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JP3573130B2 - Highly efficient genome scanning - Google Patents

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JP3573130B2
JP3573130B2 JP2001525196A JP2001525196A JP3573130B2 JP 3573130 B2 JP3573130 B2 JP 3573130B2 JP 2001525196 A JP2001525196 A JP 2001525196A JP 2001525196 A JP2001525196 A JP 2001525196A JP 3573130 B2 JP3573130 B2 JP 3573130B2
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信二 川崎
隆夫 小松田
吉郎 間野
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
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Description

技術分野
本発明は、多数の核酸試料を高効率で電気泳動し、目的とする核酸を検出するための方法および該方法に用いられる電気泳動装置に関する。本発明の方法は、ゲノムDNAの多型の検出、遺伝分析、遺伝子地図作製、および生物の全ゲノムを覆うコンティグないしは物理地図の作製において特に有用である。
背景技術
生物の品種等の間での違いを核酸レベルで検出しようとする際、これまではRFLP(Restriction Fragment Length Polymorphism)法やRAPD(Randomly Amplified Polymorphic DNAs)法等の手法が主として用いられてきた。しかしながら、RFLP法は、多量のDNA試料を必用とする上に、特定遺伝子近傍のマーカーを検索するためにはその生物に対する既存のRFLPマーカーを基に作製したゲノム地図が不可欠である。しかも、この地図の作製には長い時間と膨大なコストと人員とが必用であり、十分な密度でRFLPマーカーを持った遺伝子地図を備える生物は極めて限られている。一方、RAPD法による多型の検出は、比較的多数の試料に対応しやすいが、一度に安定して得られるバンドの数は数本程度と限られている。この場合に、PCRの条件を緩めて得られるバンドの数を増やそうとすると、得られる多型バンドの再現性が低下するという問題点も有する。
最近はAFLP(Amplified Fragment Length Polymorphism)法が一度に多数の(50-100以上の)バンドを比較でき、試料のDNAの消費量も少なく、得られるバンドの再現性も高いことから良く用いられるようになってきた。しかし、この原法は40-50cmに及ぶ大型のシークエンスゲルを用い、また、アイソトープによるオートラジオグラフによる核酸バンドの検出を行う等、多くの経験を必用とする作業である上に、使用条件が限られ、検出にも時間がかかり、かつそれほど多数の試料を分析できない(1回に数十程度)という欠点があった。
最近では、バンドを蛍光プライマーを用いたPCRと自動シークエンサーとにより、比較的簡便に検出する手法が開発されたが、この手法に用いるシークエンサーは高額(1-2千万円以上)であり、しかも、この方法による実験においては長時間に亘り、本来、遺伝子の塩基配列の決定に用いる機械を占有してしまう。さらに、この手法におけるバンドの検出は、自動シークエンサーを用いるシステムで行なわれることを前提としているため、検出後に目的のバンドを単離して解析することができない。このため、検出されたバンドを、SCAR(Sequence Characterized Amplified Region)マーカーとして、特異的プライマーにより簡便に検出することができない点が大きな問題である。また、現在供給されている蛍光プライマーは、8-9種類づつで、全て組み合わせても64-81のプライマー対の組み合わせしか得ることができない。
また、ゲノム全体にわたる多型バンドを一度の検出する方法として、RLGS(Restriction Landmark Genome Scanning)法も挙げられるが、この方法においてもラジオアイソトープを用いており、微量のマーカーの検出のために数日を要する上に、1試料毎に巨大(40×30cm)なゲルや長く細いアガロースゲルを扱う必用がある。このため、この方法では腕力と十分な経験とを必用とする。また、この方法ではアガロースゲル中で核酸の制限酵素切断を行うために、大量の高額な制限酵素を用いる必用があり、高いコストがかかるという問題点も存在する。
イネのゲノム(450MB)についてRLGS法を実施する場合を例にとれば、標識部位の限定に用いる8塩基切断酵素がNot I等限られたものしか用いることができない上、1回の電気泳動で得られるドットの上限理論値が450MB÷48=13,700であり、実際は電気泳動の性質上、この1/3〜1/6程度の2,000〜4,000のドットしか得られない。しかも、比較すべき個体同士が別々のゲルで電気泳動されるため、泳動パターンがずれる場合が多く、相互の比較には高価な大型スキャナーと2次元泳動ソフトとが必要となる。
一方、全ゲノムをカバーする隣接クローンが互いの重複により整理、接続されたゲノムライブラリーの作製においては、初期の頃は、RFLPマップ等の既存の地図のマーカーを利用する試みがなされていた。しかしながら、高密度マップといわれるものでもせいぜい2,000程度のマーカーがあるに過ぎず、イネ程度の小さなゲノム(450MB)を持つものでも、平均200KB/バンド以上の密度でしかないため、全ゲノムをカバーするコンティグを作製するにはまばらすぎ、またこれだけの数のRFLPマーカーの検索のためには膨大な人員とコストと時間がかかる。
最近はライブラリー構成クローンを適当な制限酵素で切断した断片を高分解能のゲルで泳動して、そのパターンを全てデジタル化してデータベースとして取り込み、コンピュータ上で共通パターンを持つクローン同士を組み合わせて、全ゲノムをカバーするコンティグに組み上げる手法が良く用いられる。しかしながら、この手法においても全クローンを切断後末端を放射標識してオートラジオグラフィーを行なうという膨大な労力とコストとが必要になる。
発明の開示
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、大量の核酸試料を効率的かつ廉価で電気泳動し、目的の核酸を検出するための方法および該方法のための電気泳動装置を提供する。また、本発明は、該方法の好ましい利用の態様において、該方法を利用したゲノムDNAの多型の検出法、遺伝分析法、遺伝子地図作製法、特定のバンドに対するゲノムクローンの同定法および全ゲノムをカバーする整列化したコンティグの集合の作製法を提供する。
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行なった結果、従来、タンパク質の電気泳動に一般的に用いられている小型のゲルを利用した電気泳動法が、大量の核酸を効率的に電気泳動し、目的の核酸を検出するのに好適に用いることができるのではないかと考えた。
そこで、本発明者らは、核酸を電気泳動するための電気泳動装置であって10〜30cm角のゲル板を同時に複数枚装備して電気泳動を行なうことができ、かつ、ゲル板1枚当たり32以上の核酸試料を同時に電気泳動することができる電気泳動装置を独自に製作し、この電気泳動装置を用いて、イネいもち病菌の非病原性遺伝子およびイネのカマイラズ変異体遺伝子の近傍の核酸マーカーの検索を行なった。その結果、この方法により、従来法のRAPD法で検索を行なった場合と比較して、顕著に高効率で多型バンドを検出しうることを見出した。
また、検出された多型バンドにつき連鎖分析を行なった結果、検出された多型バンドのうち特に標的遺伝子の近傍に位置付けられるバンドについても、この方法によれば、従来法に比して、はるかに効率的に得られることを見出した。
さらに、この方法は、上のような手法で見出された各種の重要な多型バンドを単離して特異的に増幅させる上でも役立つことが示された。例として、本発明者等は、この方法により、精米主用10品種を識別する多数のバンドを単離し、実際にその中のあきたこまちに特異的なバンドの配列情報からプライマーを設計し、精米主用10品種から得たゲノムDNAを鋳型にPCRを行なった。その結果、あきたこまちにのみPCRによる特異的な増幅産物が検出されることを見出した。即ち、本発明の方法によればイネ品種間の識別を簡便に行なうための多型バンドを効率的に得ることもできることが示された。
さらに、本発明者等は、この方法によれば、生物の遺伝子地図の作製や生物の全ゲノムをカバーするコンティグのための核酸マーカーを得ることも可能であることを見出した。
従って、本発明は、大量の核酸試料を効率的かつ廉価で電気泳動し検出するための方法および該方法のための電気泳動装置並びにそれらの利用に関し、より具体的には、
(1) 核酸を電気泳動する方法であって、
(a)10〜30cm角のゲル板を同時に複数枚装備して電気泳動を行なうことができ、かつ、ゲル板1枚当たり32以上の核酸試料を同時に電気泳動することができる電気泳動装置を用いて、核酸試料を電気泳動する工程、および
(b)電気泳動後のゲル上の核酸のバンドを検出する工程、を含む方法、
(2) 不連続緩衝液型のゲルを用いて電気泳動を行う、(1)に記載の方法、
(3) 核酸試料が変性処理による2本鎖DNAの解離により調製された1本鎖DNAであり、変性ゲルを用いて電気泳動を行う、(1)に記載の方法、
(4) ゲル上の核酸のバンドの検出を蛍光染色または銀染色により行なう、(1)に記載の方法、
(5) 被検個体間のゲノムDNAの多型を検出するために実施する、(1)、(2)、(4)のいずれかに記載の方法、
(6) 被検個体間のゲノムDNAの多型を検出するために実施する、(3)に記載の方法、
(7) 核酸試料がAFLP法により増幅されたDNA断片である、(5)に記載の方法、
(8) 核酸試料がヘテロ2本鎖DNAである、(5)に記載の方法、
(9) 多型を示すDNA断片を調製する方法であって、(5)から(8)のいずれかに記載の方法において検出された多型を示すDNA断片をゲルから単離する工程を含む方法、
(10) (9)に記載の方法により単離された被検個体間で多型を示すDNA断片、
(11) 遺伝分析を行なうために実施する、(1)から(8)のいずれかに記載の方法、
(12) 遺伝分析がF2分析、RI(recombinant imbred)分析、またはQTL(Guantitative Traits Loci)分析である、(11)に記載の方法、
(13) 生物の遺伝子地図の作成のために実施する、(1)から(8)のいずれかに記載の方法、
(14) (13)に記載の方法により検出された多型を示すゲノムDNAのバンドをマーカーとして作成された生物の遺伝子地図、
(15) (1)から(8)のいずれかに記載の方法により検出されたゲル上の特定の核酸のバンドに対応するクローンをゲノムDNAライブラリーから選択する方法であって、
(a)特定の生物のゲノムDNAライブラリーを、それぞれが該生物の1ゲノム以下のサイズの複数のサブライブラリーに分割する工程、
(b)それぞれのサブブラリーに含まれる全クローンに対し、サブライブラリーの行、列、プレートの番号を振り付ける工程(ここで行、列、プレートをそれぞれ座標X、座標Y、座標Zとする)、
(c)全てのプレートの特定の行を示すクローン(座標Xクローン群)、および全てのプレートの特定の列を示すクローン(座標Yクローン群)、および1つのサブライブラリーの特定のプレート上の全てのクローン(座標Zクローン群)をそれぞれ集めて別々にDNAを抽出して座標サンプルとし、対照として該生物から調製したゲノムDNAを用意し、座標サンプルと対照とを並べて請求項1から4のいずれかに記載する方法で電気泳動し、バンドを検出する工程、
(d)対照における目的の核酸のバンドとゲル上での泳動度が一致するバンドが、座標Xクローン群、座標Yクローン群、および座標Zクローン群のそれぞれのクローン群の中のどの座標のクローンであるかを決定する工程、
(e)決定された3次元座標に対応するクローンをサブライブラリーから選択する工程、を含む方法、を含む方法、
(16) 特定の生物の全ゲノムDNAを覆うコンティグを作成するために実施する、(15)に記載の方法、
(17) 核酸を電気泳動するための電気泳動装置であって、10〜30cm角のゲル板を同時に複数枚装備して電気泳動を行なうことができ、かつ、ゲル板1枚当たり32以上の核酸試料を同時に電気泳動することができる電気泳動装置、を提供するものである。
1.電気泳動法および電気泳動装置
本発明の電気泳動装置は、小型のポリアクリルアミドゲル(10〜30cm角、標準では18cm角)を装着し得る電気泳動装置であって、ゲル1枚につき32以上(標準では64)の試料と数本(標準では2-4本)のサイズマーカーを同時に電気泳動することができると共に、これを2枚以上(標準では4枚)泳動することにより、多数の(標準では265)試料を同時に電気泳動することを可能にするものである。本発明で用いる電気泳動装置の1例を図1から4で示すが、この電気泳動装置では1枚の18cm角のガラスで作製される1mm厚のゲルで66のウェルにより64サンプルと2つのサイズスタンダードとを同時に流すことができ、しかも1台の泳動装置で4枚のゲルを同時に電気泳動することができる。これにより、1度に256サンプルを同時に泳動することができる。
ゲルは、通常タンパク質の電気泳動に用いる不連続型のポリアクリルアミド電気泳動システム(Laemmli,U.K.(1970)Nature 227:680-685)を用いることができ、これにより10μlに及ぶサンプルを1mmの狭い幅のレーンでも高分解能で泳動することができ、バンドの検出の感度も向上する。
本発明の核酸の電気泳動法においては、ゲル上での核酸のバンドの分解能を向上させるために、濃縮ゲル(Tris-HCl pH6.8,0.5M)と分離ゲル(Tris-HCl pH8.8,1.5M)とを用いて2層型の電気泳動を行うことが好ましい。また、核酸の電気泳動については、二本鎖のまま泳動することも、変性させた後一本鎖として泳動することも目的に応じて可能である。この場合、変性ゲル(6〜8.5Mの尿素を含んだゲル)で電気泳動を行なう。核酸の多型を検出する場合においては、ヘテロ2重鎖として電気泳動することにより、通常は検出できないような小さな多型も、高感度で検出することができる。
