лизис растительных клеток необходим для выделения ДНК и отделения от всех других клеточных компонентов. Следовательно, эффективность лизиса клеток (и ядер) напрямую связана с количеством выделенной ДНК. Могут быть значительные различия в эффективности лизиса между образцами для тех, кто выполняет протокол CTAB, поскольку одревесневшие и толстые клеточные стенки растений могут быть устойчивыми к разрушению CTAB. 4 Методы ударов шариками, в которых используется физическая сила и перемешивание для разрушения стенок клеток растений, помогли решить эти проблемы, обеспечив более однородный и последовательный метод разрушения тканей. Бисерное избиение также позволило повысить эффективность лизиса труднолизируемых видов растений.

Удаление нижестоящих ингибиторов

Широкий спектр полисахаридов, полифенолов, липидов и других вторичных метаболитов может мешать выделению ДНК, загрязнять очищенную ДНК и ингибировать функцию фермента, что затрудняет последующие эксперименты. 9 В принципе, протоколы CTAB (при использовании в сочетании с такими добавками, как поливинилпирролидон) могут удалить многие из этих соединений, однако на практике удаление всех загрязняющих веществ может оказаться сложной задачей. Было опубликовано множество модификаций протокола CTAB, особенно для видов растений, богатых этими проблемными соединениями. 9 Методы иммобилизации ДНК на мембране или магнитных шариках позволяют более эффективно промывать экстрагированную ДНК, облегчая удаление многих загрязнителей и последующих ингибиторов.

Качество ДНК

ДНК низкого качества может ограничить ее использование для последующего молекулярного анализа. Например, использование низкокачественной ДНК для NGS может привести к получению ненадежных данных или неудачному секвенированию. Высококачественная ДНК обычно характеризуется наличием фрагментов с высокой молекулярной массой, которые можно оценить с помощью электрофореза в агарозном геле или с помощью биоанализатора. Кроме того, он, как правило, не содержит РНК, солей, фенола и общих вторичных метаболитов, которые можно оценить с помощью спектрофотометра и глядя на коэффициенты поглощения 260 нм/280 нм и 260 нм/230 нм. Как упоминалось выше, протоколы на основе колонок или магнитных шариков обеспечивают более эффективную промывку, чем протоколы, в которых используется фазовое разделение, преципитация ДНК и осаждение, как в протоколе CTAB.

Потеря ДНК

Для последующего анализа может потребоваться минимальное количество ДНК, поэтому количество экстрагируемой ДНК также является важным фактором. Протокол CTAB склонен к потере ДНК во время разделения фаз, осаждения ДНК и промывки. В то время как процедуры на основе колонок, хотя их часто хвалят за выделение высококачественной ДНК без ингибиторов, также могут привести к значительному снижению общего выхода из-за низкой связывающей способности колонки и/или чрезмерной промывки.

Использование опасных реагентов

Фенол и хлороформ необходимы для выделения ДНК CTAB и широко используются для других протоколов выделения нуклеиновых кислот. Однако к работе с ними следует подходить с осторожностью. 10,11 Оба химических вещества внесены Управлением по охране труда (OSHA) в список опасных для здоровья человека. Фенол может проникать через кожу и слизистые оболочки и вызывать сильные ожоги. Хлороформ является канцерогеном и токсичен при вдыхании или проглатывании. Следует избегать длительного воздействия фенола/хлороформа и соблюдать надлежащие меры предосторожности и процедуры утилизации в соответствии с OSHA и другими регулирующими органами. Процедуры на основе колонок и магнитных шариков избегают использования этих химических веществ, что является главной привлекательностью для многих исследователей.

Наборы Quick-DNA Plant/Seed от Zymo Research полностью упрощают самые сложные задачи, связанные с традиционной экстракцией CTAB и другими методами экстракции ДНК. Нет необходимости в опасном феноле или хлороформе, и многие проблемные вторичные метаболиты удаляются за одну стадию центрифугирования.

В двух словах, растительная ткань лизируется путем эффективного механического разрушения путем биения шариков с последующим серией стадий центрифугирования с использованием спин-колонок для очистки ДНК и удаления нижестоящих ингибиторов (рис. 1). Полученная элюированная ДНК идеально подходит для многих последующих приложений молекулярной биологии и секвенирования. Этот простой процесс можно выполнить всего за 15 минут — в сочетании с измельчением тканей и измельчением бисером — на различных образцах растений, включая листья, стебли, бутоны, цветы, плоды и семена, что дает вам прямой путь к высоким -качественная ДНК.

