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Cas-16S-seq:利用CRISPR/Cas9靶向消除16S-seq中高丰度植物序列的方法   

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摘要:16S rRNA基因高通量测序 (16S-seq) 是研究微生物组的常用方法之一。在分析植物或其他高等生物的样品时,线粒体和质体16S rRNA基因也被通用引物扩增,造成测序结果中宿主序列的污染最高达99%以上,不仅提高了成本,而且极大地限制了16S-seq方法分析植物微生物群落结构的灵敏度。Cas-16S-seq的方法是一种利用CRISPR/Cas9靶向切割植物16S rRNA基因序列从而富集扩增产物中细菌序列的方法 (图1) (Song和Xie,2020)。该方法操作简单,可以方便地整合到已有的16S-seq流程中,能高效率地消除共扩增的高丰度植物序列。我们的分析也表明Cas9具有高特异性,通过使用我们开发的生物信息学平台设计的植物特异的gRNA,未检测到脱靶切割细菌16S rRNA的现象。本文以水稻为例,描述了Cas-16S-seq的详细步骤和实验要点,为科研人员使用该方法分析植物微生物组提供参考。

关键词: 16S rRNA基因高通量测序 (16S-seq), CRISPR-Cas, 宿主污染, 微生物组, 植物

材料和试剂

  1. 50 ml离心管 (Corning, catalog number: 430829)
  2. RNase-free 0.2 ml PCR管 (Axygen, catalog number: PCR-02D-C)
  3. RNase-free 1.5 ml离心管 (Axygen, catalog number: MCT-150-C)
  4. 丁腈手套 (AMMEX, catalog number: APFNCHD50)
  5. Alkaline phosphatase, calf intestinal (CIP) (New England Biolabs, catalog number: M0290S)
  6. Bsa I (New England Biolabs, catalog number: R0535S)
  7. Cas9 (New England Biolabs, catalog number: M0386S)
  8. DH5α (Vazym, catalog number: C502-03)
  9. Protease K (New England Biolabs, catalog number: P8107S)
  10. T4 DNA ligase (New England Biolabs, catalog number: M0202S)
  11. T4 polynucleotide kinase (T4 PNK) (New England Biolabs, catalog number: M0201S)
  12. pUC19-gRNA (Addgene plasmid #137776,质粒图谱见图1)


    图1. pUC19-gRNA载体示意图

  13. 16S rDNA Bacterial Identification PCR Kit (TaKaRa, catalog number: RR176)
  14. Agencourt AMPure XP beads (Beckman Coulter, catalog number: A63880)
  15. DNeasy Powersoil Kit (QIAGEN, catalog number: 12888-50)
  16. Gel Extraction Kit (OMEGA, catalog number: D2500-02)
  17. HiScribe Quick T7 High Yield RNA Synthesis Kit (New England Biolabs, catalog number: E2050)
  18. I-5 2× High-Fidelity Master Mix (Molecular Cloning Laboratories, catalog number: I5HM-200)
  19. QIAGEN plasmid mini kit (QIAGEN, catalog number: 12123)
  20. RNA Clean & Concentrator Kit (Zymo Research, catalog number: R1017)
  21. Double-distilled H2O (ddH2O)
  22. KCl (Fisher Scientific, catalog number: P217-500)
  23. KH2PO4 (Fisher Scientific, catalog number: P285-500)
  24. LE Agarose (Hydragene, catalog number: R9012LE-100g)
  25. NaCl (Fisher Scientific, catalog number: S271-1)
  26. Na2HPO4 (Fisher Scientific, catalog number: S374-500)
  27. TWEEN 20 (Fisher Scientific, catalog number: BP337-100)
  28. 75%乙醇,80%乙醇 (用95%乙醇和0.1‰ DEPC处理水配制)
  29. 75%医用酒精 (国药试剂)
  30. 氨苄青霉素 (国药试剂)
  31. 苯酚 (国药试剂)
  32. 焦碳酸二乙酯 (DEPC, Sigma, catalog number: D5758)
  33. 氯仿 (国药试剂)
  34. 无核酸酶水 (Zymo Research, catalog number: W1001-4)
  35. 无水乙醇或95%乙醇 (国药试剂,分析纯)
  36. 无水乙酸钠 (国药试剂,分析纯)
  37. 液氮
  38. 磷酸盐缓冲溶液 (见溶液配方)
  39. 0.1‰ DEPC处理水 (见溶液配方)
  40. 3 M 醋酸钠 (pH 5.2) (见溶液配方)