本発明の核酸の電気泳動法における、電気泳動後の核酸のバンドの検出には、銀染色法や蛍光染色法を用いることが好ましい。銀染色法を用いれば、短時間(1-2時間)で、高感度の検出を行うことができる。しかも、アイソトープを用いる方法に比して経験を必要とせず、また、安全であり、かつそのまま乾燥させれば、試料として保存できると共に、より感度をあげることができる。蛍光染色を用いれば、30分程の染色で結果を見ることができる他、バンドの切り出しや回収のためには核酸の回収率が高く優れている。
本発明の方法においては、例えば、8×12の96穴型マイクロプレートの穴と同じ間隔(9mm)に2レーン以上を流せるように電気泳動のゲルコームを設計することで、増幅されたDNAサンプル等をゲルにロードする際の操作効率を大幅に向上させることができる。
2.核酸マーカーの検出
本発明の方法により核酸の多型を検出しようとする場合には、AFLP(Amplified Fragment Length Polymorphism:Vos P,et al.(1995)Nucleic Acids Research 23:4407-4414)と組み合わせる場合が最も効率が高いと考えられるが、その他の各種の核酸の多型検出法と組み合わせることも可能である。
例えば、AFLP法を利用すれば、イネ(450MB)程度のサイズのゲノムでは6塩基切断側と4塩基切断側を両側に持つゲノム断片を増幅するためのプライマーにおいては、両側で3塩基づつの選択ヌクレオチドを用いた場合、1レーン当たり約50本の増幅バンドが得られることになる(下式参照)。標準的な4ゲル256サンプルレーンからなるシステムでは約12,800本のバンドが1回の泳動で得られることになる(実施例2)。
全ゲノムサイズ÷6塩基制限酵素による切断面の数÷ゲノム断片の両側の3ヌクレオチドよる選択率=バンド数
(450MB÷46×2÷43×2≒50)
これはRLGS法を実施する場合のゲル数枚分の情報量に匹敵し、しかも比較すべきレーンを隣同士に並べることができるので、特殊な読みとり装置等を用いずに生のデータで直接容易に比較することができる。
図6(実施例2)に示した通り、イネのゲノムDNAをEcoR IとMse Iとで切断して得られた実際のAFLPの実験例からも、上記の計算により見積もられた数に近いバンド数が得られているが、特に明確なバンドはこの半数程度である。
96サンプル用の0.2mlマイクロプレートを用いて5-10μlでのPCRを行うことにより、耐熱性DNAポリメラーゼ等酵素やヌクレオチドのコストを低く押さえることができると共に、8連の10μlピペットで一度に8本のサンプルをゲルに移することができるので能率も高く、1日に1回ゲル4枚分の電気泳動を余裕を持って行うことができる。
電気泳動後のゲルは4枚同時に1つの容器で一度に銀染色を行うことにより能率良く低コストで簡便に染色が行える。染色には一般に市販のタンパク質用の銀染色キットを用いることができる。
AFLP法に用いるヌクレオチドプライマーとしては、任意の制限酵素酵素に適合するヌクレオチドを用いることができる上に、さらに1〜数塩基の任意の選択配列を3'側に付加することができるため、ほとんど無限の組み合わせが可能になる。ゲノムサイズが1GB以下の植物については、6塩基と4塩基のそれぞれの制限酵素としてはEcoR IとMse Iとを用いて、各64通りづつの3ヌクレオチド選択配列を備えたPCRプライマーを用いれば、64×64=4,096通りの増幅が可能となり、5〜10%の多型率のある両親間での遺伝分析においては、1〜2万本の多型バンドの検索ができる。これは物理地図作製のためにも実用的には十分な数であるとともに、従来の遺伝子地図のマーカーの数を1桁以上上回るものである。
バルク分析(Michelmore RW,et al.(1991)Proc.Natl.Acad.Sci.USA 88:9828-9832)等で得られた、目的遺伝子近傍のバンド等の重要なバンドは染色後切り出して、ゲルを破砕後適当な緩衝液で抽出してからPCRをかけ直し、適当なプラスミドに挿入して接合することにより単離してその配列を解析することができる(実施例4)。
以上の組み合わせにより、例えば、掛け合わせの両親とF2における優性・劣性それぞれのホモ個体各10個体前後づつを混合した2サンプルとの計4サンプルを1組とし、4レーン/プライマーペアの泳動を行えば、標準的な泳動装置(4ゲル:256レーン)では1回の泳動で64プライマーペアの泳動が可能である。これにより、4,096通りの選択プライマー全ての組み合わせが64回の泳動(延べ約2ヶ月)で完了する。これは、イネの日印交雑の様に約10%の多型を持った組み合わせでは、全ゲノムで20,000本の多型バンドを走査・検索する事に相当する。この効率は、従来の手法を1桁から2桁上回るものであり、これにより遺伝子地図の有無に拘わらず、短期間で遺伝子の単離が可能となる。また、4096通りすべての検索を行なうための費用も40万円程度と廉価である。
3.遺伝分析
1)F2分析
任意の遺伝子ないしは多型マーカーの組み合わせについてその間の遺伝学的な距離(あるいはマップ上の距離)を決めようとする場合、最も普通に用いられるのがF2分析であるが、本発明の方法を利用したF2分析によれば、多型マーカー間あるいは多型マーカーと遺伝子の間の距離を極めて効率よく決定することができる。
すなわち、一般のF2分析と同じく、ある遺伝子についてそれを持つ系統(A)と、目的遺伝子を持たない、あるいはその形質について明確な差がある系統で、Aとは適度の微小な形質の差のある系統(B)とを選んで交配し、多数のF2を得る。分析するF2個体の数は分析の精度に依存し、1CMの精度を得るためにはホモ個体(通常は劣性ホモ個体)50個体を用いれば、100本の染色体について目的遺伝子と多型マーカーとの間の組み替え率を調べることにより両者の間の遺伝学的な距離を決定することができる。劣性ホモ個体を分析すると、組み替えがなければ片親で劣性形質を持った親と同じマーカーの型を持つ個体が全てであり、1/100の組み替え率では、1個体の1染色体でのみ組み替えが見られることになる。
本発明では、標準的なシステムで1度に256個体の分析ができるため、これだけのホモ個体が得られれば1回の泳動で、512染色体での多型マーカーの組み替えを検定することができ、0.2CMの精度での分析が可能である。多型マーカーとしてはAFLP法を用いることにより、ごくわずかのサンプルDNA量(100ng以下)で検定が行われる。すなわち、ゲノムDNAをそれぞれの個体から用意して、EcoR IとMse Iの2種類の酵素で2重消化を行い、それぞれの酵素に適合したアダプターをゲノムDNA断片に結合させる。このアダプターに適合した1次プライマーを用いて1次PCRを行い、ゲノム断片を増幅させる。次に1次プライマーの3'側に任意の1-4塩基を延長した2次プライマーを用いて、この配列に適合したゲノム断片の1部だけをPCR増幅し、本発明の電気泳動法で分子量に応じて分離する。泳動後ゲルを銀染色等により染色し、目的の多型マーカーに組み替えがあるか否かの検定を行う。
本発明によれば、256個体に及ぶ0.2CMレベルの精密なF2分析も少量のDNAにより、1回の泳動で完了し、ブロッティングやオートラジオグラフの必要もなく、染色・乾燥した4枚のゲルはキャビネサイズでそのままアルバムに保存できるので結果の分析も極めて容易である。
2)RI分析
RI系統(Recombinant Inbred lines)とは、異なる系統を交配して作られたF2個体をそれぞれ何代にもわたって自殖して得られた系統のことを言う。多数の自殖の結果、ほとんどの遺伝子座がホモ接合になっており、ヘテロ接合が少ないので分離比も優性形質:劣性形質が1:1となっており、優性個体も目的遺伝子がホモ接合になっているので、そのまま本発明による遺伝分析が可能である。ヘテロ接合個体の割合が1/2に及び、優性形質と劣性形質の分離比が3:1になるF2分析よりも精密な遺伝分析が可能である。適当なRI系統が利用可能であればF2分析の場合と全く同様にして、本発明を用いて多数のRI系統から抽出したゲノムDNAによる遺伝分析(RI分析)ができる。
3)近傍マーカーの絞り込み
バルク分析法で得られた目的遺伝子の近傍マーカーをF2分析で絞り込み、最終的に最近傍のマーカー群のマッピングを行うためにも、本発明の電気泳動法を利用すれば、標準法で1度に256サンプルを泳動できるために、極めて高い能率で遺伝分析が行える。すなわち、イネ(日印交雑の場合)では2.で述べたように、仮に20,000バンドの多型マーカーが2,000CMの全ゲノムに均等に分布しているとすれば、バルク法で得られる遺伝子の近傍両側の約10CMづつ、計20CMの領域に存在するマーカーの数は200バンドと予想される。これだけの近傍マーカーから、その中での最近傍マーカーの絞り込みを行うに当たっては、第一段階として、まず1マーカー当たりF2世代の劣性ホモ個体14個体と両親のDNAとを16レーンに流して、目的遺伝子と候補マーカーとの組み替えの有無を検討する。こうして各マーカーについて28本の染色体での組み替え率が算定される。この際の分解能は約3.5CMとなる。これにより1ゲル当たり4バンドの候補マーカーのテストが行われることになり、1回の泳動では16バンドのマーカーのチェックが可能であり、それと同時に遺伝子の最近傍で組み替えを起こしている個体が明らかとなる。この後は、近傍での組み替え個体6個体と両親とを合わせて8レーンを用いるだけで6回の泳動で残り192本のマーカーのチェックが完成する。
マーカーと染色体組み替えの位置とが均等に起きていると仮定すれば上記のスクリーニングにより、遺伝子の両側それぞれ約4CM以内、計8CMの近傍のマーカーが40バンド程度得られることが期待される。次の第二段階では1次スクリーニングで残ったマーカーそれぞれを1CMの精度でマッピングするために、まず3回の泳動により12本のマーカーをそれぞれゲル1枚を使って62個体の劣性ホモのF2世代+両親についてのAFLP産物を泳動する。これにより、遺伝子近傍8CM内の領域の精密地図が得られ、遺伝子近傍1CM以内程度の最近傍で組み替えを起こしている個体が明かとなる。こうした近傍での組み替え個体を用いて、残りの28本のバンドを分析すれば、この地図上でのそれぞれの位置が明確になる。やはり最近傍組み替え体6個体と、両親と併せて8レーン×28組み合わせ=224レーンを1回の泳動でチェックすれば遺伝子近傍での分析は完結する。
すなわち、20,000の多型バンドからバルク法で選ばれた近傍マーカー候補200本の中から、11回程度の泳動で約1CM以内の最近傍のマーカーを絞り込むことができる。
遺伝子の単離において、1GB以下のゲノムサイズの生物ではこの程度のマーカーがあれば、平均1CMは500kB以下となるので、平均インサートサイズ150kB程度のBAC(バクテリア人工染色体)によるゲノムライブラリーから遺伝子近傍のクローンを選択してコンティグを形成することができる。
さらに精度を上げて、256個体の劣性ホモ個体を用いて0.2CMレベルでの分析を行う場合でも、適当な近傍マーカー4バンド程度を選んで4回の泳動を行えば、どの個体が遺伝子の最近傍で組み替えを起こしているかが明らかになる。これらの近傍での組み替え個体を用いて、第二段階の時と同様にして、最近傍と思われるバンドでの組み替えの様子をチェックすれば、最近傍マーカーが1回の泳動で容易に得られる。
ここでは、電気泳動で得られるバンドがゲノム・染色体中にほぼ均一の頻度で分布していること、及び染色体の組み替えがゲノム上で一様に起きていること、の2点を前提として原理を述べているが、実際は染色体中におけるバンドと組み替え位置との分布には粗密の偏りがあるので、用いたF2の数に対して得られる近傍マーカーと目的遺伝子との距離は一様分布の時よりは大きくなる傾向がある。
4)マーカー育種への応用
また、上記のようにして得た特定の形質遺伝子の近傍マーカーは、交配による在来育種を行うに当たっても極めて信頼性の高いマーカーとして用いられると共に、交配によって得られた多数の交配後代においてマーカーの分析を行う際にも、ゲノム走査法による分析は少量のDNAサンプルを取るだけで、多数の個体の分析を容易に行うことができ、RFLP法による従来の手法と比較して大幅な作業能率の向上と、コストダウンとを図ることができる。
5)QTL(Quantitative Traits Loci:量的形質座位)分析への応用
QTLとは、定量的形質の遺伝子座のことで形質の発現が定性的なほど強くなく、多くの場合複数の遺伝子座がその形質の発現にかかわっている遺伝形質のこという。染色体のどの位置にあるどの遺伝子座がそれぞれどの程度その形質の発現に寄与しているかを解析するのがQTL分析である。
QTL分析では、全ゲノムにわたって一様に分布している多数の核酸マーカーについて、多数の交配後代個体での多型の検討を行わなくてはならない。例えば、10CM/本程度のマーカー密度で2,000CMの全ゲノムに分布するマーカーを用いてQTL分析を行うとすると、200マーカーを少なくとも50個体程度のF2について検討する必要がある。これをRFLPマーカーで行うとすると50個体の核酸をプロットしたメンブレンについて、200回のハイブリダイゼーションを行う必要があり、1回のハイブリダイゼーションには2日は要するため、1度に4枚程度を同時に行うとしても、延べ100日は要することになる。メンブレンを10回使用できるとしても、20枚のメンブレンを用意するためには、100μgもの核酸を全50個体から採取するに要する労力には莫大なものがある。
本発明の方法においてAFLP法を利用することにより、イネの日印交雑のように10%程度の多型を示すものでは1レーンにつき数本の多型バンドが得られることから、適当なプライマーペアを用いることにより200マーカーの検索を50プライマーペア強での泳動で済ませることができる。1度の泳動で5プライマーペアについて泳動が可能(50×5=250レーン)であるため、50個体の泳動は、わずか10回(延べ10日)の泳動で全てのマーカーの検討を済ませることができることになる。しかも、各個体について必要とするDNAの量は1μgもあれば十分である。
