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NGS入门5:植物叶片样本的全基因组甲基化建库

NGS入门5:植物叶片样本的全基因组甲基化建库

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2026-10-21

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PART.01 DNA甲基化——植物表观遗传的“开关”
01
DNA甲基化研究概览

DNA甲基化是指将甲基基团添加到DNA分子上的过程,最早于1950年在动植物DNA中被发现。这一表观遗传修饰在不改变DNA序列的前提下,能够调控基因表达、维持基因组完整性,并在植物适应环境过程中发挥重要作用。

在植物中,DNA甲基化发生在三种不同的序列背景下:

( CG甲基化 )

由DNA甲基转移酶1(MET1)维持,占植物甲基化位点的60%-70%,主要富集于基因启动子和转座子区域

( CHG甲基化 )

依赖染色质甲基化酶3(CMT3),与组蛋白H3K9me2协同维持,多分布于异染色质区域

( CHH甲基化 )

通过RNA指导的DNA甲基化(RdDM)途径从头建立,由域重排甲基转移酶2(DRM2)催化,在基因 body 和转座子边界动态变化。

研究表明,植物中的DNA甲基化状态是动态的,受到从头甲基化、甲基化维持和去甲基化三个过程的精密调控。这种修饰可以在不改变DNA序列的情况下,通过改变染色质结构或阻碍转录因子结合,从而在转录层面上调控基因表达。

02
DNA甲基化在植物研究中的应用
( 植物发育调控 )

DNA甲基化通过抑制转座子活性和调控发育基因表达影响植物生命周期。

( 逆境响应与适应 )

DNA甲基化是植物快速响应环境胁迫的“分子开关”。

( 天然产物生物合成 )

DNA甲基化直接调控色素、风味物质、药用成分的合成。

 
PART.02 植物叶片样本的全基因组甲基化建库流程

全基因组甲基化建库的核心在于“捕获”原本的甲基化信号。目前主流的方法是重亚硫酸盐测序(Bisulfite Sequencing, BS-Seq)。其原理是利用重亚硫酸盐(Bisulfite)将DNA序列中未甲基化的胞嘧啶(C)转化为尿嘧啶(U),而甲基化的胞嘧啶保持不变(测序时显示为T)。经过PCR扩增后,通过比对参考基因组,即可识别甲基化位点。

建库流程主要分为三个阶段:样本DNA提取、甲基化建库(转化)、文库质检。

01
植物样本DNA提取(以翌圣植物DNA提取试剂盒,Cat#18529ES为例)

高质量、高纯度的基因组DNA是后续建库成功的基础。植物叶片富含多糖、多酚等次生代谢物,极易抑制酶活性,因此需要高效的提取方案。

( 试剂准备 )
  • 异丙醇(用于DNA沉淀/结合)

  • RNase A(去除RNA污染)

  • 无水乙醇(用于洗涤液的配制)

( 仪器设备 )
  • 研磨仪(配合液氮,用于粉碎坚韧的植物细胞壁)

  • 恒温金属浴

  • 离心机(13000 rpm)

  • 移液器

  • 磁力架(用于磁珠法纯化)

  • 涡旋混匀仪

( 实验步骤 )
  • 样本裂解:将植物叶片在液氮中研磨成粉末,转移至离心管。加入裂解液和RNase A,涡旋混匀。

  • 杂质去除:加入絮凝剂,冰浴离心,去除沉淀(含多糖多酚)。

  • 结合与纯化:转移上清,加入异丙醇和磁珠。混匀后置于磁力架上吸附,弃去废液。加入洗涤液A和B各两次,洗涤杂质。

  • 洗脱:空气干燥磁珠,加入洗脱液,65℃震荡孵育洗脱DNA。

  • 保存: -20℃短期保存或-80℃长期保存。

02
甲基化建库
( 方案A:Post-BS法(单链DNA建库) )

Post-BS法先进行亚硫酸氢盐转化,再以单链DNA为模板进行建库,适用于微量样本(10 pg-250 ng)。

2.A.1 试剂准备

  • 超快速DNA亚硫酸氢盐转化试剂盒(磁珠法),Cat#12229ES

  • 单链DNA甲基化建库试剂盒,Cat#12221

  • PCR Index引物,Cat#12414ES-12415ES

  • DNA Selection Beads磁珠,Cat#12601ES

  • 无水乙醇(新鲜配制80%乙醇)

  • ssDNA Assay Kit for Qubit,Cat#12645ES

2.A.2 仪器设备

  • PCR仪(带热盖)

  • 磁力架(适用于1.5 mL离心管和PCR管)

  • 金属浴(55℃)

  • 涡旋振荡器

  • 离心机

  • Agilent 2100 Bioanalyzer(或等效设备)