仪器设备

  1. 96孔磁铁架 (BORHEE, catalog number: MAG-96-11)
  2. 剪刀和镊子
  3. 研磨钵和研磨棒
  4. 移液器 (2.5,20,200,1,000 μl) (Labnet, catalog numbers: 540910296, 340930114, 240750135, 440960631)
  5. NanoDrop One (Thermo Fisher Scientific, catalog number: ND-ONE-W)
  6. DNA电泳装置
  7. 超净工作台
  8. 小型离心机 (Eppendorf, catalog number: 022620498)
  9. 台式离心机 (Cence, catalog number: TDZ5-WS)
  10. 涡旋振荡器 (Scientific Industries, catalog number: G560E)
  11. 水浴锅
  12. 37 °C恒温培养箱
  13. PCR热循环仪 (Bio-Rad Laboratories, S1000TM Thermal Cycler, catalog number: 1852148)
  14. 研钵和研磨棒
  15. -20 °C冰箱
  16. pH计 (METTLER TOLEDO, catalog number: FE20K)

软件和数据库

  1. VSEARCH软件 (version 2.8.1)

实验步骤

Cas-16S-seq是将CRISPR/Cas9系统与现有的16S rRNA基因高通量测序 (16S-seq)进行结合,利用CRISPR/Cas9靶向切割特定序列的能力,从而在16S rRNA基因扩增子文库构建过程中去除大量共扩增的宿主序列(图2) (Song和Xie,2020)。其中CRISPR是“成簇和规律间隔的短回文序列”的简称,而Cas是指与CRISPR RNA结合的蛋白。在不同的CRISPR-Cas系统中,化脓性链球菌Cas9 (Strepcococcus pyogenes Cas9)被广泛应用于基因组编辑中,而本文提到的Cas9均表示来自化脓性链球菌的Cas9。本文以799F-1193R扩增16S rRNA基因V5-V7片段为例,介绍了Cas-16S-seq中gRNA设计、体外合成、植物根系DNA纯化、Cas9处理和PCR扩增的详细步骤,该方法也适用于其他16S rRNA通用引物的扩增子测序分析。


图2. Cas-16S-seq实验流程示意图

一、gRNA设计
Cas9核酸酶可以在一个人造的小RNA分子 (称为gRNA, 即Guide RNA)的引导下去靶向切割DNA双链 (Jinek,2012)。其中利用Cas9/gRNA标靶特定的DNA位点只需满足2个条件:(1) gRNA的5′端20nt (Nucleotides)的向导序列 (称为Spacer或Guide sequence) 与靶DNA位点的序列 (称为Protospacer) 互补匹配;(2) 靶位点必需存在PAM (Protospacer-adjacent motif),其中使用最广的化脓链球菌Cas9的PAM序列为5′-NGG-3′。根据Cas9/gRNA靶向切割DNA双链的条件,因此可以通过替换gRNA 5′端20nt (Nucleotides)的向导序列,从而使Cas9能被重编程去切割任何的包含有5′-N20-NGG-3′ (N代表任何核苷酸) DNA序列,其中N20与gRNA向导序列相同的20个碱基,NGG是Cas9发挥活性必需的PAM。近年来对Cas9介导的基因组编辑的广泛研究,也阐明了CRISPR/Cas9的靶向规律 ( Hsu et al.,2013;Pattanayak et al.,2013;Kuscu et al,2014),Cas9/gRNA不仅能有效的剪切与gRNA完全匹配的DNA片段,而且也能脱靶到与gRNA部分匹配的DNA片段,因此Cas-16S-seq方法的关键步骤是设计能够区分宿主和细菌16S rRNA基因的高特异性gRNA。本文以水稻16S rRNA基因为例,简要地介绍了Cas-16S-seq所需gRNA的设计流程 (图3)。