具体的には、まず当該生物についてのAFLPマーカーによるゲノム地図ができている必要があるが、既存のものがないときは、後述の5.で説明しているように本発明を用いて容易に作成することができる。この地図の中から、希望する密度でマーカーを選択するが、その時になるべく少数のプライマーペアで全ゲノムをカバーできるように選ぶと能率がよい。
掛け合わせについては、目的とする量的形質の顕著な系統と、ほとんどその形質が見られない系統で、お互いに遺伝的に隔たった組み合わせを選ぶと適当な多型頻度が得られる。あまり離れた組み合わせでは、マーカーの分離がスムースに行かない場合が考えられる。この交配から得られた約50個体程度(目的に応じて数は変わる)のF2ないしはRI系統について、目的の形質を定量的に測定すると共に、それぞれから調製したゲノムDNAを用いて、3.1)で述べたようにAFLP法によるゲノム断片の増幅を行い、本発明のシステムにより泳動してマーカーバンドの多型を調べて記録する。
目的形質の数量と各バンドについて一方の親の多型の数との積を、地図上の全てのマーカーバンドについてプロットする事により各マーカー近傍の座位による目的形質への寄与度が明らかになる。
4. 品種・系統判別への応用
本発明を用いれば、農畜産物や各種の生物種の特定の品種や系統を判別するために必要なマーカーを効率よく検索することができる。すなわち、比較しようとする多数の品種から得たDNAを用いてAFLPを行い、本発明の電気泳動置を用いて同時に泳動することにより、数十から百以上の品種について、数十本のバンドを同時に比較することができる。これにより、多数の品種に対しても特定の識別バンドを容易に選び出すことができる。
この場合、n本のバンドを組み合わせることにより、理論的には最大限2n種の品種・系統等を識別することが可能になるが、実際の場合は識別できる品種、系統の数はこれよりはやや少なくなる。
品種や系統同士が極めて近縁で、通常のAFLP等では多型が得にくい場合には、比較対象のゲノムによるAFLPやRAPDの産物等を混合後加熱冷却してヘテロ2重鎖として泳動し、対象のバンドとの比較により品種間差を感度良く、簡便に、能率良く検出することができる。
なお、特定の識別能力の高いバンドが同定されたときには、7.に述べる方法でそのバンドを単離し、特定のプライマーからPCR増幅できるようにすれば、PCR後は簡便なアガロース電気泳動により1時間程度で品種判別が可能になる。さらには、プライマーに特定の蛍光ラベルを予め施して、そこからバンドが増幅されるか否かを蛍光検出器付きのPCR装置で調べることにより、2〜30分のPCRだけで、電気泳動もすることなく品種や系統を識別することも可能となる。
5.生物の遺伝子地図の作製
ある生物の全ゲノムをカバーする遺伝子地図(正確には核酸マーカー地図)を作製しようとする場合、QTL分析を行う場合と同じく数百から千以上のマーカーについて、必要とする地図の解像度に応じた数のF2個体を用いて分析する必要がある。高等植物の場合、特に主要農作物ではほとんどがゲノム全長で1,500〜2,000CMであることから、約1CMの密度と精度でゲノム地図を従来のRFLP法で作製しようとすると、100個体以上のF2世代から作製されたメンブレンを1,800程度のマーカーについて繰り返してブロッティングする必要があり、1回のブロッティングにプローブの調製を含めて4日を要することから、1回に4種類のプローブを処理するとしても延べ1,800日の作業を要する。またこのために要する核酸の量も膨大なものとなりF2の各個体で1mg以上のDNAが必要となる。こうしたことから、遺伝子地図は数十人のチームにより何年にもわたる作業で作製されてきた経緯がある。
本発明では、10%程度の多型を持った交配親の組み合わせを例に取れば、1プライマー組み合わせで平均4〜5本の多型が見られるので、予備試験で予め6本以上の多型を示すプライマー組み合わせを選択しておき、これを用いて標準モデルで128固体のF2世代を用いてマッピングを行うことにより、1回の泳動で2プライマーペア12本以上のマーカーのマッピングが可能になる。従って、1,800本のマーカーを持つ地図の作製も1名の人員で延べ150日間の分析で精密地図が作製されることになり、従来手法の10倍以上の効率で地図の作製が行われ、300マーカー程度の地図ならば一人で1ヶ月ほどでの作製も可能となる。
具体的手順としては、適当な遺伝的距離で隔てられた2系統を交配して、目的とする地図の精度に応じた数のF2個体ないしはRI系統を作製する。平均的な多型率が、両系統間で10%をあまり超えない範囲であれば、雑種不稔や分離比の歪みなどが出る恐れが少ない。0.5ないしは1CM程度の精度をめざすのであれば差し当たり、128ないしは64個体もあれば十分な精度が得られる。これらの個体からゲノムDNAを調製し、前に述べたF2分析やRI分析の時と同様にAFLP法で増幅したPCR断片を本発明のシステムにより泳動、染色、分析する。すなわち、調製したゲノムDNAを96穴のマイクロプレートに保存しておき、その一部(0.1ug程度)を取りEcoR I,Mse Iによる2重消化を行い、アダプターを切断面に接合した後、アダプターと同じ5'側のプライマーで予備増幅を行う。次ぎに予備増幅されたPCR産物を鋳型として適当な数の選択塩基が付いた選択プライマーで2次増幅して、これを本発明の電気泳動装置にアプライする。この際8連ないし12連のピペットあるいは8-12連のマイクロシリンジを用いるとゲルへの装填の効率が向上する。64サンプルでは4プライマーセットで、約20マーカー、128サンプルでは2プライマーセットで10マーカーの泳動が1度で行える。多型バンドの分析にはMAPLあるいはMAPMAKER等の遺伝子地図作成用のソフトを用いれば、効率がよい。
参考事例として、15レーンのゲル8枚を用いた本発明の前身のシステムでオオムギのアズマムギ×関東中生ゴールドのRI、99系統を用いて2ヶ月ほどで227マーカーのAFLP地図を作製し、それまでに得られていた45マーカーからなる地図と統合して、272マーカーからなる地図を作製した例を示す(図11)。この場合でも、一人で約2ヶ月でAFLP地図の作製ができており、以前のSTSマーカー等による地図の作製の場合と比較して約40倍の効率が達成されている。本発明の方法では、この前身のシステムよりもさらに作業効率が向上している。
6.大きなゲノムサイズを持った生物種への適用
本発明はAFLPとの併用で行う場合に最もその力が発揮されると思われるが、AFLPの特徴はEcoR I(6塩基認識)とMse I(4塩基認識)とで2重消化したゲノム断片にそれぞれの切断サイトに適合したアダプターを接続させ、1次増幅では全ての断片を増幅させるようにこのアダプター配列をPCRプライマーとして用い、次の2次増幅の際の2次プライマーとしては、1次プライマーの3'側に1〜数塩基の選択配列を延長した選択プライマーを用いて、それに適合した配列を両端に持つゲノム断片だけを特異的に増幅させる点にある。ゲノムサイズの比較的小さな生物(イネなど:450MB)の場合は、2次プライマーとしてはEcoR I及びMse Iサイトの両側で各々3塩基づつの選択配列を付加したプライマーを用いている。これにより、「2.核酸マーカーの検出」で述べたように平均して約50のバンドが選択的に増幅されることになる。いもち病菌(40MB)等の糸状菌程度のサイズのゲノムでは、どちらかの制限サイトでは1塩基だけの任意配列の付加にとどめることにより、50本×(40MB/450MB)×16≒70本のバンドが得られると期待されることになる。一方、ゲノムサイズの大きな生物においては、AFLPプライマーにおける選択配列の塩基数を3から4に増やすことにより、基本的には対応ができる。
ところがもう一つの方法として、電気泳動の条件を変えることもできる。通常PCR増幅産物を電気泳動する場合には、これらの材料ではそのまま2本鎖として非変性条件で泳動すれば便利であるが、より大きなゲノムサイズを持つ生物(例:オオムギ:5.5GB)では2本鎖のまま泳動したのではバンドがきれいに分離されない。ここで8.5M尿素の入った変性ゲルを用いて、DNAサンプルを50%フォルムアミドの存在下で90℃3分の熱変性をさせて1本鎖DNAに解離したものを泳動するようにすると、多数のバンドを明確に識別することができる(実施例4)。
実際の場面では、ゲノムサイズが大きくなるにつれAFLPは困難になってくるので上記の2種類の方法を組み合わせながら対応するのが現実的である。
7.重要なバンドの単離とその配列解析によるSCARマーカー化
3.,4.,5.等で示した本発明の実施方法においては、それぞれの場合に応じて特に重要な情報を担ったバンドが同定されることになる。すなわち、3.での特定遺伝子の近傍バンド、4.での品種判別に好適なバンド、5.の遺伝子地図でランドマークとなる様なバンド等である。
こうしたバンドは、ゲルから切り出して、破砕抽出・凍結融解・電気泳動等で溶出後再度同じプライマーペアでPCR増幅を行い、適当なクローニングベクターに挿入してその配列を決定してその両端部をプライマーとするSCAR(Sequence Characterized Amplified Region)マーカーとすることができる(実施例3)。この場合、染色にはcyber green等蛍光染色を用いた方が核酸の抽出がやりやすい。バンドの同定はできてもそれを取り出すことができない、シークエンサーを利用したAFLP法と比較すると、本発明の方法は簡便でありながら本来のAFLPの重要な機能を完全に利用することができる点で優れている。
8.特定のバンドを含むゲノムクローンの単離
3.,4.,5.等で示された重要な情報を担ったバンドはそれを含むゲノムクローンを単離する必要がある場合がある。特に、重要な機能を持った遺伝子をポジショナルクローニング法で単離する場合、2.,3.のような方法で遺伝子の両側の最近傍のマーカーを同定した後、それらを利用してBACライブラリーのようなゲノムライブラリーからバンドの乗ったクローンを選択し、そのクローンの両端のマーカーを用いて次の連続するクローンを同定することを繰り返して(walking)、遺伝子の両側にあるマーカー(flanking marker)の間を連結する一連のクローンの連結集合(contig)を作製する必要がある。
コロニーハイブリダイゼーションによりゲノムライブラリーの構成クローンが整理されて結合された高密度メンブレンが既に用意されている場合は、7.のようにして直接PCR増幅されたバンド、あるいはSCARマーカーとして増幅されたバンドをプローブとして、メンブレンに対してハイブリダイゼーションを行なうことにより目的クローンを拾い上げることができる。
または、9.に述べる方法により当該生物のゲノムライブラリーをサブゲノムライブラリーに分割した後、サブゲノムライブラリー中のクローンをマイクロプレートの行、列、プレート各番号に対応する様にクローンDNAを混合した座標マーカーを作製しておき、これらに対してゲノミックDNAを対照として同じプライマーペアでAFLPを行った後、本システムを用いて泳動すれば、対照と同じバンドを増幅している、行、列、プレートの座標から、ハイブリダイゼーションに頼ることなく目的のバンドを持ったクローンを同定することができる。
9.生物の全ゲノムをカバーするコンティグの作製
ある生物のBAC等によるゲノムライブラリーをもとに、この構成クローン全てについて互いの隣接状況を明らかにできれば、個々のコンティグをつなぎ合わせて、全ゲノムをカバーするコンティグ(物理地図)に発展させることができる。こうして作製された物理地図は、いわばその生物のゲノムの構造そのものを再現したものに相当し、この完成により必ずしも全ゲノムのシークエンスを待たずに、重要な機能遺伝子の単離・同定が極めて容易に行われ、その生物のゲノムを手に取るように扱えるようになる。実際、全ゲノムコンティグが完成すればその後のゲノムシークエンスの作業はほとんど完全に機械化することも可能になる。しかし、これまでは、全ゲノムコンティグの作製は数十人を擁する大きな研究グループでしか対応できないものであった。しかるに、本発明を用いれば、イネ程度のゲノムサイズ(500MB程度)では、1人で1年程度で全ゲノムをカバーするコンティグを作製することも可能である。
これまで、全ゲノムコンティグが困難であったのは、ゲノムライブラリーを構成する各クローンをマークする特異的な標識が得にくいということが最大の理由となっていた。本発明ではAFLPとの組み合わせにより、両端の3塩基配列と塩基数(長さ)という2つのパラメーターで標識された極めて特異的なバンドを1レーンで30-50本程度も一度に得ることができる。これらの特異的バンドを全て、ゲノムライブラリーの構成クローンに対応させることができて、かつそのバンドの分布密度をBACクローンの長さより十分小さくすることができ、同じマーカーを共有するクローン相互をつなげてゆくことは難しいことではないと言える。
ここで、AFLPバンドとライブラリーのクローンのほぼ1対1の対応をとるために、通常数ゲノム相当以上ある全ゲノムのゲノムライブラリーを約1ゲノム相当のサブライブラリー数個に分割する。さらにサブライブラリーを構成するクローンはマイクロプレートの行、列、プレートの各番号と座標とすれば1義的に決定されるので、行、列、プレート番号をそれぞれ座標軸として同じ軸座標を持つクローンから少量のDNAを集めて混合し、行、列、プレート軸の各座標を代表する座標サンプルを作製する。これらを鋳型にして本発明のゲノム走査法を行ない、対照となる全ゲノムDNAを鋳型とするレーンを座標レーンの両端においてAFLPパターンを比較すればゲノムDNAを鋳型とする特定のバンドと対応するクローンをサブライブラリーの中から容易に検出することができる。仮に、サブグループに2つないしはn個の対応クローンがあると、23の8個ないしはn3個のクローンがそのバンドと対応することになるが、この場合はこの8クローンを取り出して2度目のゲノム走査法による泳動を行えば、真に対応した2クローンを同定することができる。具体的なサブライブラリーの座標サンプルの作製法は実施例5に示した。
このようにして、いもち病菌程度のゲノムサイズ(約40MB)で120kBの平均のインサートサイズのライブラリーであれば、約1ゲノム相当のサブライブラリーは約300クローンとなり、8行6列6半プレートに納めることができる。これならば、座標サンプル20レーンに対して対照のゲノム2レーン計22レーンを流しても2枚のゲルで6ゲノム相当のサブライブラリー、すなわち全ゲノムライブラリーの泳動を行うことができる。すなわち、1回の泳動で2プライマーペア、約60本のバンドの同定・対応が行えたとすると、25回の泳動で1500本のバンドの対応が可能になる。これは、40MB/1500本=27kB/本の密度であり、120kBの平均サイズのBACクローンに対して、平均4.4本のバンドが同定されることに相当するので、平均6ゲノム相当のクローンの重複があることを考えると、ほぼ全ゲノムがこれによりカバーされることが十分期待されることがわかる(実施例5参照)。