Рис. 1. Больше никаких длительных инкубаций или точного пипетирования. С Quick -DNA просто взбивайте и вращайте бусинки для получения высококачественной очищенной ДНК.

Набор был проверен на культурах, из которых традиционно было трудно извлечь высококачественную ДНК. 12-15 Сюда входят такие растения, как Theobroma cacao , которые содержат высокие уровни антоцианов и других полифенолов, которые мешают некоторым протоколам очистки нуклеиновых кислот и многим последующим реакциям, таким как ПЦР. По этой причине Mars, Inc. (и другие пионеры в области сельского хозяйства) включили его использование в несколько основных рабочих процессов агрогеномики.

Как Mars, Inc. извлекла выгоду из наборов Quick-DNA Plant/Seed от Zymo

В исследовании, проведенном в 2017 году в сотрудничестве с международной группой исследователей, использовался набор Quick-DNA Plant/Seed 96 Kit для реализации высокоэффективного протокол выделения пропускной способности для выделения ДНК из 3733 отдельных растений Theobroma cacao (представителей панели из 148 клонов какао), отобранных за повышенную продуктивность и устойчивость к болезням черных и морозных стручков. Они провели генотипирование SNP в 90 различных маркеров с очищенной ДНК. 13  Эффективно извлеченная высококачественная ДНК позволила команде точно провести полногеномные ассоциативные исследования (GWAS), которые выявили шесть маркеров, в значительной степени связанных с устойчивостью к болезням и способствующих постоянному повышению продуктивности какао.

Позже, в исследовании 2018 года, команда Mars, Inc. вместе с другой международной группой использовали наборы Quick -DNA Plant/Seed для выделения геномной ДНК и секвенирования 200 T. cacao геномов для реконструкции пути одомашнивания растений, произошедшего примерно 3600 лет назад. 14 В совокупности наш набор для выделения ДНК растений и семян помог глубже понять культуру, которая продолжает играть центральную роль в современном сельском хозяйстве и производстве продуктов питания.

Будущее решений в области изменения климата, устойчивой глобальной продовольственной безопасности и многого другого начинается с высококачественного извлечения ДНК, и у Zymo Research есть инструменты, которые помогут вашей лаборатории совершить следующий крупный сельскохозяйственный прорыв.

Узнать больше

  1. Тодд Д.А., Келлог Дж.Дж., Уоллес Э.Д. и др. Химический состав и биологические эффекты кратома (Mitragyna speciosa): исследования in vitro с последствиями для эффективности и взаимодействия с лекарственными средствами. Научный представитель . 2020;10(1). дои: 10.1038/S41598-020-76119-W
  2. Седек КЕМ, Махас А., Махфуз М. Геномная инженерия растений для целенаправленного улучшения свойств сельскохозяйственных культур. Передний завод Sci . 2019;0:114. doi:10.3389/FPLS.2019.00114
  3. Варшней Р.К., Бансал К.С., Аггарвал П.К., Датта С.К., Крауфорд П.К. Сельскохозяйственная биотехнология для улучшения урожая в изменчивом климате: надежда или шумиха? Тренды Растениевод . 2011;16(7):363-371. doi:10.1016/j.tplants.2011.03.004
  4. Абдель-Латиф А., Осман Г. Сравнение трех методов выделения геномной ДНК для получения ДНК высокого качества из кукурузы. Растительные методы . 2017;13(1):1-9. дои: 10. 1186/S13007-016-0152-4
  5. Дойл Дж., Дойл Дж. Процедура быстрого выделения ДНК для небольших количеств свежей ткани листа. Фитохим Бык . 1987;19(1):11-15.
  6. Абул-Маати НАФ, Ораби ХАС. Извлечение высококачественной геномной ДНК из разных отрядов растений с использованием модифицированного метода на основе CTAB. Bull Natl Res Cent . 2019;43(25). doi.org/10.1186/s42269-019-0066-1
  7. Анджелес JGC, Лорена AC, Тексон-Мендоза EM. Экстракция геномной ДНК из кокосового ореха, богатого липидами, полисахаридами и полифенолами (Cocos nucifera L.). Отчет Plant Mol Biol . 2012;23(3):297-298. дои: 10.1007/BF02772760
  8. Протокол CTAB для выделения ДНК из тканей растений. Веб-сайт диагностики OPS: https://opsdiagnostics.com/notes/protocols/ctab_protocol_for_plants.htm. По состоянию на 27 октября 2021 г.
  9. Саху С.К., Тангарадж М., Катиресан К. Протокол выделения ДНК растений с высоким уровнем вторичных метаболитов и полисахаридов без использования жидкого азота и фенола. МСРН Мол Биол . 2012;2012:205049. дои: 10.5402/2012/205049
  10. 22. Безопасное использование фенола | Службы безопасности. Веб-сайт UC — Davis Safety Services: https://safetyservices.ucdavis.edu/safetynet/safe-use-of-phenol. Опубликовано 26 марта 2020 г. По состоянию на 27 октября 2021 г.
  11. Отчет о канцерогенах, четырнадцатое издание. Веб-сайт Национальной токсикологической программы: https://ntp.niehs.nih.gov/ntp/roc/content/profiles/chloroform.pdf. Опубликовано 3 ноября 2016 г. По состоянию на 27 октября 2021 г.
  12. Камбер Т., Мальпика-Лопес Н., Мессмер М.М. и др. Анализ qPCR для быстрого обнаружения и количественного определения Colletotrichum lupini. Растения . 2021;10(8):1548. doi: 10.3390/PLANTS10081548
  13. Ромеро Наварро Дж. А., Филлипс-Мора В., Арсиньегас-Леал А. и др. Применение общегеномной ассоциации и геномного прогнозирования для улучшения продуктивности какао и устойчивости к болезням черных и морозных стручков. Передний завод Sci . 2017; 8:1905. doi:10.3389/fpls.2017.01905
  14. Корнехо О.Э., Йи М.К., Домингес В. и др. Популяционный геномный анализ шоколадного дерева Theobroma cacao L. дает представление о процессе его одомашнивания. Коммун Биол . 2018;1:167. дои: 10.1038/s42003-018-0168-6
  15. Гарфинкель А.Р., Оттен М., Кроуфорд С. SNP в потенциально несуществующей синтазе тетрагидроканнабиновой кислоты является маркером доминирования каннабигероловой кислоты в генах Cannabis sativa L. . 2021;12(2):228. дои: 10.3390/GENES12020228

