分子生态学实验步骤与原理总结.docx

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分子生态学实验步骤与原理总结

(一)基因组DNA提取

上海博彩生物科技有限公司:

3SDNAIsolationKitforEnvironmentalSamplesV2.23S柱离心式环境样品DNA回收试剂盒V2.2

DNA抽提方法

使用仪器:

灭菌锅,无菌操作台,移液枪,漩涡振荡器,台式离心机,水浴锅,分光光度计或者琼脂糖电泳槽

灭菌物品:

枪头,1.5ml,2ml离心管

一、污泥样品前处理

样品在处理前首先要混匀,使其中的悬浮物质分布均匀。

取约l0mL污水样品,加入灭菌离心管,400Orpm、离心20min,收集沉淀,加约4倍体积的TENPbuffer(50mMTirs,20mMEDTA,100mMNaCl,0.01g/mLPVP,pHl0),加玻璃珠(d:

lmm)充分匀化(解絮凝)。

4000rpm,离心20min,弃上清(重复两次,直至上清液较澄清)。

加约4倍体积的PBSbuffer(8gNaCl、0.2gKCl、1.44gNa2HPO4、0.24gKH2PO4溶于lL水、pH7.4),旋涡混匀,4000rpm,离心20min,收集沉淀(重复两次)

二、基因组DNA提取

1.样品准备:

100mg样品用200ulSolutionSUS将样品浸泡、悬浮,使样品软化分散开。

2.加入400ulSolutionLYS,300mg石英砂,盖上离心管盖,在漩涡振荡器上高速剧烈振荡,10-30min或更长时间。

3.用台式离心机,12000rpm,室温离心5min。

4.将上清液完全转移到无菌1.5ml离心管中,加入120ulSolutionBID,盖上离心管盖,上下颠倒混匀。

将溶液用1mlTIP全部转移到3S柱内,柱子放入2ml离心管中,不盖离心管盖,室温放置2min以上。

5.盖上离心管盖,12000rpm,室温离心1min。

6.取下3S柱,弃去离心管中的废液。

将柱子放回同一根离心管中,加入600ulWashSolution,10000rpm,室温离心1min。

7.重复6一次。

8.取下3S柱,弃去离心管中的全部废液。

将柱子放回同一根离心管中,10000rpm,室温离心2min,以除去残留的WashSolution。

9.洗脱:

在柱子中央加入100ulTE,将柱子放入新的干净1.5ml离心管中,室温放置2min。

12000rpm,室温离心1min。

收集管中的液体即为基因组DNA。

根据用途,样品可以4℃或-20℃保存。

为提高洗脱效率,可以将TE预热到37-55℃。

如果样品中基因组DNA含量很低,用30ulTE洗脱可以提高洗脱液的样品浓度,但产率有所下降。

重复该洗脱步骤一次,可以提高产率20%左右。

三、提取DNA的质量检测

(1)DNA纯度和浓度检测

用紫外分光光度计测定DNA样品在波长230,260,280nm处的吸光光度值。

DNA纯度的定性检测:

通过A260/A280及A260/A230的比值可以检测所提DNA是否纯。

通常纯DNA

样品A26O/A280≈1.8,A260/A230>2。

若A260/A280>l.9,可能有RNA污染;若

A260/A280

杂质。

DNA浓度的计算:

浓度(µg/mL)=A260*50*稀释倍数;

注:

1OD值相当于50µg/mL双螺旋DNA。

(2)DNA琼脂糖凝胶电泳检测

将所得DNA样品进行1%琼脂糖凝胶电泳,电压100V,电泳lh,EB染色后,用紫外凝胶成像系统拍照。

(二)PCR扩增

一、PCR扩增引物

采用两组对大多数细菌和古细菌的16SrRNA基因V3区具有特异性的引物对:

组合(F34,GC和RS:

8)。

引物组合的正向引物5’端中有一个富含GC的40bp的GC发卡

结构。

它们各自序列分别为:

F341:

(5’一eCTACGooAooeAGeAo一3’),Rsls:

(5’一ATTACCGCGGCTGCTGG一3,),GC发卡结构

(5’一CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGG一3’)。

引物

组合扩增产物片段长度约为220bp。

二、PCR扩增反应体系

PCR扩增反应体系,与表3一3相同。

加样后立即进行PCR扩增。

三、PCR扩增程序

PCR扩增程序,与表3一4相同。

四、PCR产物电泳检测

取5闪PCR产物进行电泳,胶浓度为2.0%,在电压100v条件下电泳lh后检测,

经EB染色后用凝胶成像系统观察,保存凝胶图谱。

电泳所用Marker为天根生化

科技(北京)有限公司生产的nNAM叭e:

nLZo00。

(三)变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析

预电泳的作用

1.使体系达到反应的条件

2.清除过多的变性剂和APS等,保持胶的稳定状态。

聚丙烯酰胺凝胶电泳

  聚丙烯酰胺凝胶电泳适宜分离鉴定低分子量蛋白质、小于1Kb的DNA片段和DNA序列分析。

其装载的样品量大,回收DNA纯度高。

长度仅相差0.2%(即500bp中的1bp)的核苷酸分子即能分离。

  聚丙烯酰胺凝胶是由丙烯酰胺单体,在催化剂TEMED(N,N,N,N'一四甲基乙二胺)和过硫酸铵的作用下,丙烯酰胺聚合形成长链,聚丙烯酰胺链在交联剂,N,N'一亚甲双丙烯酰胺参与下,聚丙烯胺链与链之间交叉联接而形成凝胶。

一、试剂配制

(l)50*TAE缓冲液:

242gTris碱,57.1mL冰醋酸,100mL0.5MEDTA(pH8.0),加水至1L。

混合均匀后高压灭菌20-30min,室温保存。

(2)40%丙烯酰胺/双丙烯酰胺(37.5:

1):

38.93g丙烯酰胺,1.07g双丙烯酰胺,加水至100mL。

(3)O%变性溶液:

20mL40%丙烯酰胺/双丙烯酰胺,2mL50*TAE缓冲液,加水至100mL,再分别加入80µLAPS和5µLTEMED。

4℃条件下保存在棕色瓶中。

(4)100%变性溶液:

2OmL40%丙烯酰胺/双丙烯酰胺,2mL50*TAE缓冲液,40mL甲酰胺,42g尿素,加水至100mL,再分别加入80µLAPS和5µLTEMED。

4℃条件下保存在棕色瓶中,100%变性溶液在使用之前需要预先溶解,把瓶子放进水浴锅中加温并快速搅拌。

(5)10%过硫酞胺(APS):

lg过硫酰胺加水至10mL。

现用现配。

(6)对于变性浓度低于100%的溶液,用0%和100%的变性溶液混合配制而成,尿素和甲酰胺含量如下所示:

不同浓度的变性溶液尿素、甲酰胺含量

成分

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

尿素(g)

4.2

8.4

12.6

16.8

21

25.2

29.4

33.6

37.8

甲酰胺(ml)

4

8

12

16

20

24

28

32

36

二、DGGE胶的制备

(l)用无水乙醇清洁制胶用的两块玻璃板,将spacer放在2个玻璃板之间,插入clamp中,将aligment板放入,用螺丝夹子固定,将aligment取出,用手摸底部是否平整,要绝对的平,否则会漏。

(2)将软垫放在底座上,玻璃板放在软垫上固定,用水平器调节。

(3)配制13.5mL高浓度变性梯度液,加入梯度仪高浓度右槽,打开左槽螺旋,溶液流入左槽,关上螺旋,用吸管将它们吸回右槽内(确保两槽无气泡阻隔)。

(4)配制13.5mL低浓度变性梯度液,加入梯度仪低浓度左槽。

(5)轻轻打开两槽间的活塞和梯度仪出口开关,并搅拌。

将长针头插入玻璃板之间,流速保持在2mL/min左右。

(6)胶板灌满后,顶部插入梳子,凝固2小时。

三、DGGE凝胶电泳步骤及染色

(l)在DGGE槽中加7L左右1*TAE(DGGE专用),使槽中的水至Full和Run的中间位置;加盖,注意长杆进入底部的窟窿中,打开电源,将温度设置到60℃,打开heat键。