イネ程度のゲノムサイズ(450MB)に対しても平均インサートサイズ150kBの6ゲノム相当のライブラリーについては、ほぼ1ゲノム相当の32枚のプレートを用いて16行、12列、16×2プレートのマトリクスを作製することにより、6サブライブラリー分を1回で電気泳動することが可能であり、1回に約25のバンドの同定が行われる。200回の泳動で5000本のバンドの同定が行われ、これは450MB/5000本=90kB/本の密度に相当するので、150kB平均のクローンが6倍の重複度で存在するライブラリーから長いコンティグを作製するには十分の密度であると考えられる。
【図面の簡単な説明】
図1は、ゲノム走査法に用いる標準的な電気泳動装置の本体の正面図及び上面図である。18cm角のゲル4枚を同時に泳動することができる。1枚のゲルは1ミリ幅の66-68検体が載せられるコームによりサンプルアプライ用のウェルが作製され、2〜4レーンは分子量マーカー等を流すのに用いるので、実質64サンプル/ゲル、4枚のゲルでは256サンプルを一度に泳動する事ができる。8連のマイクロピペットを用いることにより、能率良くPCR増幅したサンプルをゲルにアプライすることができる。
図2は、ゲノム走査法に用いる標準的な電気泳動装置のゲル板止め部品を示す図である。
図3は、ゲノム走査法に用いる標準的な電気泳動装置のコームを示す図である。
図4は、ゲノム走査法に用いる標準的な電気泳動装置の完成品写真を示す写真である。
図5は、バルク分析により得られたイネいもち病菌の非病原性遺伝子avrPibの近傍マーカー候補のゲノム走査法を用いた1次スクリーニングを示す電気泳動写真である。4種の近傍マーカー候補を持つプライマーペアA,B,C,Dについて、それぞれ左から親株avrPib−,+,バルクavrPib−,+,F1株avrPib−6株,+6株でAFLPと組み合わせたゲノム走査分析を行った。図中の三角はマーカー候補のバンドを示す。A,B,Cについては1次スクリーニングは全て期待通り遺伝子型と共分離を示したが、Dについては−+の1株づつで組み替えが見られた(黒三角)。それぞれのプライマーペアで5-60本のバンドが得られていることに注意。ゲル1枚で3-4,000本のバンドが走査でき、1度に4枚泳動できるので12-16,000本のバンドの走査が行える。ここで用いたプライマーペアの選択ヌクレオチド数はEcoR I側で3塩基、Msp I側で1塩基となっている。ここで用いた交配株間の多型率は、約5%であり、いもち病菌の全ゲノムは約500CMであるので、256プライマーペアで約500本の多型バンドが得られ、1CM/本のマーカー密度で全ゲノムをカバーできる。
図6は、RAPD法とゲノム走査法とで得られたイネいもち病菌の非病原性遺伝子avrPibの近傍マーカーをF1株を125株用いてそれぞれの方法でマッピングして得られた遺伝子近傍の精密地図を示す。表1に示したようにRAPD法では700プライマーを用い、ゲノム走査法では251プライマーペアのPCRによりそれぞれ近傍マーカーを検索した。RAPD法のマーカーの検索とマッピングには3ヶ月を要したのに対して、ゲノム走査法では1月で完了した。カウントしたバンドは極めて明瞭なものだけに限ったので、かなり少なめに出ている。An:ゲノム走査法で得られたマーカー。(Rn):RAPD法で得られたマーカー。
図7は、イネのセルロース合成変異体カマイラズ:bc-3の近傍マーカー検索のためのバルク分析の例を示す電気泳動写真である。4レーンづつのセットは左から変異体親株(M11:japonica)、変異体(劣性)ホモのバルク、野生型(優性)ホモのバルク、野生型親株(Kasalath:indica)。矢印はバルク間で明瞭な差が認められる遺伝子近傍マーカーの候補を示す。明瞭なバンドだけでも1レーン当り20-30本が数えられ、やや細いバンドを含めれば理論値の平均50本前後が1レーンで確認される。
図8は、オオムギの2条性を決める遺伝子を探索するための、アズマムギ(6条)×関東中生ゴールド(2条)の掛け合わせにアズマムギ(6条)による戻し交配を7代重ねながら、2条性を示す系統を選んで行き、アズマムギを背景とした2条の準同質遺伝子系統として確立されたものと、戻し親のアズマムギとをゲノム走査法で比較した写真である。32レーンで16プライマー対における差を検索したものであるが、両者で差があるものは極めて限られており、これが2条性の遺伝子と強く連鎖した領域にある多型バンドの候補である。
図9は、Aは「あきたこまち」に特異的なバンドを単離して得られたSCAR(Sequence Characterized Amplified Region)マーカーの例を示す。反転部分が作製したプライマー。Bは、Aのプライマーを用いて主要10品種の核酸からPCR増幅されたバンドを示す電気泳動写真である。「あきたこまち」でのみ特異的なバンドが増幅されている。control1は配列決定用に単離した特異的バンドをテンプレートとしたもの。
図10は、ゲノム走査法を用いて直接にゲノムライブラリーから特定バンドに対応するクローンを選択する方法を示す。ここでは、いもち病菌(ゲノムサイズ40MB)の平均インサートサイズ120kBの6ゲノム分のライブラリーをほぼ1ゲノム分のサブライブラリー6個に分割して、各々からゲノム走査法のバンドに対応するクローンを同定する場合を示している。
図Aにおいて、黒丸で示したクローンは、C行、4列、aプレートとして表示される。座標C行目を代表する座標サンプルは全ての半プレートのC行目の全ての列のクローンのDNAを10ngづつ集めて作製する。図Bにおいては、1つのサブライブラリーは、8行、6列、6半プレート分の座標サンプルと、対象のゲノムレーンとの計22レーンで構成される。6ゲノム分を同時に2枚のゲルで泳動することができ、対照のバンドと一致したバンドを示す座標から対応するクローンが同定される。
図11は、ゲノム走査法の前身となる15レーンタイプのゲルの電気泳動法でオオムギの遺伝子地図を作製した例を示す。全272マーカーのうち、この方法でマップされたAFLPマーカーは227であった。
発明を実施するための最良の形態
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に制限されるものではない。
[実施例1]イネの非病原性遺伝子avrPib遺伝子の近傍核酸マーカーの精密マッピング
イネの抵抗性遺伝子Pi-bに対応するいもち病菌の非病原性遺伝子avrPibについて、その近傍の核酸マーカーの検索及び得られたマーカーと本遺伝子との間の遺伝学的距離の決定を試みた。avrPibはイネの抵抗性遺伝子Pi-bに対応するいもち病菌の非病原性遺伝子で、この遺伝子産物がイネのPi-b遺伝子に認識されることによりイネの抵抗性が成立しており、avrPib遺伝子が変異を起こせばPi-bによる抵抗性は崩壊することになる。従って、この遺伝子を単離して抵抗性崩壊をもたらした株での変異の原因と、抵抗性遺伝子産物と非病原性遺伝子産物とがどのように相互作用しているかを調べる必要がある。実際に抵抗性崩壊が起きた地域から単離されたPi-bを侵すいもち病菌との交配により、非病原性遺伝子の精密マッピングを従来法の代表としてのRAPD法と本法との間で比較した。
avrPibを保持している(Pi-bを持つイネを侵せない)菌株と、avrPibを持たない(Pi-bを持つイネを侵す)菌株との交配を行い、F1世代の菌株を多数得た。これらのF1菌株をPi-bを持つイネに接種して各菌株におけるavrPibの有無を調査した後、avrPib保持グループ(+)と欠損グループ(−)それぞれ十数株づつからゲノムDNAのバルクを作製し、親菌株2株と+,−各バルク2種類との4種類のサンプルを用いて、64×4通り=256通りのプライマーペアによるAFLP分析を行った。いもち病菌のゲノムサイズは約40MBとイネの約1/10であるため、イネの1/16程度のプライマーペアでゲノムをカバーできる。
比較のために、RAPD(Random Amplified Polymorphic DNAs)法で約540プライマーを用いて増幅を行った結果と比較した。RAPD法では大型のサブマリンゲルで、例えば一度に144レーンを同時に泳動することができるが、バルク法では540×4=2160のレーンを流す必要があり、15日かけて、安定性の高い明白なバンドのみ1860本のバンドをバルク間で比較して約100本の両親間での多型バンドを見出した。
これに対して、本法では4日間で約5700本のバンドを比較検索することができて、304本の多型バンドを見出した(表1)。これから、本法の能率はRAPD法の11倍に及ぶことが示される(5700/1860×15/4)。

Figure 0003573130
これらの多型バンドのうち、バルク法で優性ホモと劣性ホモと明確な差が出た遺伝子近傍バンドの候補はRAPDとAFLPではそれぞれ、6本と41本であった。これらのバンドをまず実際のF1株12株を用いて検定し、1次スクリーニングを行った(図5)。さらにF1の株数を増やして行って、最終的にはF1斤株125株での検定でavrPib近傍の精密地図を作製した(図6)。RAPD法では2本、本法では12本のバンドが実際の目的遺伝子avrPibから20CM以内にあることが示された。最も目的遺伝子に近いバンドはRAPD法で得られたものでは5.3CMであったのに対し、本法で得られたものでは1.8CMとはるかに近かった。いもち病菌では1CMは約80kBに相当するので、この距離は物理地図の作製に十分移行できる距離といえる。
[実施例2]イネのカマイラズ変異体遺伝子の一つbc-3の精密マッピング
イネの桿の細胞壁の2次肥厚に必要なセルロース合成ができなくなった変異体(カマイラズ:brittle culm)の一つであるbc-3の原因遺伝子の近傍の核酸マーカーをゲノム走査法で検索した。F2分析のための交配の親株としては、japonica型のbc-3変異体:M11、indica型の野生型Kasalathとの交配を用いた。F3世代までの分析により、変異型ホモ個体10個体、野生型ホモ個体8個体を同定して、それぞれのゲノムDNAを混合したものを、両親株と共にAFLPと組み合わせたゲノム走査法によるバルク分析に供した。それぞれの核酸をEcoR I(6塩基認識),Mse I(4塩基認識)の2種類の酵素で2重消化した後、それぞれの酵素の切断部位に隣接した3塩基の選択ヌクレオチドを持つプライマー1430組み合わせについて、バルク分析によるゲノム走査法を適用した。図7はその1例である。
その結果、97の近傍マーカーの候補が得られ、このうち50が劣性ホモ個体から、マーカーの組み替え体を検出するのに有効に用いることができる。それぞれのマーカー候補について10個体づつの劣性ホモ個体(20染色体)によるF2分析を行ってマーカーの絞り込みを行い、特に24マーカーについて劣性ホモ個体32個体64染色体での分析を行った結果、標的遺伝子と共分離している(遺伝子との距離が0CMの)マーカーが1つ見出された(図7)。
[実施例3]
オオムギ(5.5GB)のようにゲノムサイズが極めて大きな生物では、AFLPにより本発明を適用しようとする場合、ゲノム断片両側でのプライマーの選択塩基数が各々3である場合、イネ(450MB)程度のゲノムサイズの様に非変成条件で2本鎖のままDNAを泳動したのでは必ずしも明確なバンドにならない。この場合、選択プライマーの数を増やすのも一つの対応法であるが、3づつの選択マーカーを用いてもゲルに6〜8.5Mの尿素を加えた変性条件下で、サンプル緩衝液にも50%のホルムアミドを加え、泳動直前に90℃3分の熱変性を加えることによりDNAを1本鎖として泳動すると、十分なバンドの解像度が得られる。
図8はオオムギの2条性を決める遺伝子を探索するため、アズマムギ(6条)×関東中生ゴールド(2条)の掛け合わせにアズマムギ(6条)による戻し交配を7代重ねながら、2条性を示す系統を選んで行き、アズマムギを背景とした2条の準同質遺伝子系統として確立されたものと、戻し親のアズマムギとをゲノム走査法で比較したところである。32レーンで16プライマー対における差を検索したものであるが、両者で差があるものは極めて限られており、これが2条性の遺伝子と強く連鎖した領域にある多型バンドの候補である。
この泳動条件でオオムギでは平均約58本のバンドが同定される。大型のシークエンサーゲルでオオムギのAFLPを行った場合での平均バンド数が約88本(Castilioni et al.1998 Genetics 149:2039-2056)であるので、約67%のバンドが同定されていることになる。大型ゲルでは1日でゲル1枚32レーン程度の効率でしかできないところが、本発明では1日で256レーンの処理ができるので、5〜6倍の効率が得られることとなる。
[実施例4]ゲノム走査法で同定されたイネ品種の識別バンドの単離と配列解析による特異的プライマーの設計
市販の精米の品種を簡便に判別するためのSCARマーカーを開発して、その場合でPCRを行うことにより誰にでも容易に品種を判別できるシステムの構築を試みた。
ゲノム走査法(AFLP)で市販の精米主要10品種を識別するバンドを55種類のプライマーを用いて検索した。この検出にはわずか2日しかかからない。多数の品種判別に適したバンドが得られたが、そのうちの一つで「あきたこまち」に特異的なバンドを幅の広いレーンで泳動後、蛍光色素(vistra green)で染色して切り出し、TEバッファー中で破砕抽出してからAFLP用のプライマーを用いてPCRで増幅した。PCR増幅産物を適当なプラスミドに挿入して大腸菌に導入し、菌を培養増幅して得られたプラスミドに目的のインサートが入っていることを制限酵素で確認後、配列の解析を行い、目的バンドを特異的に増幅するプライマーを設計した(図9A)。このプライマーを用いて、主要10品種から得たDNAをテンプレートとしてそれぞれPCR増幅を行い「あきたこまち」でだけ特異的なバンドが増幅されることが確認された(図9B)。
[実施例5]核酸マーカーに対応するライブラリーのクローンの選択方法
