Skript Teil 1, Lange
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Skript Teil 1, Lange
MB 02 Grundlagen der Biochemie der Pflanzen ZEITPLAN Mo 3.2.1 Induktion der -Amylase-Synthese: Ansetzen der sterilen Lösungen, autoklavieren Präparation der Gerstensamen (Schritt 1) Sterilisation der Samen und Induktion der -Amylase (Schritte 2-4) 2.1.1 Herstellung der Blattextrakte 2.1.2 Auftrennung der Blattpigmente durch Dünnschichtchromatographie 2.1.3 Identifizierung der Blattpigmente durch Spektrophotometrie Di 3.1.1 Mikro-Isolation von genomischer DNA 3.1.2 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) 3.2.2 -Amylase Extraktion, Enzymtest und Eichgerade 3.1.3 Gel für Agarose-Gelelektrophorese (Mittwoch) herstellen Mi 3.1.3 Analyse der PCR-Produkte mittels Agarose-Gelelektrophorese 2.2 Einfluss des pH-Wertes auf die Farbe von Anthocyan und Betacyan http://www.ifp.tu-bs.de MB02-2015-1 2 Inhalt 1 ALLGEMEINE ANMERKUNGEN ................................................................................................ 3 2 PFLANZENPIGMENTE, CHROMATOGRAPHIE, SPEKTROPHOTOMETRIE ............. 4 2.1 PLASTIDENFARBSTOFFE (CHLOROPHYLLE UND CAROTINOIDE) ...................................................................................... 4 2.1.1 Herstellung der Blattextrakte ............................................................................................................................ 4 2.1.2 Auftrennung der Blattpigmente durch Dünnschichtchromatographie ....................................................... 4 2.1.3 Identifizierung der Blattpigmente durch Spektrophotometrie .................................................................. 6 2.2 EINFLUSS DES PH-WERTES AUF DIE FARBE VON ANTHOCYAN UND BETACYAN ........................................................... 7 3 AMYLASE: GENE, ENZYMAKTIVITÄT, PCR, ELEKTROPHORESE ....................... 8 3.1 NACHWEIS VON AMYLASE GENEN IN GERSTENKEIMLINGEN .................................................................................... 8 3.1.1 Mikro-Isolation von genomischer DNA .............................................................................................................. 8 3.1.2 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ....................................................................................................................... 9 3.1.3 Analyse der PCR-Produkte mittels Agarose-Gelelektrophorese ............................................................................... 11 3.2 GIBBERELLINSÄURE INDUZIERTE AMYLASE EXPRESSION IM GETREIDEENDOSPERM ............................................ 12 3.2.1 Induktion der Amylase-Synthese ................................................................................................................. 12 3.2.2 Amylase Extraktion, Enzymtests, und Eichgeraden ................................................................................. 13 3 1 Allgemeine Anmerkungen Protokolle: Während der nachfolgenden Versuche dokumentieren Sie bitte ihre Versuchsdaten in Protokollheften (nicht auf losen Zetteln). Notieren Sie das Datum des Versuchs. Das auf diesen Versuchsdaten basierende Protokoll sollten Sie entsprechend international üblichen Standards für Publikationen gliedern, d.h.: 1. Einleitung: Geben sie kurz die Fragestellung sowie die Intention des Versuch wieder. 2. Material und Methoden: Beschreiben Sie hier das verwendete Versuchsobjekt und eventuelle Veränderungen, die ihre Versuchsdurchführung von der im Skript beschriebenen unterscheidet. Komplizierte Versuchsaufbauten können graphisch dargestellt werden. Kopieren Sie bitte nicht das Skript! 3. Ergebnisse: In diesem Kapitel beschreiben Sie kurz die erzielten Ergebnisse. Vermeiden Sie Interpretationen! Sie sollten Ihre Ergebnisse graphisch oder in Tabellenform übersichtlich darstellen. Beachten Sie bitte: Jede Abbildung sollte eine Unterschrift und jede Tabelle eine Überschrift besitzen, aus der die vorgestellten Daten verständlich werden. Bei graphischer Darstellung beachten Sie bitte, dass Kurvenpunkte deutlich erkennbar (Durchmesser ca. 3 mm) und eindeutig voneinander unterscheidbar sein müssen (z.B. ●---●; ■---■). Die Achsen müssen eindeutig beschriftet sein (z.B. Konzentration [M] oder Zeit [min]). 4. Diskussion: Hier interpretieren Sie ihre Ergebnisse und setzen sie in Bezug zu den aus der Literatur bekannten Resultaten. Mögliche Ursachen für Fehlerquellen können diskutiert werden. 