  • Qubit荧光计

2.A.3 实验步骤

Step 1 DNA亚硫酸氢盐转化

  • DNA片段化:将提取的DNA通过超声或酶切打断至200-500bp

  • 试剂准备:洗涤液按规格加入无水乙醇,颠倒混匀备用;转化液有结晶可 50℃加热溶解,磁珠使用前充分振荡。

  • 亚硫酸氢盐转化:在无核酸酶 PCR 管中混合 DNA 与转化液,混匀离心后,PCR 仪 95℃反应 10 分钟,4℃保温。

  • 产物结合:将转化液转入离心管,加结合液和磁珠混匀,室温孵育 5-10 分钟。

  • 磁珠分离与洗涤:磁力架分离弃上清,加洗涤液混匀后再次磁力分离弃上清。

  • 脱硫处理:加脱硫液混匀,室温孵育 15 分钟,磁力分离弃上清。

  • 二次洗涤:用洗涤液重复洗涤两次,磁力分离后尽量弃尽残留液体。

  • 磁珠干燥:55℃金属浴孵育 5-10 分钟或室温干燥 20-30 分钟,确保磁珠完全干透。

  • DNA 洗脱:加洗脱液混匀,55℃孵育 5 分钟,磁力分离后取上清,即得转化后 DNA,可直接下游实验或低温保存

Step 2 单链甲基化建库

  • DNA 预处理:将片段化 DNA 补水至 30μL,95℃变性 3min 后立即冰浴 2min,保持单链状态。

  • 3’接头连接:冰上配制连接预混液,加入变性 DNA 后,37℃反应 15min、95℃失活 2min,完成 3’端接头连接。

  • 互补链延伸:向连接产物加入延伸试剂,按程序完成互补链合成,得到双链 DNA。

  • 第一次纯化:用 1.2× 磁珠纯化延伸产物,乙醇漂洗、干燥后用水洗脱,取上清备用。

  • 5’接头连接:向纯化产物加连接缓冲液、5’接头与连接酶,20℃反应 15min,完成 5’端接头连接。

  • 第二次纯化:用 0.6× 磁珠纯化 5’连接产物,洗脱后取上清用于扩增。

  • 文库扩增:加入扩增 Mix 与 Index 引物,按起始量选择循环数进行 PCR,获得足量文库。

  • 终纯化:用 0.85× 磁珠纯化扩增产物,干燥洗脱,得到可测序的最终甲基化文库。

  • 文库质控:用 qPCR 定量、Bioanalyzer 检测片段分布,评估文库质量。

( 方案B:Pre-BS法(双链DNA建库))

Pre-BS法先完成接头连接和文库构建,最后进行亚硫酸氢盐转化,适用于起始量较高的样本(10 ng-1000 ng),操作流程更接近常规DNA建库。

2.B.1 试剂准备

  • 双链DNA甲基化建库试剂盒,Cat#12214

  • PCR Index引物,Cat#12414ES-12415ES

  • 超快速DNA亚硫酸氢盐转化试剂盒(磁珠法),Cat#12229ES

  • DNA Selection Beads磁珠,Cat#12601ES

  • 无水乙醇

2.B.2 仪器设备

同方案A。

2.B.3 实验步骤

  • DNA片段化:将提取的DNA通过超声或酶切打断至200-500bp。

  • 末端修复与加 A 尾:片段化 DNA 经补平、磷酸化及 3′加 dA 尾,30℃反应 30min,72℃反应 30min。

  • 甲基化接头连接:按 DNA 量稀释接头,加入连接体系,20℃反应 15min 完成接头连接。

  • 连接产物纯化:用 0.8× 磁珠纯化,乙醇漂洗、干燥后水洗脱,去除未连接接头与二聚体。

  • 文库转化:用亚硫酸氢盐法对连接产物转化,参考方案A的转化流程,转化后尽快进行下游操作。

  • 文库扩增:加入扩增 Mix 与 Index 引物,按样本起始量选择 PCR 循环数进行富集扩增。

  • 扩增产物纯化:用 0.9× 磁珠纯化扩增产物,干燥洗脱,得到可测序的最终文库。

  • 文库质控:以 qPCR 定量、Bioanalyzer 检测片段分布,验证文库质量。

03
文库质检

检测项目

方法/仪器

合格标准

片段大小分布

Agilent Bioanalyzer 2100

主峰300-500 bp,无明显接头二聚体(<150 bp)

文库浓度

Qubit dsDNA HS Assay Kit

浓度≥2 nM(Illumina平台)

转化效率验证

亚硫酸氢钠处理后C→T转化率检测

非甲基化λDNA转化率≥99%;5mC保留率≥95%

 
PART.03 翌圣生物产品解决方案

翌圣生物(YEASEN)提供完整的甲基化建库解决方案,覆盖从DNA提取到文库构建的全流程。

产品类别

产品名称

货号

规格

DNA提取

MolPure® Plant DNA Kit 植物DNA提取试剂盒

18800ES

5T/50T/200T

MolPure® Plant Plus DNA Kit 多糖多酚植物DNA提取试剂盒

18801ES

50T/200T

MolPure® Mag Plant DNA Kit磁珠法通用植物DNA提取试剂盒

18529ES

20T/50T/200T

MolPure® Mag16 /48Plant DNA Kit(Prepackaged)磁珠法16/48孔通用植物DNA提取试剂盒(预装版)

18532ES

16T/48T

甲基化转化

Hieff® Superfast DNA Methylation Bisulfite Kit 5 min超快速柱法甲基化化学转化试剂盒

12225ES

10T/50T

Hieff® Mag Superfast DNA Methylation Bisulfite Kit 超快速DNA亚硫酸氢盐转化试剂盒(磁珠法)

12229ES

10T/50T

DNA Enzymatic methyl-Conversion Kit DNA酶法甲基化转化试剂盒

12213ES

8T/24T/96T

Recombinant Ten-Eleven Translocase 2.0(TET2.0, with buffer)

12212ES

8T/24T/96T

甲基化建库

Hieff NGS® Methyl-seq ssDNA library Prep kit for Illumina® V2 单链甲基化建库试剂盒

12221ES

8T/24T/96T

Hieff NGS® dsDNA Methyl Library Prep Kit for Illumina®双链甲基化建库试剂盒(WGBS、RRBS适用)  

12214ES

8T/24T/96T

定量试剂

ssDNA Assay Kit 单链DNA qubit定量试剂盒

12645ES

100T/500T

1× dsDNA HS Assay Kit 即用型dsDNA qubit定量试剂

12642ES

100T/500T

纯化磁珠

Hieff NGS® DNA selection Beads (Superior Ampure XP alternative)DNA纯化分选磁珠

12601ES

1mL/5mL/60mL/450mL

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