图3. CRISPR/Cas9靶位点 (即gRNA设计) 分析流程图

  1. 从公共数据库下载高质量的原核生物16S rRNA基因序列。这些数据库包括RDP (Cole,2014),SILVA (Quast,2013),和GreenGenes (McDonald et al.,2012)等。本研究使用RDP数据库 (RDP release 11, update 5, https://rdp.cme.msu.edu/, release 11)的细菌16S rRNA序列作为参考。
  2. 从NCBI数据库中查找和下载水稻栽培品种Nipponbare参考基因组叶绿体和线粒体16S rRNA基因序列 (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/10)。
  3. 提取水稻线粒体和叶绿体16S rRNA基因序列中PAM (5′-NGG-3′) 前的所有的20 bp序列作为mt-gRNA (靶向线粒体序列) 和cp-gRNA (靶向叶绿体序列) 的向导序列。
  4. 从RDP数据库的3,356,809个原核16S rRNA基因序列中提取5′-NGG-3′和5′-NAG-3′ PAMs (Cas9也能低效率的识别和切割含NAG序列PAM的靶位点) 前的所有20 bp序列。
  5. 将步骤3和步骤4挑选出的20 bp序列利用VSEARCH软件 (version 2.8.1) 进行序列比对,此处使用的是全局比对算法。
  6. 根据图3的标准鉴定脱靶到RDP-rRNA中原核生物16S rRNA基因序列的cp-gRNA和mt-gRNA。计算每个gRNA脱靶到的RDP-rRNA中原核生物16S rRNA基因序列的数量,并根据脱靶的数量对gRNA特异性进行排序。

注:在分析cp-gRNAs特异性时,需要注意RDP数据库中含有叶绿体序列,可分析过程中可以把RDP中叶绿体序列排除在外。具体的设计靶向宿主16s rDNA特异性的gRNA的生物信息学代码流程存储在Github (https://github.com/KabinXie/Cas-16S-seq/tree/master/gRNA-design)。

二、gRNA的合成
使用含有T7启动子和gRNA scaffold序列的质粒载体 (如图2),然后通过PCR获得仅含有T7启动子gRNA的DNA模板用来体外转录合成gRNAs,gRNA的克隆方法参考(Xie et al.,2014)。

  1. 引物设计和合成。根据图2所示,对每一个gRNA合成两条互补的引物:
    Forward oligo (正向引物):
    5′-TAGG-N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18N19N20-3′
    Reverse oligo (反向引物):
    5′-AAAC-N1N2N3N4N5N6N7N8N9N10N11N12N13N14N15N16N17N18N19N20-3′
    注:引物中TAGG和AAAC是和pUC19-gRNA匹配的接头序列,N代表任意碱基,正向引物中第3个G是T7聚合酶的转录起始位点。正向引物中20个N表示与靶位点相同的引导序列;反向引物中N表示与靶位点互补的碱基序列。
  2. 利用Bsa I对pUC19-gRNA载体进行酶切,反应体系如下。

    pUC19-gRNA
    2 μg
    10× NEB Buffer 4
    2 μl
    Buffer 4 2 μl
    2 μl
    Bsa I (10 U/μl)
    1 μl
    Add ddH2O to
    20 μl

  3. 37 °C孵育2~4小时。
  4. (可选步骤) 加入0.5 µl的CIP (5 U/μl) 对步骤1酶切的质粒进行去磷酸化,37 °C孵育30分钟。
  5. 利用QIAquick PCR purification kit纯化酶切的质粒载体,纯化操作按照说明书进行,最后一步加入30 μl Elution buffer溶剂进行DNA的洗脱。
  6. 利用NanoDrop测定DNA浓度。
  7. 对于每个gRNA,将合成的单链DNA寡核苷酸 (如步骤1所示) 退火为双链DNA寡核苷酸。

    Forward oligo (100 µM)
    1 µl
    Reverse oligo (100 µM)
    1 µl
    10× T4 DNA ligase Buffer
    1 µl
    T4 PNK (10 U/µl)
    0.5 µl
    Add ddH2O to
    10 µl