5. Literatur: Die unter 1.-4. aufgeführten Literaturzitate werden wie folgt angegeben: Autoren (Erscheinungsjahr), Titel der Veröffentlichung, Zeitschrift, Band, Seitenangaben, z.B.: Schopfer P, Brennicke A (1999) Pflanzenphysiologie, 4. Aufl. Springer BerlinHeidelberg-New York Steward FC, Mapes MO, Kent AE, Holsten RD (1964) Growth and development of cultured plant cells. Science 143, 20-27 Wichtig! Protokolle mit Datum und den Namen aller Gruppenmitglieder sind nach dem Versuchende abzugeben. Korrekturen müssen spätestens 2 Wochen nach Versuchende abgegeben werden. 4 2 Pflanzenpigmente, Chromatographie, Spektrophotometrie In diesem Teil werden Ihnen Chemie und Eigenschaften der wichtigsten Pflanzenpigmentgruppen (Anthocyane, Betalaine, Chlorophylle, Carotinoide) vorgestellt und Sie werden mit den weithin verwendeten Methoden der Lösungsmittelextraktion, Chromatographie und Spektrophotometrie vertraut gemacht. 2.1 Plastidenfarbstoffe (Chlorophylle und Carotinoide) Dieser Versuchsteil befasst sich mit den pflanzlichen Pigmenten, die in den Plastiden vorliegen. Grundsätzlich werden die Chlorophylle (grün bis blau) von den Carotinoiden (rot, orange, gelb) unterschieden. Letztere werden aufgrund ihrer chemischen Struktur in Carotine (rot, orange) und deren sauerstoffhaltige Derivate, die Xanthophylle (orange, gelb), untergliedert. Diese Pigmente werden aus Blättern extrahiert (2.3.1), dünnschichtchromatographisch getrennt (2.3.2) und spektrophotometrisch mit einem automatisch registrierenden Spektralphotometer identifiziert (2.3.3). 2.1.1 Pflanzenmaterial: Herstellung der Blattextrakte 3 g voll entwickelte Blätter einer beliebigen Pflanze (Pflanzenmaterial selber besorgen!) Anmerkung: Junge Blätter sind reicher an Lipiden, die bei der Chromatographie stören, ebenso ist Löwenzahn ungeeignet. Besonders geeignet sind voll entwickelte Blätter von Brennnessel, Spinat oder Blutbuche. Reagenzien: Aceton, Petroleumbenzin (Sdp. 40-60°C), CaCO3, NaCl, Seesand Equipment: Mörser mit Pistill, Schere, Tischzentrifuge, Pasteurpipetten Durchführung: 1. Etwa 3 g Blattmaterial zerschneiden und in einem Mörser (auf Eis) mit einem gehäuften Spatel CaCO3 und einer Spatelspitze Seesand gründlich zerreiben. Allmählich ca. 10 mL eiskaltes Aceton zusetzen, dabei weiter mörsern, bis sich ein tiefgrüner einheitlicher Brei gebildet hat. 2. Den Extrakt in Zentrifugenröhrchen überführen. Mörser mit 2 mL Aceton ausspülen. Röhrchen in der Tischzentrifuge (gegenüberliegende Gläser austarieren!) zentrifugieren: 5 min, 4000 rpm. Überstand abheben, in ein sauberes Reagenzglas transferieren und im Eisbad aufbewahren. Pellet verwerfen. Anmerkung: Um Photooxidation insbesondere der Chlorophylle zu vermeiden, sollten die Extrakte möglichst kühl und dunkel gehalten werden. 2.1.2 Reagenzien: Auftrennung der Blattpigmente durch Dünnschichtchromatographie Propanol-2, Petroleumbenzin (Sdp. 40-60°C), Aceton, Ethanol. 5 Equipment: Pasteurpipetten, Spatel, Zentrifugengläser, Chromatographiekammer (klein), Dünnschicht-Fertigplatte (Kieselgel 60 auf Aluminium). Durchführung: 1. Herstellung des Fliessmittels (für zwei Gruppen ausreichend): 1 mL Propanol-2 werden mit 0,025 mL H2Obidest. in einem 100 mL Erlenmeyerkolben gründlich gemischt. Dann werden 10 mL Petroleumbenzin (Sdp. 4060°C) zugefügt und das fertige Fliessmittel in eine kleine Chromatographiekammer gegeben. Anmerkung: Für eine gute chromatographische Trennung sollte die Atmosphäre laufmittelgesättigt sein. Um dies zu beschleunigen, wird das Laufmittel im geschlossenen DC-Tank geschwenkt. 2. Auftragen der Extrakte: Mittels einer Kapillare wird ein Teil des Blattextraktes 1,5 cm vom unteren Rand strichförmig (als Punktreihe!) auf eine DCPlatte (10 x 10 cm) vorsichtig aufgetragen. Die Auftragsbande sollte ca. 1 cm von den Seitenrändern entfernt aufhören und eine möglichst große Extraktmenge enthalten. Anmerkung: Die Kieselgelschicht darf beim Auftragen nicht verletzt werden, da sonst das Fliessmittel nicht mehr hochziehen kann. Zu schmale, aber auch zu breite oder überladene Startbanden ergeben schlechte Trennergebnisse. Chromatographie: Jeweils zwei Dünnschicht-Platten (zusammen mit der der Nachbargruppe!) werden in die vorbereitete Chromatographie-Kammer gestellt und im Dunkeln entwickelt. Kurz