(2)当梳子位置的胶凝固好后,将玻璃板固定在黄色的凝胶板架上,如果只有1板胶,注意另一侧也要固定玻璃板(不加spacer),否则漏水。

安装好玻璃板后,将凝胶板架(红点在右边)放入水槽中,之后将温度控制器盖在电泳槽上,注意长杆进入底部的窟窿中。

打开电源,打开heat键和bump键,开bump键后,水位会下降,降至run与maxmum的中间,水若不够的话,关闭电源,打开温度控制器上方的探望口,加1*TAE补足。

(3)温度达到60℃,立即进样,先关掉所有电源,取下温度控制器,小心地拔掉梳子,用移液枪冲洗侮一个进样孔;进样要缓慢,使样品顺着玻璃板均匀地落入到进样孔中。

每一个进样孔加入25µL样品。

(4)将温度控制器盖在电泳槽上,打开电源,将温度调到60℃,打开heat键和bump键,运行5min后,在主机上插入红黑电源线,注意红黑线不要颠倒。

打开主机电源,将电压调到120V,时间调为5h。

(5)电泳结束后,关掉电源,打开盖子,将凝胶板架拿出,控水,卸下玻璃板。

将clamp卸下,手抓住spacer,向内侧拧,揭下短玻璃板,胶粘在长玻璃板上。

(6)将托盘上平铺张保鲜膜后,将长板和胶放入托盘中银染。

银染步骤

步骤:

时间

溶液

固定

30min

10%冰醋酸、30%乙醇,100ml

敏化

2*10min

30%乙醇,100ml

洗涤

冲洗30s,漂洗5*5min

双蒸水

银染

30min

新鲜配制的0.1%AgNO3,100ml,使用前加入370μl的福尔马林溶液

洗涤

冲洗30s,漂洗1min,再冲洗30s

双蒸水

显影

直至显示条带为止,密切观察

溶液1:

0.2g硫代硫酸钠于10ml水中

溶液2:

2.5g碳酸钠于100ml水中

将100μl溶液1加入溶液2中,再加350μl的福尔马林溶液

终止

30min

5.84gEDTA2Na·2H2O以及8gGlycine于双蒸水中,定容至400ml(也可用10%的冰醋酸)

保存

长达数日

10%甘油

长时间保存

干胶

自然干燥即可

(1)AgNO3母液(20%):

将2gAgNO3溶解于双蒸水中,定容至10ml,放置于棕色瓶中密闭保存。

每次使用时取2ml母液,稀释至400ml,再加入福尔马林。

(2)10*TrisEDTA(TE):

pH=8.0

A.100mmol/LTris-CI(pH=8.0)

B.10mmol/LEDTA(pH=8.0)

C.Tris-Cl(1mol/L):

用800ml蒸馏水溶解121.1gTris碱,加浓盐酸调pH值至所需值。

银染原理:

银染是一种常用的蛋白质染色方法,具有较高的灵敏度,可以染出SDS-PAGE胶中含量低至0.2ng的蛋白。

虽然这是protocol上的说法,但如果操作得当,检测到5ng左右的蛋白应该不成问题。

如果搜索银染的protocol,可能会得到许多种说法。

为什么这样一种重要的实验手段却得不到统一的应用呢?