    Темы

    COVID-19

    ДНК

    Относящийся к окружающей среде

    Эпигенетика

    микробиомика

    НГС

    Плазмидная очистка

    РНК

    Сбор образцов

    Дрожжи

    */
    .blog-zymo .learn-more__container {
    выравнивание текста: по центру;
    поле сверху: 70px;
    }

    . blogs-topic-tags__container {
    ширина: 60%;
    поле сверху: 70px;
    }
    .blogs-aside__heading {
    цвет: #69727б;
    }
    .blogs-aside__anchor {
    поле слева: 30px;
    нижняя граница: 20px;
    высота строки: 1;
    }
    .изображение-заголовок {
    положение: родственник;
    переполнение: скрыто;
    высота: 250 пикселей;
    }
    .image-заголовок: перед {
    содержание: ‘ ‘;
    дисплей: блок;
    положение: абсолютное;
    слева: 0;
    сверху: 0;
    ширина: 100%;
    высота: 250 пикселей;
    z-индекс: 1;
    непрозрачность: 0,7;
    фоновый повтор: без повтора;
    размер фона: обложка;
    -ms-background-size: обложка;
    -o-background-size: обложка;
    -moz-background-size: обложка;
    -webkit-background-size: обложка;
    }
    Только экран @media и (максимальная ширина: 414 пикселей) {
    .название статьи {
    отступ слева: 10px;
    отступ справа: 10px;
    размер шрифта: 25px;
    }
    .blog-zymo .subtitle {
    размер шрифта: 20px;
    }
    . blog-zymo .featured-image {
    нижняя граница: 50px;
    }
    .blog-zymo .block-quotes {
    отступ: 45px 20px;
    }
    }

    Генотипирование растений

    Генотипирование растений

    Wir verwenden Cookies und ähnliche Technologien, damit unsere Website funktioniert, um Analysen durchzuführen, unsere Website zu verbessern und Ihnen personalisierte Inhalte und Werbung zeigen zu können. Einige dieser Cookies sind für das Funktionieren unserer Website unerlässlich. Bei anderen setzen wir sie nur, wenn Sie sie akzeptieren. Um mehr über Cookies zu erfahren und wie Sie Ihre Cookies verwalten können, lesen Sie unsere Cookie-Richtlinie.

    Wenn Sie sich im EWR, im Vereinigten Königreich oder in der Schweiz befinden, können Sie Ihre Einstellungen jederzeit ändern, indem Sie in der Fußzeile unserer Website auf «Cookie-Zustimmung verwalten» clicken.