bevor die Fliessmittelfront den oberen Rand der DC-Platte erreicht hat (nach ca. 15 min) wird die Platte aus dem DC-Tank herausgenommen. Zuerst wird die Lösungsmittelfront markiert und danach die Positionen der verschiedenen Pigmente notiert. gelb ß-Carotin grau grün grau grün Pheophytin a Chlorophyll a Pheophytin b Chlorophyll b gelb Xanthophylle 4. Die gefärbten Zonen werden mit einer Schere ausgeschnitten, mit einem Spatel abgeschabt und in Zentrifugengläser überführt. Anmerkung: Die Chlorophylle müssen abgekratzt werden, solange die Platte noch feucht ist! 5. Die einzelnen Pigmente werden mit jeweils 1 mL Lösungsmittel aus dem Kieselgel eluiert: Die oberste gelbe Bande mit Petroleumbenzin (40-60°C), die grünen Banden mit Aceton und die unteren gelben Banden mit Ethanol. Anmerkungen: Nicht klar zuordnungsbare Banden abschaben und den/die Assistenten/in (vor dem Abschaben) nach dem passenden Lösungsmittel fragen. 6 6. Zentrifugation in der Tischzentrifuge: 5 min, 4000 rpm bei 4°C. Nach dem Zentrifugieren werden die Überstände vorsichtig abpipettiert und sofort zur Identifikation mittels Spektrophotometrie eingesetzt. 2.1.3 Reagenzien: Identifizierung der Blattpigmente durch Spektrophotometrie Ethanol, Aceton, Petroleumbenzin (Sdp. 40-60°C). Equipment: automatisch registrierendes Spektralphotometer, Pasteurpipetten, Glasküvette (1 mL). Durchführung: 1. Ca. 1 mL einer gefärbten Pigmentlösung werden in eine saubere Glasküvette gefüllt. Zu stark konzentrierte Lösungen müssen gegebenenfalls mit dem jeweiligen Lösungsmittel verdünnt werden. Bei den Carotinoiden wird die Extinktion im Bereich von 500 bis 350 nm, bei den Chlorophyllen zwischen 700 und 350 nm gemessen. Anmerkungen: Die Spektren der Carotinoide weisen, wie in den folgenden Beispielen für Lutein und ß-Carotin gezeigt wird, drei Gipfel auf, während die Chlorophylle jeweils zwei Hauptmaxima besitzen (Phaeophytin a besitzt vier Absorptionsmaxima bei 408, 505, 534 und 667 nm): Absorptionsmaxima der häufigsten Carotinoide (in nm): Zeaxanthin 424 451 483 ß-Carotin 427 449 475 Lutein 420 445 473 -Carotin 422 444 473 Lutein-5,6-epoxid 418 442 471 Violaxanthin 420 441 471 Neoxanthin 417 438 467 Auswertung: Dokumentieren Sie die Ergebnisse der DC sowie die Absorptionsspektren der untersuchten Pigmente und versuchen Sie, diese anhand der angegebenen Absorptionsmaxima und des Laufverhaltens auf der DC zu identifizieren. Berechnen Sie die Rf-Werte der Pigmentbanden auf der DC-Karte. Literatur: G. Richter, Stoffwechselphysiologie der Pflanzen, Thieme Verlag, 6. Auflage 1998 - Das Kapitel "Die Pigmente der Photosynthese" ist empfehlenswert. 2.2 Einfluss des pH-Wertes auf die Farbe von Anthocyan und Betacyan 7 Die rot bis violett gefärbten Betacyane bilden (zusammen mit den gelb gefärbten Betaxanthinen) eine eigene Gruppe von Pigmenten, die Betalaine, die bisher nur in der Ordnung der Centrospermae mit Ausnahme der Caryophyllaceae und der Molluginaceae gefunden worden sind. Anthocyanidin-Grundstruktur Sie stellen Derivate der Betalaminsäure dar, die sich aus Dihydroxyphenylalanin bildet und unterscheiden sich von den Anthocyanen unter anderem durch den Stickstoffgehalt und die elektrische Ladung. Betacyane tragen normalerweise wegen der Ionisierung der Carboxylgruppen eine negative Ladung und wandern bei der Elektrophorese zur Anode. Anthocyane dagegen wandern aufgrund ihrer positiven Ladung zur Kathode. Wässrige Anthocyan- und Betacyan-Extrakte sind äußerlich meist nicht voneinander unterscheidbar. Als weiteres Unterscheidungsmerkmal wird die unterschiedliche Farbreaktion bei Änderung des pH-Wertes, in diesem Versuch demonstriert. Pflanzenmaterial: Rotkohl, Rote Bete Reagenzien: 0,1 N, 1 N und 2 N HCl, 0,01 N und 0,1 N KOH, KOH-Plätzchen Equipment: Waring blender, 10 Reagenzgläschen, Trichter, Faltenfilter Durchführung: 1. Jeweils 5 g Rotkohl (Anthocyan) bzw. Rote Beete (Betacyan) werden in 50 mL H2O in einem Mixer homogenisiert. Die Homogenate werden über je einen Faltenfilter filtriert. 2. Jeweils 5 mL Rotkohl-Extrakt werden in fünf Reagenzgläser (Nr. 1-5) gegeben, in gleicher Weise wird mit dem Extrakt aus Roter Beete verfahren (Gläser 6-10). 3. Nach folgendem Pipettierschema werden jetzt Säure bzw. Alkalilösungen zu den Homogenaten gegeben und gut gemischt: Glas-Nr. 1+6 2+7 3+8 4+9 5+10 Säure- bzw. Alkalizugabe Kontrollen 1,0 mL 2 N HCl 0,5 mL 0,01 N KOH 1,0 mL 0,1 N KOH 1 Plätzchen KOH Reversibel durch tropfenweise HCl-Zugabe? 