    注:如果步骤4没有使用CIP处理,T4 PNK在此处可以忽略,而且下一步中37 °C孵育步骤也可忽略。
  8. 使用以下程序在PCR热循环仪中孵育。

    37 °C
    60 min
    95 °C
    10 min
    Cool down to 25 °C at 0.1 °C/s
    约 12 min
    25 °C
    5 min

  9. 将退火形成的双链DNA寡核苷酸按照1:200的比例进行稀释。
  10. 将稀释的双链DNA寡核苷酸与载体进行连接反应,反应体系如下:

    Bsa I digested vector
    n µl (~50 ng)
    Oligo-duplex (diluted)
    1 µl
    10× T4 DNA ligase Buffer
    0.5 µl
    T4 DNA ligase (400 U/µl)
    1 µl
    Add ddH2O to
    5 µl

  11. 室温 (25 °C) 孵育2~4小时,或者4 °C连接过夜。
  12. 取1 µl连接产物加入到大肠杆菌DH5α细胞进行转化。
  13. 挑取2~4个单克隆在添加有氨苄青霉素 (50 µg/ml) 的LB培养基中进行培养。
  14. 使用QIAGEN plasmid mini kit提取质粒。
  15. 使用M13R (-48)引物进行Sanger测序,确认gRNA靶序列正确。
  16. 使用正向引物M13F (5’-GGTAACGCCAGGGTTTTCC-3’)和反向引物gRNA-R (5’-AAAAGCACCGACTCGG-3’)从构建的质粒载体上扩增带有T7启动子和靶序列的gRNA片段,扩增体系如下所示。

    Plasmid (步骤15测序正确)
    1 ng
    I-5 2× High-Fidelity Master Mix
    25 μl
    M13F (10 μM)
    2 μl
    gRNA-R (10 μM)
    2 μl
    Add ddH2O to
    50 μl

  17. 运行如下PCR程序:
    98 °C预变性2分钟;扩增35个循环:98 °C变性10秒, 55 °C退火30秒,72 °C延伸10秒;循环完成后72 °C放置5分钟。
  18. 利用1.5%琼脂糖凝胶进行PCR产物凝胶纯化。利用OMEGA凝胶提取试剂盒回收正确大小(~190 bp)的DNA条带,操作步骤按试剂盒说明书进行,最后使用25 μl Elution buffer溶剂进行DNA的洗脱。
  19. 将凝胶回收产物用苯酚:氯仿进行抽提纯化,去除RNA酶 (以下步骤需使用RNase-free的试剂和耗材)。
    19.1
    DNA溶液中加入等体积 (25 μl)的1:1苯酚:氯仿混合液,涡旋混合30秒;10,000 × g室温离心5 min,吸取上清到新离心管中。
    19.2
    用等量的氯仿抽提两次去除残留的苯酚 (同步骤19.1)。
    19.3
    加入1/10体积 (5 μl) 醋酸钠 (pH 5.2,3 M) (DEPC处理水配制) 和两倍体积的无水乙醇。-20 °C放置至少30分钟。
    19.4
    12,000 × g离心15分钟沉淀收集DNA,并去除上清液。
    19.5
    加入500 µl的75%乙醇 (DEPC处理水配制),12,000 × g离心15分钟,移去上清液。
    19.6
    晾干并加入10~15 µl无核酸酶水溶解DNA。
    19.7
    利用NanoDrop测定DNA浓度。

注:为防止经过切胶回收和苯酚氯仿抽抽提纯化后浓度可能会过低,建议步骤16同时配制2~3个PCR扩增体系 (总体积100 μl以上),保证最终纯化后DNA浓度在10 ng/μl以上。

  1. 将苯酚:氯仿抽提纯化的DNA片段作为模板,利用HiScribe Quick T7 High Yield RNA Synthesis kit进行体外转录。在离心管中加入以下试剂:


    注:本体外转录反应适合小RNA分子 (gRNA) 的体外转录,反应需使用无核酸酶的试剂和耗材,避免RNA核酸酶的污染。

  2. 37 °C孵育16个小时。
  3. gRNA转录体系中加入20 µl无核酸酶水,吸打混匀后再加入1 µl DNase I (2 U/µl), 37 °C继续孵育15分钟,酶解DNA模板。
  4. 利用RNA Clean & Concentrator Kit进行纯化体外转录的gRNA。操作步骤按试剂盒说明书进行。最后一步加入15 µl无核酸酶水洗脱后,利用NanoDrop进行RNA的浓度测量 (浓度约为4,000 ng/µl)。

注:为了评估所合成gRNA的长度和完整性,可通过变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分析转录产物。

三、植物根系样品的分离和基因组DNA纯化

  1. 水稻根系取样方法。戴上丁腈手套并利用75%医用酒精进行消毒,握住水稻嫩枝直接拔取种植在田间水稻全株根系,避免对根系组织造成损伤。利用75%医用酒精对剪刀和镊子进行消毒,剪取根系后利用镊子将根系置于含有25 ml TWEEN 20 (0.1%) 的磷酸盐缓冲溶液的50 ml无菌管中。每取一次样品时,需利用75%医用酒精对镊子和剪刀进行消毒,并利用无菌滤纸擦拭干净。将取得样品迅速置于冰上运回实验室,样品不得置于冰上超过24小时。运回实验室的根系样品应迅速置于-20 °C (最好置于-80 °C),且样品不得反复冻融。
  2. 将冻存在-20 °C的根系样品取出之后置于4 °C解冻样品,在超净工作台进行根系的清洗。首先,将解冻的根系取出放置在装有25 ml无菌双蒸水的50 ml无菌离心管中,漂洗去除表面附着的土壤颗粒,然后利用75%医用酒精消毒的镊子将根系取出后置于装有25 ml 含有TWEEN 20 (0.1%) 的磷酸盐缓冲溶液的50 ml无菌的离心管中,置于涡旋仪上涡旋30秒,重复涡旋清洗水稻根系3次以上,直到根系表面无清晰可见的土壤颗粒,台式离心机离心 (1,000 × g,15分钟),用75%医用酒精消毒的镊子取出根系,最后在无菌的滤纸上将水稻根系擦干。将根系样品装入空的50 ml无菌的离心管中,置于-20 °C保存至DNA提取。
  3. 在提取水稻根系样品DNA之前,需要用液氮冷冻处理,然后再在研磨钵中充分研磨均匀。
    注:研磨钵和研磨棒以及液氮是主要污染来源,需要经过多次双蒸水清洗以及高温高压灭菌处理 (或酒精灼烧),防止细菌或残留植物组织污染,同时在整个取样,根系清洗以及研磨的过程中均要设置空白对照组,监测试验过程中是否带入细菌污染。
  4. 按照DNeasy Powersoil Kit的使用说明进行DNA的提取。DNA的浓度使用NanoDrop进行测量。
    注:如样品量少,在最后一步加入30 µl的C6溶液进行DNA的洗脱。

四、16S rRNA一轮扩增
Cas-16S-seq文库构建采用两步PCR法。

  1. 第一步PCR,利用16S rDNA Bacterial Identification PCR Kit扩增16S rRNA的V5-V6-V7区,本研究使用含接头序列的通用引物为Rd1+799F和Rd2+1193R,引物的全长序列见下表。

    Primer Name
    Sequence (5’>3’)
    Rd1+799F
    TCGTCGGCAGCGTCAGATGTGTATAAGAGACAG
    AACMGGATTAGATACCCKG
    Rd2+1193R
    GTCTCGTGGGCTCGGAGATGTGTATAAGAGACAG
    CGTCATCCMCACCTTCCTC
    注:下划线标注的分别为Read1测序引物序列 (Rd1) 和Read2测序引物序列 (Rd2),其中合成的引物需ULTRAPAGE方法进行纯化,需用16S-free的水稀释引物。

  2. 按照下表准备扩增体系 (此步需要在超净工作台中进行):

    Template DNA
    50~100 ng
    PCR Premix
    12.5 μl
    Forward Primer (Rd1+799F) (10 μM)
    0.25 μl
    Reverse Primer (Rd2+1193R) (10 μM)
    0.25 μl
    Add 16S-free H2O to
    25 μl
    注:使用灭菌处理的RNase-free枪头和PCR管,阴性对照使用16S-free的水为模板。