这可能要从银染本身那复杂而又灵活的原理说起。

简单的讲,银染的原理就是将银离子还原,附着在蛋白表面,形成染色。

银染所用的银,基本上是基于两种试剂,一种是硝酸银,另一种是Silverdiammine。

基于硝酸银的应用要多于后者(据说Silverdiammine比较费“银子”),现在主要说说基于硝酸银的银染的原理。

银离子容易被还原,在PAGE胶上,哪里的银离子先开始被还原,哪里就先开始出现条带。

通常由于蛋白质结构上的复杂性,一部分银离子结合在蛋白质之上后会影响更多银离子的结合,所以有蛋白的地方银离子较少,如果不做任何处理,有蛋白的部位将会染色更浅,所以最初的银染是负染。

那最初的负染是如何演变成正染色的呢?

一方面是选用还原速度较慢的还原剂,如甲醛,另一方面,利用慢还原争取到的时间将胶上多余的银离子洗去,由于银离子对蛋白质有一定的结合力,故更多地保留在有蛋白的位置,于是形成了正染。

但是这种染色的方法灵敏度还不是很高,所以人们又在染色之前加入了敏化的步骤,能够使银染敏化的试剂很多,一类是增加蛋白质与银离子的结合位点,如SDS等;还有一类能使银离子和蛋白形成silversulfide等结合,硫代硫酸盐起到的就是这个作用;还有的试剂兼顾上述两种功能,如戊二醛。

通过敏化过程,银染的灵敏度大大增加,同时也降低了背景。

综上,银染的原理概括如下:

让银离子尽可能多的于蛋白结合,尽可能的洗掉胶上的银离子,然后还原显色。

各种各样的protocol基本上都是基于这个原理。

最为经典的一个版本是这样的:

谈谈其中一些具体步骤:

1.固定,固定的作用主要是使蛋白变性,防止蛋白在扩散

2.敏化,戊二醛和硫代硫酸钠都是增加蛋白和银离子的结合,但是做质谱兼容银染的时候一般都把戊二醛去掉,原因是对蛋白造成修饰(在我的实验中,有戊二醛存在的时候一般也能鉴定到蛋白,不知道是不是去掉更好)。

乙酸钠的作用应该是缓冲pH。

3.染色,有的protocol中这一步不加甲醛,不加甲醛使后面的显色速度将大大降低。

4.显色,碳酸钠的作用是提供碱性环境,在碱性环境下甲醛才能发挥它的慢还原特性。

这一步中的硫代硫酸钠有增加银化合物溶解的能力,防止氯化银在胶表面形成薄膜,但是在质谱兼容银染中,硫代硫酸钠也是省去的。

5.终止,顾名思义,显色成功后终止反应。

评价好的银染方法主要基于以下几个方面:

灵敏度,重复性,速度。

个人认为平衡好灵敏度和重复性是实验的关键,速度可以放在后面考虑。

如果不知道哪个版本的银染更为合适,那么上面的那个经典版本是个不错的选择,之后可以根据具体的结果,并参考银染的原理做些优化。

通常银染方法简单,只需几步。

电泳后,在醋酸中固定胶除去电泳液和凝胶中的尿素,并防制小的延伸产物的扩散。

换几次蒸馏水除去固定剂。

胶在硝酸银和甲醛中染色。

在染色后,将凝胶用水清洗,在含甲醛和硫代硫酸钠的碱性碳酸钠溶液中显色。

甲醛将银离子还原为金属银。

硫代硫酸钠防止自由银离子还原为金属银,否则会增加背景。

在显色一定的时间后,用水清洗一下,在空气中干燥。

(7)用Bio-RadGelDocTMXR凝胶成像系统观察并拍照。

(四)DGGE图谱目的条带的克隆测序

1.DGGE图谱目的条带DNA的提取与PCR扩增

将切取下来的目的条带浸泡在TE溶液中,4℃过夜,得到的溶液即可作为PCR反应的模板。

PCR反应体系与程序与之前相同,采用引物对BSF338(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和BSR534(5’-ATTACCGCGGCTGCTGG-3’)。

PCR反应体系(25µl):

10×ExTaqbuffer(Mg2+)2.5µl,2.5mmol/LdNTP2µl,20pmol/L正反引物各0.75µl,模板DNA10~100ng,ExTaq0.25µl,加双蒸水补足至25µl。