0,1 N HCl 0,1 N HCl 1 N HCl 4. Erhitzen Sie nach der Prüfung auf Reversibilität die Ansätze 2+7 für 5 min bei 100°C. 8 Auswertung: Registrieren Sie die Farbänderungen und bestimmen Sie, ob der Farbwechsel durch tropfenweise HCl-Zugabe reversibel gemacht werden kann. Worauf lässt sich die Farbänderung zurückführen? 3 Amylase: Gene, Enzymaktivität, PCR, Elektrophorese Bei der Keimung von Getreidesamen wird kurz nach dem Quellen in der Aleuronschicht die Expression von Genen induziert, die für abbauende Enzyme kodieren. Diese hydrolytischen Enzyme werden von der Aleuronschicht in das Speichergewebe des Getreidesamens (Endosperm) sezerniert und sind für die Keimung unentbehrlich, da sie die im Endosperm vorhandenen unlöslichen, hochpolymeren Reservestoffe in lösliche Produkte (monomere D-GlucoseEinheiten) umwandeln. Nur in dieser Form kann die gespeicherte Nahrung zum Embryo transportiert und von diesem zum Wachsen ausgenutzt werden. Wir wollen zunächst ein wichtiges, während der Keimung exprimiertes Gen, das für die -Amylase kodiert, analysieren (Versuche unter 3.1). Die Synthese der -Amylase (und anderer Hydrolasen) wird durch Gibberellin induziert. Das Gibberellin wird zunächst im Embryo (Scutellum) produziert, wandert dann in die Aleuronschicht des Endosperms und induziert dort u.a. die -Amylase Synthese. Die -Amylase Synthese lässt sich in physiologischen und biochemischen Experimenten untersuchen. Wir wollen in unseren Untersuchungen die Synthese mit Hilfe verschiedener Pflanzenhormone und Hemmstoffe auf molekularer Ebene verfolgen (Versuche unter 3.2). 3.1 Nachweis von Amylase Genen in Gerstenkeimlingen 3.1.1 Pflanzenmaterial: Mikro-Isolation von genomischer DNA Diese moderne Methode für die analytische Präparation von genomischer DNA aus Pflanzenmaterial bietet verschiedene Vorteile: Sie ist sehr schnell und das Pflanzenmaterial bleibt in Einweggefäßen, so dass Kontaminationen weitestgehend ausgeschlossen werden (besonders wichtig für die PCRAnalyse). Die Zellen werden durch Hitze- und Detergenz-Einwirkung lysiert. 6 d alte Gerstenkeimlinge 9 Reagenzien: CTAB-Extraktionspuffer: 100 mM Tris-HCl, pH 8 plus 20 mM EDTA (pH 8) plus 2% CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid) plus 1,4 M NaCl (wird gestellt) Equipment: Eppendorf-Gefäße, Mikropistill für Eppendorf-Gefäße, Mikropipetten und Pipettenspitzen Durchführung: 1. Ungefähr 20 mg frisches, junges Blattmaterial (ca. ein Keimling) in ein Eppendorf-Cup geben und mit 150 µl CTAB-Extraktionspuffer mit einem Mikropistill homogenisieren. 2. 500 µl CTAB-Extraktionspuffer zugeben, invertieren, und für 30 min bei 65°C inkubieren, dabei gelegentlich das Eppendorf-Cup invertieren. 3. Zugabe von 600 µl Chloroform (mit Glaspipetten! und unter dem Abzug arbeiten!). Herstellen einer Emulsion durch wiederholtes Invertieren. 4. Zentrifugation in einer Mikrozentrifuge: 2 min, 10.000xg bei Raumtemperatur. 5. Obere wässrige Phase in ein neues Eppendorf-Gefäß überführen. Zugabe von 500 µl Isopropanol, 10-20x invertieren. 6. Zentrifugation: 5 min, 10.000xg bei Raumtemperatur, Überstand mit der Pipette abziehen. 7. DNA-Pellet mit 500 µl eiskaltem 70% Ethanol (-20°C) "waschen". Nicht schütteln! 8. Zentrifugation: 5 min, 10.000xg bei Raumtemperatur, Überstand mit Pipette vollständig abziehen. 9. DNA-Pellet an der Luft für 5-10 min trocknen und in 50 µl H2Obidest lösen, dann 5 min bei 65°C inkubieren. 10. Konzentrationsbestimmung von DNA: Vin der DNA-Lösung eine 1:70 Verdünnung in einem Endvolumen von 350 µL herstellen. Anmerkungen: Die Konzentration der DNA-Lösungen wird durch Absorption bei 260 nm (OD260) bestimmt. Eine Absorption bei 260 nm von 1 entspricht ca. 50 µg/mL doppelsträngige DNA (bei einer Schichtdicke der verwendeten Quarzküvette von 1 cm). Zur Überprüfung der Reinheit wird zusätzlich die Absorption bei 280 nm (OD280) bestimmt. Das Verhältnis OD260/OD280 beträgt bei reinen Nukleinsäurelösungen ca. 2,0. Verunreinigungen durch Proteine verringern diesen Wert. 3.1.2 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR=Polymerase Chain Reaction) ermöglicht eine enzymatische Amplifikation von DNA-Fragmenten in vitro. Diese Methode wurde 1987 von Karl Mullis entwickelt (Mullis & Faloona (1987), Methods Enzymol. 