  3. 运行以下降落式PCR程序:
    94 °C变性3分钟;扩增34个循环:94 °C变性1分钟,退火1分钟,72 °C延伸45秒;循环完成后72 °C放置10分钟。退火的温度被设定为60 °C进行4个循环,58 °C进行6个循环,56 °C进行8个循环,54 °C进行8个循环,52 °C进行8个循环。
  4. 取5 μl的PCR产物用1.5%琼脂糖凝胶进行电泳。其中共扩增的水稻线粒体PCR产物条带大小比细菌大约84 bp,阴性对照无条带 (图4)。


     图4. 16S rRNA第一轮PCR扩增产物琼脂糖凝胶电泳结果. #1-#3代表生物学重复,H2O表示16S-free水为模板的对照,*代表的是水稻线粒体Rd1+799F-Rd2+1193R扩增条带。

  5. 利用AMPure XP磁珠纯化PCR产物 (此步骤需使用RNase-free的试剂和耗材)
    5.1
    将纯化磁珠从4 °C取出放置在室温 (~25 °C),约30分钟使其恢复到室温,并在涡旋仪上进行充分混匀30秒。
    5.2
    加入0.8倍PCR产物体积的Ampure XP磁珠于PCR产物中,利用移液器轻柔的混匀 (远离磁铁架),室温孵育15分钟。
    5.3
    将其放置在磁铁架上5分钟。
    5.4
    小心移除上清液,不要吸取到磁珠。
    5.5
    向PCR管中加入200 μl新配的80%乙醇 (DEPC水配制),并且保持其在磁铁架上,室温孵育30秒,利用移液器小心移除上清液。重复此操作一次,并将残留的乙醇完全移除。
    5.6
    晾干两分钟,此过程一直保持PCR管放置在磁铁架上。
    5.7
    将PCR管从磁铁架上取下,加入20 μl的无核酸酶水,然后利用移液器上下轻柔吸打重悬磁珠,并在室温孵育5分钟。
    5.8
    将PCR管重新放回到磁铁架上放置约2分钟,直到上清液无可见磁珠。
    5.9
    将洗脱液18 µl取出放置到新PCR管中。
  6. 利用NanoDrop测定纯化后的DNA浓度。

五、利用Cas9和gRNA体外酶切 (此步骤需使用RNase-free的试剂和耗材)
为了消除共扩增的高丰度植物序列,利用Cas9/gRNA剪切第一轮扩增纯化产物中的共扩增的线粒体16S rRNA基因序列。

  1. 将“gRNA的合成”步骤体外转录合成的gRNA利用无核酸酶水稀释至60 (ng/μl),然后90 °C热变性5分钟迅速置于冰上冷却。
  2. 在RNase-free 1.5 ml离心管中准备酶切体系:

    Nuclease-free H2O
    22 μl
    NEBuffer 3.1
    3 μl
    1 µM Cas9 (M0386S)
    2 μl (60nM final)
    gRNA (denatured)
    1 μl (60 ng)
    Total reaction volume
    28 μl
    注:为了获得最佳的剪切效率,要将Cas9和gRNA以及剪切底物DNA的摩尔比保持在10:10:1或更高比例。分子量可通过 (http://nebiocalculator.neb.com/#!/ligation)进行换算。如果所用通用引物能扩增线粒体和叶绿体16S rRNA基因,该反应中需两种不同的gRNA (cp-gRNA和mt-gRNA)来去除宿主序列。

  3. 将准备的酶切体系室温 (25 °C)静置10分钟,然后加入磁珠纯化的一轮PCR产物2 μl (60 ng),轻弹离心管混匀。
  4. 37 °C孵育12个小时。
  5. 将1 µl (0.8 U/μl) 的蛋白酶K加入到酶切反应中,并继续在37 °C孵育10分钟,然后65 °C水浴锅中孵育10分钟将蛋白酶K进行变性处理。
  6. 如“gRNA的合成”步骤20所述方法利用苯酚/氯仿抽提纯化酶切产物,最后加入10 μl无菌双蒸水溶解DNA,利用NanoDrop测定DNA浓度。