通常、ゲノムライブラリーから本法で得られた特定のバンドに対応するクローンを同定する場合、実施例3のようにして得られたSCARマーカーを利用して、ライブラリーを載せた高密度メンブレンにコロニーハイブリダイゼーションを行ってポジティブクローンを選択することが行われるが、多数のバンドに対して全てこの方式を用いるには手間とコストがかかりすぎ、また必ずしも単離されたバンドの内部配列がユニークであるとは限らない。
マーカーバンドの単離を経ずに直接、ゲノム走査法により特定のバンドに対応するライブラリーのクローンを選択する方法としては、次のようにすればよい。まず、全てのライブラリークローンからBAC等のゲノムクローンのDNAをプラスミド抽出機により抽出して元のクローンのプレートと同じ配列のDNAによるプレートを作製しておく。次に全ゲノムライブラリーを分割して1ゲノム相当以下のサイズのサブライブラリーの集合とする。これにより、1つのサブライブラリーの中で平均1クローンだけが特定のバンドに対応するようになる。さらに、各サブライブラリーを構成する数枚分のマイクロプレートのクローンから行、列、プレートの各番号を座標として同じ座標番号を持つクローンから10ngづつのDNAを集めてゆき、各座標に対応する座標サンプルを作る。例えば、3行目にあるクローンからは、プレート番号や列番号に関わりなくすべて10ngづつDNAを取って集めて、行座標3行目の座標サンプルとする。同様にすべての座標について座標サンプルを作り、各座標サンプルと対照の全ゲノムサンプルについて同じゲノム走査法を適用する。座標サンプルDNAを作製するには、ゲノムライブラリー全クローンのDNAを抽出しなくても、2ml程度に増やした各クローンの培養をそのまま少量づつ行、列、プレートごとに混ぜて、座標サンプルとした後に、その混合培養からDNAを抽出してもよい。対照となる全ゲノムから増幅されたレーンの目的バンドと一致するバンドが行、列、プレートについて見いだせれば、その番号が求めるクローンの3次元座標となり、当該クローンをサブライブラリーから拾い上げることができる。万一、サブライブラリーに多数の該当クローン候補が存在するときは、それらを拾い集めた後に、再度最終決定のためのゲノム走査法を対照と共に行えばよい(図10)。
この手法が力を発揮するのは、ゲノムライブラリーの構成クローンを網羅するように、多数のゲノム走査法で得られるバンドをすべてライブラリークローンに対応させて、全ゲノムのコンティグを作製する場合である。これにより一人でも全ゲノムコンティグの作製が容易に行われる。
図10Aでは、いもち病菌(40MB)のゲノムライブラリー(平均120kB;6ゲノム相当)を1つがほぼ1ゲノムに相当する6個のサブゲノムライブラリーに分割した場合において、6つの半プレート(3枚のフルプレート)からなる1つのサブゲノムライブラリーから特定のクローンを同定する方法を示している。1サブゲノムライブラリーについて、行座標の1行目では6枚の半プレートの1行目のクローン(6列×6半プレート=36クローン)のすべてからDNAを10μgづつ集めて1行目を代表する座標サンプルとしている。すなわち、1サブゲノムライブラリーでは行、列、プレート軸を代表する座標としてそれぞれ8、6、6の各座標サンプル、計20の座標サンプルでサブゲノムライブラリー全体の8×6×6=288クローンを同定できる。
図10Bで示すように、この20の座標サンプルをテンプレートとした20レーンと、対照の全ゲノムをテンプレートとした2レーンとを同時にゲノム走査法で泳動することにより、22レーンで容易に対照で得られたバンドに対応するクローンを1つのサブゲノムライブラリーの中から同定することができる。
1枚のゲル(66レーン)では3つのサブゲノムライブラリーを同時に泳動できるので、2枚のゲルで全ゲノム、6サブライブラリーをカバーできる。すなわち、1プライマーペアによる1回のAFLPを考えれば、約25-40本のバンドに対応するクローンの検索が、6ゲノム相当の全ゲノムライブラリーについて2枚のゲルでできることになる。標準のゲノム走査法では4枚のゲルを用いるので、1回の泳動で2プライマーペアにより得られた50-80バンドに対応するクローンが同様に全ゲノムライブラリーから同定できることになる。
これにより控えめに見積もっても1回の電気泳動で2プライマーセットの約50-80バンドをクローンへ対応付けすることが可能であり、25回の電気泳動で約1,200-2,000本のバンドをゲノムに対応付けすることができる。いもち病菌のゲノムサイズが40MBであることを考えると1,500本のバンドが得られたとしてゲノム中でのバンドの平均密度は40MB÷1,500本≒27kB/本となり、120kBの平均的クローンに平均4.4本のバンドが得られることになり、クローンの重複度が平均6あることも考えれば、ゲノムコンティグを作製するには十分過ぎる密度と考えられる。これにより、BACのプラスミドさえ用意できていれば約1ヶ月で6ゲノム相当からなる全ゲノムライブラリーのコンティグが完成する。
プラスミド自動抽出機がフルに使えれば、18プレート分のプラスミドは2週間程度で調製可能である。
産業上の利用の可能性
本発明の方法および電気泳動装置を用いることにより、例えば、下記のような目的のための核酸マーカーを極めて簡便かつ高能率で検索、同定、取得することが可能となった。
▲1▼重要な機能・形質を制御する単一遺伝子をその近傍にある核酸の多型を利用してマークする多型マーカーの開発。
この場合、目的遺伝子を持つ生物に既存のマーカーからなるゲノムマップが存在する必用はない。
▲2▼ポジショナルクローニングにおける標的遺伝子近傍のクローンの同定および単離
重要な機能・形質を制御する単一遺伝子をポジショナルクローニング法により、その染色体上の位置情報だけに基づいて単離・クローニングしようとする場合、その極近傍のマーカーを検索し、BAC(バクテリア人工染色体)等のゲノムライブラリーから遺伝子の近傍領域のクローンをつり上げるためのマーカーを提供する。この場合、目的遺伝子を持つ生物に既存のマーカーからなるマップが存在する必用はない。
▲3▼遺伝分析、高密度地図の作製
ある生物の遺伝子地図を作製するための多数の核酸マーカーを高効率で提供すると共に、それらのF2ないしはRI系統においての連鎖分析を高能率で行い、高密度地図の作製を高い効率で行う。これにより複数の遺伝子の寄与に基づく定量的形質(QTL:Quantitative Trait Loci)の解析も容易に行われる。
▲4▼品種の識別
精米を始めとして、市場に出回っている食品類や種子の品種を識別するためのマーカーバンドを高能率で検索する。さらには、得られた識別バンドを単離・クローニングしてその配列の解析からSCAR(Sequence Characterized Amplified Region)分析用のプライマーを設計する。こうしたSCARマーカーを用いれば、その場で短時間で品種判別を行うことも可能となる。また、特定遺伝子をマークする近傍マーカーもSCAR化することにより、育種等におけるマーカーとして使いやすくなる他、遺伝子近傍のBACクローンを釣り上げるためにも役立つ。
▲5▼生物の全ゲノムをカバーするコンティグの作製
ある生物のゲノムライブラリーを構成するクローンをつなぎ合わせて、全ゲノムをカバーするコンティグを簡便に作製することができる。すなわち、数ゲノム相当からなるゲノムライブラリーを約1ゲノム相当のサブライブラリーに分割した後、各サブライブラリーを構成するマイクロプレートの集合について、その行、列、プレートをそれぞれ、x、y、z軸とする座標を作り、各座標と直交する全てのクローンのDNAをまとめて座標サンプルを作製して鋳型とする。これを通常の全ゲノムDNAを鋳型とする対照とを並べてゲノム走査法で泳動する事により、全ゲノムレーンに見出される各バンドに対応するクローンを同定することができる(図10)。1バンド/20-50kB程度の密度でバンドが見出されれば、平均して数クローンが重複した全ゲノムコンティグが完成できる。 Technical field
The present invention relates to a method for detecting a target nucleic acid by electrophoresing a large number of nucleic acid samples with high efficiency, and an electrophoresis apparatus used in the method. The method of the present invention is particularly useful in the detection of polymorphisms in genomic DNA, genetic analysis, genetic mapping, and the creation of contigs or physical maps covering the entire genome of an organism.
Background art
Until now, when trying to detect differences between biological varieties at the nucleic acid level, techniques such as the RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) method and the RAPD (Randomly Amplified Polymorphic DNAs) method have been mainly used. However, the RFLP method requires a large amount of a DNA sample and, in addition, in order to search for a marker in the vicinity of a specific gene, a genomic map created based on an existing RFLP marker for the organism is indispensable. In addition, the production of this map requires a long time, a huge cost, and a large number of personnel, and organisms having a genetic map having an RFLP marker at a sufficient density are extremely limited. On the other hand, detection of a polymorphism by the RAPD method is easy for a relatively large number of samples, but the number of bands that can be obtained stably at one time is limited to about several bands. In this case, if the number of bands obtained is increased by relaxing the PCR conditions, there is also a problem that the reproducibility of the obtained polymorphic band is reduced.
Recently, the AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) method is often used because it can compare many (50-100 or more) bands at once, consumes less DNA of the sample, and has higher reproducibility of the obtained band. It has become. However, this original method requires a lot of experience, such as using a large sequence gel ranging from 40 to 50 cm, detecting nucleic acid bands by autoradiography using an isotope, and requires use conditions. However, there is a disadvantage that detection is time-consuming and that a large number of samples cannot be analyzed (about several tens at a time).
Recently, a technique for relatively easy detection of bands by PCR using fluorescent primers and an automatic sequencer has been developed, but the sequencer used in this technique is expensive (1-2 million yen or more), and However, in the experiment using this method, a machine used for determining the base sequence of a gene is occupied for a long time. Furthermore, since band detection in this method is premised on being performed by a system using an automatic sequencer, a target band cannot be isolated and analyzed after detection. For this reason, a major problem is that the detected band cannot be easily detected with a specific primer as a SCAR (Sequence Characterized Amplified Region) marker. In addition, the fluorescent primers currently supplied are 8 to 9 types, and even when all of them are combined, only the combination of 64-81 primer pairs can be obtained.