155, 335-350). Die Polymerase-Kettenreaktion besteht im Wesentlichen aus drei Schritten: Denaturierungsschritt: Im ersten Schritt wird die DNA denaturiert, d.h. die DNA-Doppelstränge werden durch Erhitzen in Einzelstränge getrennt. Dies geschieht sehr schnell bei einer Temperatur zwischen 90-92°C. Bei DNA mit extrem hohen GC-Gehalten empfiehlt sich eine Denaturierung bei 94°C. Annealing-Schritt: Primer hybridisieren mit der Einzelstrang-Ziel-DNA und definieren so das zu amplifizierende Fragment. Primer sind kurze DNAStücke (sog. Oligonukleotide), die als Starthilfe für die DNAPolymerasenreaktion dienen. Sie sollten möglichst spezifisch für bestimmte 10 Abschnitte der Ziel-DNA sein. Die Annealing-Temperatur ist wichtig für die Spezifität und ergibt sich aus der Basensequenz der verwendeten Primer (s.u.). Man sollte mit niedrigen Annealing-Temperaturen starten und die Temperatur erhöhen, wenn unspezifische Banden in der Agarose-Gelelektrophorese (s.u.) erscheinen. Vorteile einer hohen Annealing-Temperatur sind neben der erhöhten Spezifität auch die Möglichkeit, diesen Schritt nahe der optimalen Polymerisations-Temperatur - also zusammen mit dem letzten Schritt, der DNA-Synthese - durchzuführen (Two-step PCR). Durch hohe AnnealingTemperaturen werden zudem die Aufheiz- und Abkühl-Phasen und damit die gesamte PCR-Reaktion beschleunigt. Polymerisationsschritt: Bei 72°C erfolgt die DNA-Synthese, wobei die Syntheserate bei den am Markt gängigen DNA-Polymerasen ca. 1 kB/min beträgt. Wichtige Faktoren, die die Ausbeute und Spezifität der PCR-Reaktion stark beeinflussen, sind: Magnesium: Geringe Magnesiumkonzentrationen können die Spezifität erhöhen. 1-2 mM über der Gesamtnukleotid-Konzentration ergeben gewöhnlich gute Ergebnisse (Nukleotide chelatieren Magnesium). Nukleotide: Mindestens 25 µM jedes Desoxynukleosid Triphosphats (dNTP) sollten eingesetzt werden. Höhere Konzentrationen können die Ausbeute erhöhen. Primer: Die Spezifität der Primer steigt mit zunehmender Länge nur dann, wenn auch die Annealing-Temperatur zunimmt. Mindestens 0,1 µM Primer sollten zugesetzt werden. Hohe Primer Konzentrationen erhöhen die Ausbeute, können aber zu unspezifischen Produktbildungen führen. Wir verwenden zwei für das -Amylase-Gen aus Gerste (Hordeum vulgare, GenBank accession no. M17125) spezifische Primer: Forward-Primer: 5'-CCT CCT TGG CCT CTC GTG CAG C-3' Reverse-Primer: 5'-CGG CAT AGT CAT TGC CAT GCG C-3' Die Annealing Temperatur lässt sich bei Primern mit <30 Basen nach folgender Formel berechnen: Tm = 69,3 + 0,41 * (GC%) - 650 / (Länge des Primers bp) Die Annealing-Reaktion sollte 2-5°C unterhalb des durchschnittlichen Tm der beiden verwendeten Primer durchgeführt werden. Sie werden in diesem Versuch die Abhängigkeit der PCR-Reaktion von verschiedenen Faktoren (z.B. Einfluss der eingesetzten Menge an genomischer DNA oder Primer) untersuchen. Equipment: 200 µl PCR-Gefäße, Automatische Gilson-Pipetten (0-20 µl, 0-100 µl), Eisbad, Vortex-Mixer, Mikrozentrifuge, Programmierbaren Thermocycler mit heizbarem Deckel (siehe Abbildung links). Reagenzien: Werden gestellt. Durchführung: 1. Folgende Bestandteile des PCR-Ansatzes werden als Master-Mix für 5 Ansätze auf Eis zusammenpipettiert: 10 µl 10xPCR-Puffer (mit 15 mM MgCl) 11 10 µl DMSO (30 %) 10 µl dNTPs (jeweils 2 mM) [10 µl Forward-Primer (FP), s.o. (Standard: 2 pmol/µl)] [10 µl Reverse-Primer (RP), s.o. (Standard: 2 pmol/µl)] 10 µl DNA-Polymerase (0,25 Unit/µl) [40 µl DNA-Template (Standard: 10 µg)] 2. Master-Mix gut mixen und auf vier PCR-Gefäße (12µl pro Gefäß bei variabler DNA-Template bzw. 16 µl bei variabler Primer Konzentration) verteilen. 3. bei Versuch a. Einfluss der DNA-Template-Menge auf die PCR das DNA Template so verdünnen, dass sich entweder 0, 200 pg, 20 ng oder 2 µg DNA in 8 µl befinden oder für Versuche b. Einfluss der Primer auf die PCR z.B. 2 µl FP und 2 µl RP, 2 µl FP und 2 µl H2O, 2 µl RP und 2 µl H2O, oder 4 µl H2O zu den entsprechenden Master-Mixen hinzugeben. Das Gesamtvolumen pro Ansatz beträgt 20 µl. 4. Der Thermocycler wird mit folgendem Temperaturprogramm programmiert: 1. Schritt: 94°C für 5 min, 2. Schritt: 94°C für 30 s, 3. Schritt: 60°C für 30 s, 4. Schritt: 72°C für 2 min, 5. Schritt: 72°C für 5 min. Die Schritte 2-4 werden 35 mal wiederholt. 5. Die vier Ansätze werden in 35 Zyklen amplifiziert. 