    Управление файлами cookie
    Lehne alle ab

    Тестирование ДНК в тканях растений является важным процессом в различных областях сельскохозяйственных исследований, включая разработку признаков сельскохозяйственных культур и контроль качества семян. Ученым в растительном сообществе нужны инструменты для решения ряда вопросов, включая устойчивость к болезням, развитие трансгенных семян, повышение урожайности, популяционную генетику и физиологию растений. Извлечение высококачественной ДНК из листьев, семян, корней или другого растительного материала необходимо для воспроизводимого анализа ДНК с помощью методов количественной ПЦР, генотипирования с помощью методов секвенирования (GBS) или секвенирования следующего поколения (NGS).

    Продукты для экстракции ДНК и РНК Promega используются для выделения нуклеиновых кислот из самых разных типов образцов растений. Наша коллекция указаний по применению растений и пищевых продуктов содержит протоколы и примеры данных из многих образцов растений, а также примеры ручных, автоматических и чашечных методов.

    Поиск Примечания по применению

    Очистка ДНК растений

    В отличие от клеток животных, растительные клетки имеют жесткие клеточные стенки из прочного волокнистого материала и содержат соединения, которые могут мешать выделению ДНК, а также последующим применениям, таким как ПЦР. Это затрудняет выделение ДНК из растительной ткани. Набор Maxwell® RSC Plant DNA Kit представляет собой один из примеров решения на основе частиц парамагнитной целлюлозы, которое последовательно и безопасно и эффективно выделяет высокие выходы ДНК из широкого спектра типов растений. Также доступна автоматизация с высокой пропускной способностью для работы с большим количеством образцов, которые обрабатываются в 96-луночные или 384-луночные планшеты.

    Заинтересованы в очистке ДНК растений?

    Посмотреть продукты

    Тестирование ГМО

    В Европейском союзе (ЕС) и во многих других странах действуют правила маркировки или исключения продуктов, содержащих материалы генетически модифицированных организмов (ГМО). Тестирование ГМО подтверждает количество ГМО, присутствующего в растениях, семенах или пищевых продуктах, и обеспечивает соответствие требованиям ЕС и других стран. Методы обнаружения ГМО на основе ПЦР широко используются и основаны на высоких выходах ДНК высокой чистоты для воспроизводимых результатов.

    Выделение ДНК для тестирования ГМО: от видения к реальности

    В этой статье блога рассказывается о совместном процессе разработки автоматизированного метода выделения гДНК растений.

    Читать блог

    Извлечение ДНК растений без РНК

    В этой статье описывается протокол выделения высококачественной ДНК, не содержащей РНК, из растений для тестирования на ГМО.

    Подробнее

    Заинтересованы в тестировании ГМО?

    Посмотреть продукты

    Americas

    Brazil

    /

    Canada

    /

    United States

    /

    Pacific Asia

    Australia

    China

    /

    Japan

    /

    Korea, Republic of

    /

    Сингапур

    Европа

    Австрия

    /

    Belgium

    Denmark

    Estonia

    Finland

    France

    /

    Germany

    /

    Iceland

    Italy

    /

    Luxembourg

    Netherlands

    Norway

    Poland

    /

    Испания

    /

    Швеция

    Швейцария

    Великобритания

    Печенье Notwendige

    Wir verwenden diese Cookies, um die sichere und ordnungsgemäße Funktion unserer Website zu gewährleisten; sie sind für das Funktionieren unserer Dienste erforderlich und können in unseren Systemen nicht abgeschaltet werden. Sie werden in der Regel nur als Reaktion auf von Ihnen durchgeführte Aktionen gesetzt, die einer Anforderung von Diensten gleichkommen, wie z. B. das Einloggen, die Nutzung eines Warenkorbs oder das Ausfüllen von Formularen. Sie können Ihren Browser so einstellen, dass er diese Cookies blockiert oder Sie darauf hinweist, aber einige Teile unserer Dienste werden ohne sie nicht funktionieren. Wie alle anderen Cookies, die wir verwenden, können unbedingt notwendige Cookies entweder Erstanbieter-Cookies oder Drittanbieter-Cookies sein.

    Präferenz-Cookies

    Wir verwenden diese Cookies, um Ihre Einstellungen und Präferenzen zu speichern. Zum Beispiel können wir diese Cookies verwenden, um Ihre Spracheinstellungen zu speichern.

    Leistungs- und Statistik-Cookies

    Wir verwenden diese Cookies, um Informationen darüber zu sammeln, wie Sie mit unseren Diensten interagieren, und um uns zu helfen, diese zu messen und zu verbessern. Zum Beispiel können wir diese Cookies verwenden, um festzustellen, ob Sie eine bestimmte Seite besucht haben.