The RLGS (Restriction Landmark Genome Scanning) method can also be used as a method to detect a polymorphic band in the entire genome at once.However, this method also uses a radioisotope and requires several days to detect a trace amount of a marker. In addition, it is necessary to handle a huge (40 × 30 cm) gel or a long and thin agarose gel for each sample. For this reason, this method requires strength and sufficient experience. In addition, this method requires the use of a large amount of expensive restriction enzymes in order to perform restriction enzyme cleavage of nucleic acids in an agarose gel, resulting in a problem of high cost.
For example, when the RLGS method is performed on a rice genome (450 MB), only a limited 8-base cleavage enzyme such as Not I can be used for the restriction of the labeling site. The theoretical upper limit of the obtained dot is 450MB ÷ 48= 13,700, and in fact, only 2,000 to 4,000 dots, about 1/3 to 1/6, can be obtained due to the nature of electrophoresis. In addition, since the individuals to be compared are electrophoresed on different gels, the migration patterns often shift, and an expensive large-sized scanner and two-dimensional migration software are required for the mutual comparison.
On the other hand, in the early days of preparing a genomic library in which adjacent clones covering the entire genome were arranged and connected by overlapping each other, attempts were made to use markers of an existing map such as an RFLP map. However, even a so-called high-density map has at most about 2,000 markers, and a small genome (450 MB) as small as rice has an average density of 200 KB / band or more, so it covers the entire genome. Making contigs is too sparse, and searching for this many RFLP markers is enormous, expensive and time consuming.
Recently, fragments obtained by cleaving library-constituting clones with appropriate restriction enzymes are run on a high-resolution gel, all of the patterns are digitized and imported as a database. A method of assembling a contig covering the genome is often used. However, this technique also requires enormous labor and cost to perform autoradiography by radiolabeling the end after cutting all clones.
Disclosure of the invention
The present invention has been made in view of such circumstances, and a purpose thereof is to efficiently and inexpensively electrophorese a large amount of a nucleic acid sample, to detect a target nucleic acid, and to provide a method for the method. An electrophoresis apparatus is provided. In a preferred embodiment of the method, the present invention provides a method for detecting a genomic DNA polymorphism using the method, a method for genetic analysis, a method for preparing a genetic map, a method for identifying a genomic clone for a specific band, and a method for whole genome. Methods for making an ordered collection of contigs that cover
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, an electrophoresis method using a small gel, which has been generally used for protein electrophoresis, has been able to efficiently remove a large amount of nucleic acids. It was thought that electrophoresis could be used to detect the target nucleic acid.
Thus, the present inventors have developed an electrophoresis apparatus for electrophoresing nucleic acids, which can be equipped with a plurality of 10 to 30 cm square gel plates at the same time to perform electrophoresis, and A unique electrophoresis device capable of simultaneously electrophoresing 32 or more nucleic acid samples was used. Using this electrophoresis device, a nucleic acid marker near the non-pathogenic gene of rice blast fungus and the rice camillaz mutant gene Was searched. As a result, it has been found that the polymorphic band can be detected by this method with remarkably high efficiency as compared with the case where the search is performed by the conventional RAPD method.
In addition, as a result of performing a linkage analysis on the detected polymorphic bands, among the detected polymorphic bands, in particular, a band positioned near the target gene, according to this method, far more than the conventional method. Was found to be efficiently obtained.
Furthermore, this method was shown to be useful in isolating and specifically amplifying various important polymorphic bands found by the above-mentioned method. As an example, the present inventors have isolated a large number of bands identifying 10 varieties for rice milling by this method, actually designed primers based on the sequence information of bands specific to Akitakomachi, PCR was performed using genomic DNA obtained from 10 cultivars as templates. As a result, they found that a specific amplification product by PCR was detected only in Akitakomachi. That is, it was shown that according to the method of the present invention, a polymorphic band for easily distinguishing rice varieties can be efficiently obtained.
Furthermore, the present inventors have found that, according to this method, it is also possible to prepare a genetic map of an organism or to obtain a nucleic acid marker for a contig covering the entire genome of an organism.
Accordingly, the present invention relates to a method for efficiently and inexpensively electrophoresing and detecting a large amount of a nucleic acid sample, an electrophoresis apparatus for the method, and use thereof, and more specifically,
(1) A method for electrophoresing nucleic acids,
(A) Using an electrophoresis apparatus capable of simultaneously carrying out electrophoresis by equipping a plurality of gel plates of 10 to 30 cm square and simultaneously carrying out electrophoresis of 32 or more nucleic acid samples per gel plate. Electrophoresing the nucleic acid sample, and
(B) detecting a nucleic acid band on the gel after electrophoresis,
(2) The method according to (1), wherein the electrophoresis is performed using a discontinuous buffer gel.
(3) The method according to (1), wherein the nucleic acid sample is single-stranded DNA prepared by dissociation of double-stranded DNA by denaturation treatment, and electrophoresis is performed using a denaturing gel.