6. Nach Abschluss des PCR-Laufes (nach ca. 2 h) werden die Proben entweder direkt für die Agarose-Gelelektrophorese vorbereitet, oder aber bei -20°C gelagert. 3.1.3 Reagenzien: Equipment: Analyse der PCR-Produkte mittels Agarose-Gelelektrophorese Die Analyse und Auftrennung von Nukleinsäuren erfolgt mit Hilfe der Gelelektrophorese, mit deren Hilfe geladene Moleküle in einem elektrischen Feld getrennt werden. DNA-Moleküle sind wegen ihres Zucker-Phosphat-Rückgrats negativ geladen und wandern zur Anode (positiver Pol). Je größer die Moleküle sind, desto langsamer wandern sie. Dies geschieht in einer elektrisch neutralen Gelmatrix aus Agarose. Mit der Agarose-Konzentration (zwischen 0,5 und 2%) lässt sich die Porengröße beeinflussen. Zur Trennung relativ kleiner Moleküle, wie in unserem Fall, eignen sich Agarose-Konzentrationen von 1,0 bis 1,7%. Agarose, 50xTAE-Puffer: 2 M Tris plus 50 mM EDTA, pH 7,8 mit konz. Essigsäure einstellen (wird gestellt), Beschwererlösung: 40% Sucrose (w/v) in H2Obidest plus 0,25% Bromphenolblau, DNA-Längenstandards: 0,1 µg/µl Standard DNA in 20% Beschwererlösung, GelRed-Färbelösung: 1:3300 (v:v). Mikrowelle, Flachbett-Gelelektrophorese-Apparatur (siehe Abbildung links), Power-supply, Automatische Pipette (10 µl) plus Pipettenspitzen. 12 Durchführung: 1. Gießen des Agarose-Gels: Zur Herstellung eines 1,0%igen Agarosegels werden 0,5 g Agarose mit 50 mL 1xTAE-Puffer versetzt. 2. Flachbett Geltray mit Tesa-Krepp an den offenen Rändern abkleben und den "Kamm" mit der gewünschten Anzahl an "Zähnen" (8 oder 11) an geeigneter Position auf das Tray stecken. Die "Zähne bilden später die "Geltaschen" im Agarose-Gel. 3. In der Mikrowelle kurz aufkochen lassen, vorsichtig schütteln (Vorsicht: heiß!), erneut aufkochen bis sich die Agarose gelöst hat. 4. Die Agarose-Lösung auf 50°C abkühlen lassen. Dann die Agarose-Lösung in das vorbereitete Flachbett Geltray gießen und 30 min abkühlen lassen. 5. Das Tesa-Krepp entfernen, das Gel in die Elektrophorese Kammer platzieren und mit 1x TAE-Puffer überschichten. Der Kamm wird jetzt vorsichtig aus dem Gel entfernt, die Geltaschen füllen sich dabei mit TAE-Puffer. 6. Beladen des Gels: Die zu analysierenden PCR-Proben aus 3.1.2 werden mit 20 Vol.% (4 µL) Beschwererlösung versetzt, durchmischt und auf Eis gekühlt. In der äußersten linken Geltasche wird 0,8 µg DNA-Längenstandard aufgetragen, daneben je 10 µL der PCR-Proben. 7. Die Gelkammer wird an das Power-Supply angeschlossen. Die Elektrophorese erfolgt für ca. 1½ h bei 80 V (30-35 mA). Sie ist beendet, wenn das Bromphenolblau ca. 2/3 des Gels durchwandert hat. 8. Anfärben des Gels: Das Gel wird in der GelRed-Färbelösung für ca 15 min gefärbt und anschließend 5 min in H2O entfärbt. Bemerkungen: Handschuhe tragen, Hautkontakt vermeiden! 9. Das Gel wird auf einem UV-Transluminator gelegt und mit UV-Licht der Wellenlänge 254 nm durchstrahlt. Die fluoreszierenden DNA-Banden werden mit einer Video-Kamera aufgenommen und in einem geeigneten Programm am PC ausgewertet. Auswertung: Wie groß waren Ihre Ausbeuten an genomischer DNA? Wie hoch ist die errechnete Annealing Temperatur der verwendeten Primer? Welche Größe erwarteten und welche Größe erzielten Sie für Ihr PCRFragment? Wie lässt sich dieser Versuch Ihrer Meinung nach optimieren? 3.2 Gibberellinsäure induzierte Amylase Expression im Getreideendosperm Wird in Gerstenkörnern die eigene Gibberellin Produktion durch Entfernen des Embryos unterbunden, ist die Expression der -Amylase-Gene im restlichen Endosperm von zugegebenem Gibberellin abhängig. Die Aktivität der Amylase ist dem Logarithmus der Gibberellin Konzentration proportional. Diese Wirkung wird vielfältig als sehr empfindlicher Biotest für das Pflanzenhormon genutzt. Abscisinsäure hingegen wirkt antagonistisch zu Gibberellin. Wir wollen in diesem Versuch den Einfluss von Gibberellinsäure und die Abscisinsäure auf die -Amylase Induktion verfolgen und die Genexpression auf Transkriptions- und Translationsebene untersuchen. 