PCR反应程序:

94℃预变性5min,94℃变性40s,55℃退火40s,72℃延伸30s,35个循环,72℃最终延伸10min。

扩增产物采用1%的琼脂糖凝胶电泳检测。

2.PCR产物的胶回收

采用E.Z.N.AGelExtractionKit,操作步骤如下:

(1)电泳足够时间后,在紫外灯下小心地把所需的DNA片段切下来,并尽量去除多余的凝胶。

(2)称取空离心管的重量,切下带目的片段的凝胶装在1.5ml离心管中并称其重量,求出凝胶块的重量,近似地确定其体积。

一般情况下,凝胶的密度为1g/ml,于是凝胶的体积与重量的关系可按下面换算:

凝胶薄片的重量为0.2g则其体积为0.2ml;加入等倍凝胶体积的BindingBuffer,把混合物置于55℃~65℃水浴中温浴7min至凝胶完全融化,其间每隔2-3min混匀一次;

(3)转移700μl的DNA-琼脂糖溶液到一个HiBindTMDNA柱子,并把柱子装在一个干净的2ml收集管内,室温下,10000×g离心1min,弃去液体;

(4)将柱子重新套回收集管中,加300μlBindingBuffer至HiBindDNA柱子中,室温下,10000×g离心1分钟,去弃滤出液;

(5)将柱子重新套回收集管中,加入700μlSPWWashbuffer至HiBindDNA柱子中,室温下,10000×g离心1min,去弃滤出液;

(6)将柱子重新套回收集管中,重复加入700μlSPWWashbuffer至HiBindDNA柱子中,室温下,10000×g离心1min,弃去滤出液;将空柱子重新套回收集管中,10000×g离心1min以甩干柱基质残余的液体;

(7)把柱子装在一个干净的1.5ml离心管上,加入30~50μl洗脱液或灭菌水上柱子膜上,10000×g离心1min,离心管中的溶液就是纯化的DNA产物,保存于-20℃。

3.目的DNA与pMD19-T载体的链接转化

反应体系(10μl)如下:

pMD19-T1μl,模板DNA4μl,SolutionⅠ5μl,16℃连接过夜。

连接产物的转化:

(1)把感受态细胞置于冰中融化;

(2)把100μl的感受态细胞移至灭菌处理的离心管内;

(3)加入用于转化的DNA;

(4)冰中放置30min;

(5)42℃放置45~60s;

(6)冰中放置2~3min;

(7)加入37℃预温好的SOC培养基,使终体积为1ml;

(8)37℃振荡培养1h(160~225rpm);

(9)取适量涂布琼脂平板培养基;

(10)平板于37℃正向放置至液体被吸收,然后倒置培养过夜。

4.阳性转化子鉴定及测序:

分别挑取10个白色单菌落,利用载体通用引物M13-47和RV-M鉴定转化子。

PCR反应体系(25µl):

10×ExTaqbuffer(Mg2+)2.5µl,2.5mmol/LdNTP2µl,20pmol/L正反引物各0.75µl,ExTaq0.25µl,加双蒸水补足至25µl。

PCR反应程序:

94℃预变性5min,94℃变性40s,55℃退火40s,72℃延伸30s,35个循环,72℃最终延伸10min。

延伸40s,25~30个循环,72℃最终延伸7min,-20℃保存。

扩增产物在1%的琼脂糖凝胶电泳,经凝胶成像系统检测,鉴定和筛选含有目的基因的阳性转化子。

选择阳性克隆,送交invitrogen公司完成测序。

5.序列分析与系统进化树绘制

将测序结果去除载体后,至GenBank数据库通过blastn功能进行比对分析。

聚类分析采用UPGMA算法进行分析。

16SrRNA基因进化树利用CLUSTAL_X、Phylip3.65,Mega等软件,以Neighbor-Joining法绘制系统进化树,自展评估1000次。

最终获得所需的进化树

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