(4) The method according to (1), wherein the band of the nucleic acid on the gel is detected by fluorescent staining or silver staining.
(5) The method according to any one of (1), (2), and (4), which is performed to detect a genomic DNA polymorphism between test individuals.
(6) The method according to (3), which is carried out to detect a genomic DNA polymorphism between test subjects.
(7) The method according to (5), wherein the nucleic acid sample is a DNA fragment amplified by the AFLP method.
(8) The method according to (5), wherein the nucleic acid sample is hetero double-stranded DNA.
(9) A method for preparing a DNA fragment exhibiting a polymorphism, comprising a step of isolating a DNA fragment exhibiting the polymorphism detected in the method according to any one of (5) to (8) from a gel. Method,
(10) a DNA fragment showing polymorphism between test subjects isolated by the method according to (9),
(11) The method according to any one of (1) to (8), which is performed for performing a genetic analysis.
(12) The method according to (11), wherein the genetic analysis is F2 analysis, RI (recombinant imbred) analysis, or QTL (Guantitative Traits Loci) analysis.
(13) The method according to any one of (1) to (8), which is performed for creating a genetic map of an organism,
(14) a genetic map of an organism created using a genomic DNA band showing a polymorphism detected by the method according to (13) as a marker,
(15) A method for selecting a clone corresponding to a specific nucleic acid band on a gel detected by the method according to any one of (1) to (8) from a genomic DNA library,
(A) dividing a genomic DNA library of a specific organism into a plurality of sub-libraries each having a size of one genome or less of the organism;
(B) A step of assigning the row, column, and plate numbers of the sublibrary to all clones included in each sublibrary (here, the row, column, and plate are coordinate X, coordinate Y, and coordinate Z, respectively) ,
(C) Clones showing a particular row of all plates (coordinate X clones) and clones showing a particular column of all plates (coordinate Y clones), and on a particular plate of one sublibrary 5. A method according to claim 1, wherein all clones (coordinate Z clones) are collected and DNA is separately extracted to prepare a coordinate sample, a genomic DNA prepared from the organism is prepared as a control, and the coordinate sample and the control are arranged side by side. Electrophoresis by the method described in any of the above, a step of detecting a band,
(D) The band at the same coordinate among the clones of the coordinate X clone group, the coordinate Y clone group, and the coordinate Z clone group corresponds to the band of the nucleic acid of interest in the control and the band having the same electrophoretic mobility on the gel. Determining whether or not
(E) selecting a clone corresponding to the determined three-dimensional coordinates from the sub-library.
(16) The method according to (15), which is performed to create a contig covering the whole genomic DNA of a specific organism.
(17) An electrophoresis apparatus for electrophoresing nucleic acids, wherein a plurality of gel plates having a size of 10 to 30 cm square can be simultaneously mounted to perform electrophoresis, and more than 32 nucleic acids per gel plate An electrophoresis apparatus capable of simultaneously electrophoresing a sample.
1. Electrophoresis and electrophoresis equipment
The electrophoresis apparatus of the present invention is an electrophoresis apparatus capable of mounting a small polyacrylamide gel (10 to 30 cm square, standard 18 cm square). It is possible to electrophores 2 (4-4 standard) size markers at the same time, and by electrophoresing 2 or more (4 standard), multiple (265 standard) samples can be electrophoresed simultaneously. It is possible to do. One example of the electrophoresis apparatus used in the present invention is shown in FIGS. 1 to 4.In this electrophoresis apparatus, 64 samples and two sizes are formed by 66 wells of a 1 mm thick gel made of one piece of 18 cm square glass. The standard and the standard can be run simultaneously, and four gels can be electrophoresed simultaneously with one electrophoresis device. Thereby, 256 samples can be simultaneously electrophoresed at one time.
For the gel, a discontinuous polyacrylamide electrophoresis system (Laemmli, UK (1970) Nature 227: 680-685), which is usually used for protein electrophoresis, can be used to reduce a sample of up to 10 μl to a narrow width of 1 mm. Can be electrophoresed with high resolution even in the lane, and the sensitivity of band detection is also improved.
In the nucleic acid electrophoresis method of the present invention, in order to improve the resolution of the nucleic acid band on the gel, concentrated gel (Tris-HCl pH6.8, 0.5M) and separation gel (Tris-HCl pH8.8, 1.5M) to perform two-layer electrophoresis. Regarding the electrophoresis of the nucleic acid, it is possible to migrate the nucleic acid as a double strand, or to electrophores the nucleic acid as a single strand after denaturation according to the purpose. In this case, electrophoresis is performed on a denaturing gel (a gel containing 6 to 8.5 M urea). When a nucleic acid polymorphism is detected, a small polymorphism that cannot be normally detected can be detected with high sensitivity by electrophoresis as a heteroduplex.
In the nucleic acid electrophoresis method of the present invention, it is preferable to use a silver staining method or a fluorescent staining method for detecting a nucleic acid band after electrophoresis. If silver staining is used, highly sensitive detection can be performed in a short time (1-2 hours). Moreover, compared to the method using an isotope, less experience is required, and if it is safe and dried as it is, it can be stored as a sample and sensitivity can be further increased. If fluorescent staining is used, the results can be seen in about 30 minutes of staining, and the nucleic acid recovery rate is high and excellent for excision and recovery of bands.
In the method of the present invention, for example, an amplified DNA sample or the like is designed by designing an electrophoresis gel comb so that two or more lanes can flow at the same interval (9 mm) as the holes of an 8 × 12 96-well microplate. Can greatly improve the operation efficiency when loading the gel on the gel.
2. Detection of nucleic acid markers
In the case where a polymorphism of a nucleic acid is to be detected by the method of the present invention, the most efficient method is used in combination with AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism: Vos P, et al. (1995) Nucleic Acids Research 23: 4407-4414). Although considered to be high, it can be combined with various other nucleic acid polymorphism detection methods.
For example, if the AFLP method is used, in the case of a rice (450 MB) -sized genome, primers for amplifying a genomic fragment having both a 6-base cleavage side and a 4-base cleavage side on both sides are selected by 3 bases on both sides. When nucleotides are used, about 50 amplified bands are obtained per lane (see formula below). In a standard system consisting of 4 gels and 256 sample lanes, about 12,800 bands are obtained in one run (Example 2).
Whole genome size ÷ number of cuts by 6 base restriction enzyme 選 択 selectivity by 3 nucleotides on both sides of genome fragment = number of bands
(450MB ÷ 46× 2 ÷ 43x2≒ 50)
This is comparable to the information content of several gels when performing the RLGS method, and since the lanes to be compared can be arranged next to each other, it is easy to directly use raw data without using a special reading device etc. Can be compared to
As shown in FIG. 6 (Example 2), from the experimental example of actual AFLP obtained by cutting rice genomic DNA with EcoR I and Mse I, the number is close to the number estimated by the above calculation. Although the number of bands is obtained, the number of particularly clear bands is about half.
Performing PCR with 5-10 μl using a 0.2 ml microplate for 96 samples can reduce the cost of enzymes such as heat-resistant DNA polymerase and nucleotides, and use 8 10 μl pipettes at a time. Since the sample can be transferred to a gel, the efficiency is high, and electrophoresis of four gels can be performed once a day with sufficient margin.
The four gels after electrophoresis can be stained efficiently and at low cost by performing silver staining in one container at a time. Generally, a commercially available silver staining kit for proteins can be used for staining.
As a nucleotide primer used in the AFLP method, a nucleotide compatible with any restriction enzyme can be used, and an arbitrary selected sequence of one to several bases can be added to the 3 ′ side, so that it is almost infinite. Becomes possible. For plants with a genome size of 1 GB or less, using EcoR I and Mse I as the respective restriction enzymes of 6 bases and 4 bases, and using PCR primers each having 64 3 nucleotide selection sequences, 64 × 64 = 4,096 amplifications are possible, and in genetic analysis between parents with a polymorphism rate of 5 to 10%, 10,000 to 20,000 polymorphic bands can be searched. This is a practically sufficient number for creating a physical map, and exceeds the number of markers in a conventional genetic map by one or more digits.
Important bands such as bands near the target gene obtained by bulk analysis (Michelmore RW, et al. (1991) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88: 9828-9832) and the like were cut out after staining, and gels were cut out. After crushing, it is extracted with an appropriate buffer, and then subjected to PCR again, inserted into an appropriate plasmid, ligated, and isolated to analyze its sequence (Example 4).
With the above combination, for example, four lanes / primer pair electrophoresis were carried out, for example, two samples obtained by mixing the parents of the cross and two dominant and homozygous homozygous individuals in F2, each consisting of about 10 individuals. For example, a standard electrophoresis apparatus (4 gels: 256 lanes) can run 64 primer pairs in one run. As a result, all combinations of the 4,096 selection primers are completed in 64 runs (about 2 months in total). This is equivalent to scanning and retrieving 20,000 polymorphic bands in the whole genome in a combination having about 10% polymorphism such as the cross between rice and India. This efficiency is one to two orders of magnitude higher than conventional techniques, which allows for the isolation of genes in a short time, with or without a genetic map. In addition, the cost for performing all of the 4096 searches is inexpensive at around 400,000 yen.
3. Genetic analysis
1) F2 analysis
When trying to determine the genetic distance (or distance on the map) between any gene or combination of polymorphic markers, the most commonly used is F2 analysis, but the method of the present invention is used. According to the F2 analysis described above, the distance between polymorphic markers or between a polymorphic marker and a gene can be determined extremely efficiently.
In other words, similar to general F2 analysis, a line (A) that has a certain gene and a line that does not have the target gene or has a clear difference in its traits. Select and cross with a certain line (B) to obtain a large number of F2. The number of F2 individuals to be analyzed depends on the accuracy of the analysis.In order to obtain the accuracy of 1CM, if 50 homologous individuals (usually recessive homologous individuals) are used, the target gene and polymorphic marker of 100 chromosomes are used. The genetic distance between the two can be determined by examining the recombination rate between them. Analysis of recessive homozygotes shows that if there is no recombination, all individuals with the same marker type as the parent with the recessive trait in one parent have a recombination rate of 1/100, and only one chromosome of one individual shows recombination. Will be done.
In the present invention, since the standard system can analyze 256 individuals at a time, if only such homologous individuals are obtained, it is possible to test the recombination of the polymorphic marker on 512 chromosomes by one run, Analysis with an accuracy of 0.2CM is possible. By using the AFLP method as a polymorphic marker, the test is performed with a very small amount of sample DNA (100 ng or less). That is, genomic DNA is prepared from each individual, double digested with two enzymes, EcoR I and Mse I, and an adapter suitable for each enzyme is bound to the genomic DNA fragment. Primary PCR is performed using primary primers compatible with this adapter to amplify genomic fragments. Next, using a secondary primer having an arbitrary 1-4 bases extended to the 3 ′ side of the primary primer, only a part of the genomic fragment adapted to this sequence was subjected to PCR amplification, and the molecular weight was determined by the electrophoresis method of the present invention. Separate according to. After the electrophoresis, the gel is stained by silver staining or the like, and a test is performed to determine whether or not the target polymorphic marker has recombination.
According to the present invention, precise F2 analysis at a level of 0.2 CM for 256 individuals was completed with a small amount of DNA in one run, and no blotting or autoradiography was required, and four stained and dried gels were used. Can be stored in the album as it is in cabinet size, so the analysis of the results is extremely easy.
2) RI analysis
RI strains (Recombinant Inbred lines) refer to strains obtained by self-breeding F2 individuals produced by crossing different strains for generations. As a result of the large number of inbreds, most loci are homozygous, and the number of heterozygotes is small, so the segregation ratio is 1: 1 for the dominant trait: recessive trait. Therefore, the genetic analysis according to the present invention can be performed as it is. The ratio of heterozygous individuals is halved, and a more precise genetic analysis is possible than F2 analysis, in which the separation ratio between the dominant and recessive traits is 3: 1. If an appropriate RI strain is available, genetic analysis (RI analysis) using genomic DNA extracted from many RI strains using the present invention can be performed in exactly the same way as in the case of F2 analysis.