3.2.1 Induktion der Amylase-Synthese Pflanzenmaterial: ca. 50 Gerstesamen (Hordeum vulgare L.) Reagenzien: ca. 500 ml H2Obidest, steril, ca. 100 ml Acetat/CaCl2-Puffer, steril: (1 mM Acetat mit 10 mM CaCl2; pH 13 4.8): zur Herstellung des Puffers wird Lösung A: Natriumacetat (1 mM) mit CaCl2 (10 mM), durch Zugabe von Lösung B: Essigsäure (1 mM) mit CaCl2 (10 mM) auf pH 4.8 eingestellt, GA3-Lösung: Gibberellinsäure wird in einem sauberen Gefäß in sterilem Acetat/CaCl2-Puffer gelöst (10 µg/mL, Stammlösung mit 1 mg/ml in Ethanol wird gestellt), ABA-Lösung: Abscisinsäure in sterilem Puffer ansetzen (100 µg/mL, Stammlösung mit 1 mg/mL in Ethanol wird gestellt), Actidion: (2 mg/mL) hemmt die Translation, wird gestellt. Equipment: Rasierklingen (Heftpflaster), mehrere sterile Erlenmeyerkolben (50 mL, mit Alufolie versehen!), mehrere sterile Pipetten (5 mL; 2 mL; 0,1 mL), sowie einige Vorratsgefäße für die Hormonlösungen. Durchführung: 1. Eine ausreichende Menge an Gerstesamen werden quer halbiert. Die embryoenthaltenden (Spelzen zu) und embryofreien, rauen (Spelzen offen) Hälften sind dabei streng auseinander zu halten. 2. Die halbierten Kornhälften werden kurz in 70% Ethanol sterilisiert und anschießend 2x mit sterilem H2O gewaschen. 3. Streng getrennt nach embryoenthaltenden und embryofreien Hälften werden die Gerstenhalbsamen in sterile Erlenmeyerkolben gegeben und mit den angegebenen Lösungen versetzt: 4,0 mL Acetat/CaCl2 + 10 Halbsamen mit Embryo 4,0 mL Acetat/CaCl2 + 10 Halbsamen ohne Embryo 3,8 mL Acetat/CaCl2 + 200 µL GA3-Lösung + 10 Halbsamen ohne Embryo 3,6 mL Acetat/CaCl2 + 200 µL GA3 + 200 µL ABA + 10 Halbsamen ohne Embryo 3,6 mL Acetat/CaCl2 + 200 µL Actidion + 10 Halbsamen ohne Embryo, nach mindestens 30 min Inkubation zusätzlich 200 µL GA3 Vorsicht! Actidion ist sehr giftig! Handschuhe tragen, Hautkontakt vermeiden! 4. Alle Kolben werden für 1 d bei 25°C unter Schütteln inkubiert und danach wie nachfolgend beschreiben weiter verarbeitet. 3.2.2 Reagenzien: Equipment: Amylase Extraktion, Enzymtests, und Eichgeraden Acetat/CaCl2-Puffer, wie unter 3.2.1, Stärkelösung: 50 mg Kartoffelstärke, 300 mg KH2PO4 und 10 mg CaCl2 werden in 50 ml H2Odest. gelöst und 1 min lang gekocht. Die Lösung wird nach dem Abkühlen gegebenenfalls zentrifugiert. Der klare Überstand wird vorsichtig vom Niederschlag abgegossen und aufgehoben, Jodjodkalium/HCl: 0,6 g KJ und 0,06 g Jod werden unter dem Abzug kurz gemörsert und in 10 mL Wasser gelöst. Die Lösung wird in einer braunen Flasche aufbewahrt (Stammlösung wird gestellt). Unmittelbar vor Gebrauch wird 0,5 mL dieser Lösung zu 49,5 mL 0,05 N HCl gegeben und gut eingemischt. Binokular, Mörser und Pistill, Wasserbad 25°C, Spektrophotometer, Tischzentrifuge, Reagenzgläser, mehrere Pipetten (5 mL; 2 mL; 0.1 mL). 14 Durchführung: 1. Schauen Sie sich von den ersten vier Ansätzen jeweils einen Halbsamen unter dem Binokular an und skizzieren Sie ihre Beobachtungen! Anmerkungen: In der Abbildung links sind embryofreie Gerstenhalbsamen dargestellt, die in Wasser (oben rechts), in 10-9 M GA3 (Mitte) oder in 10-7 M GA3 (unten links) für 2 d inkubiert wurden. 2. Die Halbsamen werden nach der Inkubationszeit zusammen mit dem Inkubationsmedium und einer Spatelspitze Seesand in einen Porzellanmörser gegeben und mittels Pistill auf Eis homogenisiert. Das Rohhomogenat wird möglichst vollständig in Glaszentrifugenröhrchen auf Eis überführt und der Mörser mit 2 mL Puffer nachgespült. Anmerkung: Zwischen den Homogenisationen der einzelnen Inkubationsansätze müssen Mörser und Pistill jedes Mal gründlich gereinigt werden. 3. Die 5 Rohhomogenate werden für 10 min bei 4000 rpm und 4°C zentrifugiert und die erhaltenen Überstände mit Pasteurpipetten in saubere eisgekühlte Reagenzgläschen überführt und auf Eis gelagert. Das so erhaltene Homogenat wird für den -Amylase Enzymtest eingesetzt. 4. Jeweils 500 µL der 5 Homogenate mit Acetat/CaCl2-Puffer auf 1 mL auffüllen. 5. Die Testansätze und die Stärkelösung werden 5 min lang bei 25°C im Wasserbad äquilibriert (besonders wichtig bei quantitativen Bestimmungen): 6. Start der Enzymreaktion: Zum Testansatz 1 mL der Stärkelösung geben, sofort gut einmischen und ins Wasserbad zurückstellen. 