六、16S rRNA二轮扩增
为了加入Illumina平台兼容的测序接头序列,以及区分不同样品的index序列。利用酶切纯化产物为模板进行二轮扩增,PCR体系为25 μl,全长的引物序列见下表。

Primer Name
Sequence (5’>3’)
P5-index-Rd-F
AATGATACGGCGACCACCGAGATCTACACXXXXXXTCGTCGGCAGCGTCAG
P7-index-Rd-R
CAAGCAGAAGACGGCATACGAGATXXXXXXGTCTCGTGGGCTCGGAG

注:下划线标注的为Illumina测序仪P5/P7端流动槽结合区,xxxxxx代表是index序列,其中合成的引物需ULTRAPAGE方法进行纯化。

  1. 设置如下PCR反应体系:

    Cas9 digested DNA
    10 ng
    I-5 2× High-Fidelity Master Mix
    12.5 μl
    P5-index-Rd-F (10 μM)
    1.25 μl
    P7-index- Rd-R (10 μM)
    1.25 μl
    Add ddH2O to
    25 μl

  2. 运行如下PCR程序:
    98 °C预变性1分钟;扩增8个循环:98 °C变性30秒, 58 °C退火10秒,72 °C延伸15秒;循环完成后72 °C放置5分钟。
  3. 取5 µl的PCR产物用1.5%琼脂糖凝胶进行电泳,检测扩增产物 (图5)。


    图5. 16S rRNA二轮扩增示意图. 靶向水稻线粒体16S rRNA基因的gRNA序列 (mt-gRNA1196)。Cas-16S-seq建库方法 (Cas9+)和常规16S-seq建库方法 (Cas9-),#1-#3代表的是三个生物学重复,*代表水稻线粒体799F-1193R的扩增子序列。

  4. 二轮扩增产物利用上述“16S rRNA一轮扩增”步骤5磁珠纯化方法进行纯化。
  5. 利用NanoDrop进行DNA浓度的测量。
  6. 将纯化的产物按照等摩尔比进行混样,将混合文库再次利用1.8倍的磁珠进行纯化,然后样品在Illumina HiSeq 2500使用2 × 250 bp进行双端测序。

注:在整个实验过程中应始终设置包含试剂耗材,引物的阴性对照组。

溶液配方

  1. 磷酸盐缓冲溶液 (1,000 ml)
    利用800 ml双蒸水溶解8 g NaCl,0.2 g KCl,1.44 g Na2HPO4,0.24 g KH2PO4,利用HCl将pH调整到7.4,最后用双蒸水使体积定容到999 ml,高温高压灭菌,待恢复到室温后,加入1 ml的TWEEN 20并混合均匀后使用。
  2. 0.1‰ DEPC处理水
    将DEPC按照1:10,000 (体积比) 加入双蒸水,放置于磁力搅拌器上搅拌超过8小时后高温高压灭菌处理。
  3. 3 M醋酸钠,pH 5.2 (100 ml)
    将24.61 g的无水乙酸钠溶解于80 ml未灭菌的DEPC处理水中,加入HCl将pH调整到5.2,最后加入未灭菌的DEPC处理水定容至100 ml,高温高压灭菌。

致谢

本研究由国家自然科学基金 (31622047) 和转基因新品种培育重大专项 (2018ZX08010-05B)资助完成。

参考文献

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Copyright: © 2021 The Authors; exclusive licensee Bio-protocol LLC.
引用格式:宋露洋, 谢卡斌. (2021). Cas-16S-seq:利用CRISPR/Cas9靶向消除16S-seq中高丰度植物序列的方法. Bio-101: e2003588. DOI: 10.21769/BioProtoc.2003588.
How to cite: Song, L. Y. and Xie, K. B. (2021). Cas-16S-seq: Using CRISPR/Cas9 to Eliminate Abundant Plant Sequences in 16S-seq. Bio-101: e2003588. DOI: 10.21769/BioProtoc.2003588.
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