7. Stopp der Enzymreaktion: 5 min nach dem Start 1,0 mL Jodjodkalium/HCl zugeben und gut vermischen. Anmerkungen: Durch Jodjodkalium/HCl werden die Enzyme inaktiviert, und die Reaktion hört sofort auf. Die noch vorhandene Stärke bildet mit JJK einen blaugefärbten Komplex. Die Extinktion der Proben wird bei 620 nm gegen Wasser gemessen. Es ist darauf zu achten, dass unmittelbar nach dem Abstoppen gemessen wird. Vor dem Eingießen in die Messküvetten müssen die Proben gut aufgewirbelt werden, da der Jod-Stärke-Komplex mit ausgefallenen Proteinen aggregiert und langsam zu Boden sinkt. Es ist darauf zu achten, dass für die Auswertung nur solche Messwerte brauchbar sind, bei denen die Extinktion ungefähr im Bereich von 0,2 bis 1,0 liegt. Sollte dies nicht der Fall sein, ist die eingesetzte Homogenatmenge entsprechend zu variieren. Eichgeraden: 8. Herstellen einer Stärke-Eichgeraden: 7 Reagenzgläser werden mit einer ansteigenden Reihe Stärkelösung von 0, 0,05, 0,1, 0,15, 0,2, 0,3, bzw. 0,4 mL gefüllt, mit Acetat/CaCl2-Puffer auf ein Volumen von 2 mL gebracht und dann mit jeweils 1 mL Jodjodkalium/HCl versetzt. Auswertung: Auftragen der Eichreihe. Bestimmen Sie mit Hilfe der Eichgeraden die Menge an abgebauter Stärke (in mg/min/10 Halbsamen) für die 5 Testansätze. Bedenken Sie dabei, dass die photometrisch ermittelten Stärkemengen in den Enzymtests die nicht umgesetzte Stärke darstellen! Was lässt sich aus Ihren Beobachtungen zur Regulation der -Amylase Genexpression aussagen? Literatur: L. Taiz & E. Zeiger, Plant Physiology, Sinauer Associates, Inc., Publishers, 5th ed. 2010 - Das Kapitel "Gibberellins" wird empfohlen. 15 Anhang: -Amylase Gen (Nukleinsäuresequenz und abgeleitete Aminosäuresequenz) aus GenBank accession no. M17125). Die Exons sind fett dargestellt, die verwendeten Primer sind unterstrichen! 1 61 121 181 241 301 1 361 21 421 481 30 541 49 601 69 661 89 721 109 781 129 841 149 901 169 961 189 1021 209 1081 229 1141 249 1201 269 1261 289 1321 309 1381 329 1441 1501 347 1561 354 1621 374 1681 394 1741 414 1801 1861 1921 1981 gaattctgaagttcaggaggataagtgacagtgctattggccggtgccttctcatcgaag ccggtgctcatcattcgccttttgagctcaccgcaccggccgataacaaactccggccga catatccatcgatgcaccggcccaacggagcattgaagccgaacacaccggaatatgttc tgcaagttgcccaccggcatgctccagcacactatatatacctggccagacacaccagct gaatccatcagttctccatcgtcctcatcttccagagcacagctagctagagctcaagat catggcgaacaaacacatgtccctctcgctcttcctcatcctccttggcctctcgtgcag M A N K H M S L S L F L I L L G L S C S cttggcctctgggcaagtcctgtttcaggtaagactaagatcttgatcatcttgtccgat L A S G Q V L F Q cggcaagcgctagtccgctcctgggttttgtactgagctttgggttctgctgcgctcgac agggttttaactcggagtcgtggaagcacaatggcgggtggtacaacttcctgatgggca G F N S E S W K H N G G W Y N F L M G aggtggacgacatcgccgccgccggcatcacgcacgtgtggctccccccggcgtcgcagt K V D D I A A A G I T H V W L P P A S Q ccgtcgccgagcaagggtacatgccgggccggtactacgacctggacgcctccaagtacg S V A E Q G Y M P G R Y Y D L D A S K Y gcaacaaggcgcagctcaagtccctcatcggcgcgctccacggcaaggccgtcaaggcca G N K A Q L K S L I G A L H G K A V K A tcgccgacatcgtcatcaaccaccgcacggcggagcgcaaggacggccggggcatctact I A D I V I N H R T A E R K D G R G I Y gcatcttcgagggcggcaccccggacgcgcgccgcgactggggcccccacatgatctgcc C I F E G G T P D A R R D W G P H M I C gcgacgaccggccctaccctgacggcaccggcaacccggcaacccggagacgcgccgact R D D R P Y P D G T G N P A T R R R A D tcggggccgcgccggacatcgaccacctcaacccgcgcgtccagaaggagctcgtcgagt F G A A P D I D H L N P R V Q K E L V E ggctcaactggctcaggaccgacgtcggcttcgacggctggcgcttcgacttcgccaagg W L N W L R T D V G F D G W R F D F A K gctactccgcggacgtggccaagatctacgtcgaccgctccgagcccagcttcgccgtcg G Y S A D V A K I Y V D R S E P S F A V ccgagatatggacgtcgctggcgtacggcggggacggcaagccgaacctcaaccaggacc A E I W T S L A Y G G D G K P N L N Q D cgcaccggcaggagctggtgaactgggtgaacaaggtgggcggctccggccccgccacca P H R Q E L V N W V N K V G G S G P A T cgttcgacttcaccaccaagggcatcctcaacgtggccgtggagggcgagctgtggcggc T F D F T T K G I L N V A V E G E L W R tgcgcggcaccgacggcaaggcgccgggcatgatcgggtggtggccggccaaggcggtga L R G T D G K A P G M I G W W P A K A V ccttcgtcgacaaccacgacaacggctccacgaagcacatgtggcccttcccttccgaca T F V D N H D N G S T K H M W P F P S D gggtcatgcagggatatgcctacatcctcacgcacccagggaacccatgcatcgtgagcg R V M Q G Y A Y I L T H P G N P C I tcatcctaccaatacatcatatcaaaattttttgttcttttttccgttcataacaagaaa tcatgaacgaactgatggaaaataattgtgattcttcagttctacgatcatttcttcgac F Y D H F F D tggggcttgaaggaggagatcgatcgtctggtgtcaatcaggacccgacaggatatacac W G L K E E I D R L V S I R T R Q D I H agtgagagcaagctgcagatcatggaggccgacgccgacctttaccttgccgagatcgac S E S K L Q I M E A D A D L Y L A E I D ggcaaggtcatcgtcaagctcgggccaagatacgatgtcggacacctcattcctgaaggc G K V I V K L G P R Y D V G H L I P E G ttcaaggtggtcgcgcatggcaatgactatgccgtatgggagaaagtataaagcaaaatt F K V V A H G N D Y A V W E K V * aacggagcggctctacaaattagtccgagctcgtgttgtccacatagtacgattttagta cttcctccatgtaaaaaaggaggatgagggacatccattgtatttttcataaataataca ataatcaataagcattttcgctacccatggtttagtcgatgttcgtttaccacaaagtgt aactccaagctt