3) Narrowing down nearby markers
By using the electrophoresis method of the present invention, in order to narrow down the markers near the target gene obtained by the bulk analysis method by F2 analysis and finally map the nearest marker group, once by the standard method, Since 256 samples can be electrophoresed, genetic analysis can be performed with extremely high efficiency. In other words, in rice (in the case of the Japanese-Indian cross), as described in Section 2, if the polymorphic markers of 20,000 bands are evenly distributed in the whole genome of 2,000 CM, the gene obtained by the bulk method It is expected that the number of markers present in a region of a total of 20 CM, about 10 CM each on both sides in the vicinity, is 200 bands. In order to narrow down the nearest markers among these nearby markers, as a first step, first, 14 recessive homozygous individuals of the F2 generation per marker and the DNA of their parents were flown to 16 lanes per marker, The presence or absence of recombination between the gene and the candidate marker is examined. In this way, the recombination rate for 28 chromosomes is calculated for each marker. The resolution at this time is about 3.5 CM. As a result, four bands of candidate markers are tested per gel, and it is possible to check 16 bands of markers in one run, and at the same time, individuals that have undergone recombination in the vicinity of the gene are clearly identified. It becomes. After that, only eight lanes are used in total, including six transgenic individuals and parents in the vicinity, and the check of the remaining 192 markers is completed by six runs.
Assuming that the marker and the position of chromosome recombination occur evenly, it is expected that the above-mentioned screening will provide about 40 bands of markers near 8CM in total, within about 4CM on both sides of the gene. In the second step, in order to map each marker remaining in the primary screening with an accuracy of 1 CM, first of all, 12 markers were used for each run of 3 rounds using a gel, and 62 recessive homologous F2 generations were used. + Run AFLP product for parents. As a result, a precise map of the region within the gene vicinity 8CM is obtained, and individuals that have undergone recombination in the nearest neighborhood within about 1CM of the gene are revealed. Analyzing the remaining 28 bands using these recombined individuals in the vicinity will reveal their locations on this map. Again, the analysis in the vicinity of the gene is completed by checking the 224 lanes with 8 lanes x 28 combinations = 224 lanes together with the 6 nearest recombinants and the parents in combination.
In other words, the nearest marker within about 1 CM can be narrowed down by about 11 times of migration from 200 neighboring marker candidates selected by the bulk method from 20,000 polymorphic bands.
In gene isolation, if an organism with a genome size of 1 GB or less has such a marker, the average 1CM will be 500 kB or less. Can be selected to form a contig.
Even when the accuracy is further improved and analysis is performed at the 0.2 CM level using 256 recessive homozygotes, if the appropriate neighboring marker 4 bands are selected and run four times, which individual It becomes clear whether recombination is occurring nearby. Using the recombined individuals in the vicinity, if the state of recombination in the band considered to be the nearest is checked in the same way as at the second stage, the nearest marker can be easily obtained by one run .
The principle here is based on the assumption that the bands obtained by electrophoresis are distributed almost uniformly in the genome and chromosome, and that chromosome recombination occurs uniformly on the genome. Although the distribution of bands and recombination positions in the chromosome is actually unevenly distributed, the distance between the target marker and the neighboring marker obtained for the number of F2 used is more uniform than in the case of a uniform distribution. Tends to be large.
4) Application to marker breeding
In addition, the near marker of the specific trait gene obtained as described above is used as a highly reliable marker even when performing native breeding by mating, and the marker is used in a large number of mating progeny obtained by mating. Even when performing analysis, analysis by the genome scanning method can easily analyze a large number of individuals by taking only a small amount of DNA sample, and the work efficiency is significantly higher than the conventional method by the RFLP method. Improvement and cost reduction can be achieved.
5) Application to QTL (Quantitative Traits Loci) analysis
QTL refers to a genetic trait locus whose trait expression is not as qualitatively strong and in many cases multiple loci are involved in the expression of that trait. QTL analysis analyzes which locus at which position on the chromosome contributes to the expression of that trait.
In the QTL analysis, polymorphisms in a large number of mating progeny individuals must be examined for a large number of nucleic acid markers uniformly distributed throughout the entire genome. For example, if QTL analysis is performed using markers distributed in the whole genome of 2,000 CM at a marker density of about 10 CM / line, it is necessary to examine 200 markers for F2 of at least about 50 individuals. If this is performed using RFLP markers, it is necessary to perform 200 hybridizations on the membrane on which the nucleic acids of 50 individuals are plotted, and one hybridization takes two days. Even if it does, it will take a total of 100 days. Even if a membrane can be used ten times, the labor required to collect as many as 100 μg of nucleic acid from all 50 individuals to prepare 20 membranes is enormous.
By using the AFLP method in the method of the present invention, several polymorphic bands can be obtained per lane in a sample showing about 10% polymorphism such as the cross between rice and Japanese. The search for 200 markers can be completed by electrophoresis with a little over 50 primer pairs. Since it is possible to run 5 primer pairs in one run (50 x 5 = 250 lanes), migration of 50 individuals can be completed for all markers after only 10 runs (10 days in total). You can do it. Moreover, the amount of 1 μg of DNA required for each individual is sufficient.
Specifically, first, it is necessary that a genomic map of the organism by the AFLP marker has been prepared. Can be easily created by using the present invention as described in (1). From this map, a marker is selected at a desired density, but it is efficient to select as few primer pairs as possible so as to cover the entire genome.
Regarding the crossover, an appropriate polymorphism frequency can be obtained by selecting combinations that are genetically separated from each other in a line that has a remarkable quantitative trait and a line that hardly shows the trait. If the combinations are too far apart, the markers may not be separated smoothly. Approximately 50 individuals (the number of which varies according to the purpose) obtained from this crossing are used to quantitatively measure the target traits for the F2 or RI strains, and use genomic DNA prepared from each for 3.1). As described above, the genomic fragment is amplified by the AFLP method, and is electrophoresed by the system of the present invention to check and record the marker band polymorphism.
By plotting the product of the number of target traits and the number of polymorphisms of one parent for each band for all marker bands on the map, the contribution of the loci near each marker to the target trait becomes apparent.
4. Application to variety / strain discrimination
According to the present invention, it is possible to efficiently search for a marker necessary for discriminating a specific breed or line of an agricultural or livestock product or various biological species. That is, AFLP is performed using DNAs obtained from a large number of varieties to be compared, and by performing electrophoresis simultaneously using the electrophoresis apparatus of the present invention, tens of bands are obtained for tens to hundreds or more varieties. Can be compared at the same time. This makes it possible to easily select a specific identification band for many types.
In this case, by combining n bands, it is theoretically possible to identify up to 2n varieties / lines, but in the actual case, the number of identifiable varieties / lines is less than this Somewhat less.
When varieties and strains are very close to each other and polymorphism is difficult to obtain with normal AFLP etc., AFLP and RAPD products etc. based on the genome to be compared are mixed, heated and cooled, and migrated as heteroduplex, By comparison with the target band, differences between varieties can be detected with high sensitivity, easily, and efficiently.
If a specific band with high discriminating ability is identified, the band is isolated by the method described in section 7 so that PCR amplification can be performed from specific primers.After PCR, simple agarose electrophoresis is performed for 1 hour. The type can be determined by the degree. Furthermore, a specific fluorescent label is pre-applied to the primer, and whether or not a band is amplified therefrom is checked with a PCR device equipped with a fluorescence detector. It is also possible to identify varieties and strains without any need.
5. Genetic mapping of organisms
When trying to create a genetic map (more precisely, a nucleic acid marker map) that covers the entire genome of an organism, depending on the required map resolution, several hundred to over a thousand markers, as with QTL analysis It is necessary to analyze using a number of F2 individuals. In the case of higher plants, especially the major crops, most of which have a total genome length of 1,500 to 2,000 CM, if it is attempted to create a genomic map with the density and accuracy of about 1 CM by the conventional RFLP method, more than 100 F2 generations It is necessary to repeatedly blot the prepared membrane for about 1,800 markers, and it takes four days including preparation of the probe for one blotting.Therefore, even if four kinds of probes are processed at one time, a total of 1,800 Takes days work. In addition, the amount of nucleic acid required for this is enormous, and each individual F2 requires 1 mg or more of DNA. For this reason, genetic maps have been created by teams of tens of people over the years.
In the present invention, if a combination of mating parents having about 10% polymorphism is taken as an example, an average of 4 to 5 polymorphisms can be seen in one primer combination, so that in a preliminary test, 6 or more polymorphisms are obtained in advance. By selecting a primer combination that indicates, and using this to perform mapping using the F2 generation of 128 solids with the standard model, it is possible to map 12 or more markers with 2 primer pairs in one run . Therefore, a map with 1,800 markers can be created with a single person and a total of 150 days of analysis to produce a precise map, which is more than 10 times as efficient as the conventional method. If it is a map of the size of a marker, it can be made in about one month alone.
As a specific procedure, two lines separated by an appropriate genetic distance are crossed to produce a number of F2 individuals or RI lines according to the accuracy of the target map. If the average polymorphism rate does not exceed 10% between both lines, there is little risk of hybrid sterility or distortion of the separation ratio. For the time being aimed at an accuracy of about 0.5 or 1 CM, sufficient accuracy can be obtained with 128 or 64 individuals. Genomic DNA is prepared from these individuals, and the PCR fragment amplified by the AFLP method is electrophoresed, stained, and analyzed by the system of the present invention in the same manner as in the F2 analysis and the RI analysis described above. That is, the prepared genomic DNA is stored in a 96-well microplate, a part (about 0.1 ug) is taken, double digested with EcoR I and Mse I, and the adapter is joined to the cut surface. Perform pre-amplification with the same 5'-side primer as in. Next, the pre-amplified PCR product is used as a template for secondary amplification with a selection primer having an appropriate number of selection bases, and then applied to the electrophoresis apparatus of the present invention. At this time, if 8 or 12 pipettes or 8 to 12 micro syringes are used, the efficiency of gel loading is improved. For 64 samples, 4 primer sets can be used to run about 20 markers, and for 128 samples, 2 primer sets can run 10 markers at a time. For analysis of polymorphic bands, it is efficient to use a gene map creating software such as MAPL or MAMMAKER.
As a reference example, using the system of the predecessor of the present invention using 8 gels of 15 lanes, an ALP of barley barley x RI of Kanto Nakasei Gold, an AFLP map of 227 markers was created in about 2 months using 99 lines, An example is shown in which a map composed of 272 markers was created by integrating the map composed of 45 markers obtained up to now (FIG. 11). Even in this case, an AFLP map can be prepared alone in about two months, and an efficiency about 40 times as high as that in the case of preparing a map using an STS marker or the like has been achieved. In the method of the present invention, the working efficiency is further improved over the system of the predecessor.
6. Application to species with large genome size
The present invention seems to be most effective when used in combination with AFLP, but the characteristics of AFLP are genomic fragments double digested with EcoR I (6 base recognition) and Mse I (4 base recognition) In the first amplification, this adapter sequence was used as a PCR primer so that all fragments were amplified.In the next secondary amplification, the primary primer was used as the primary primer. Using a selection primer having an extension of a selection sequence of one to several bases on the 3 'side of the primer, only a genomic fragment having a sequence compatible with the selection primer at both ends is specifically amplified. In the case of an organism having a relatively small genome size (such as rice: 450 MB), a primer to which a selection sequence of three bases is added on each side of the EcoR I and Mse I sites is used as a secondary primer. As a result, about 50 bands on average are selectively amplified as described in “2. Detection of nucleic acid marker”. For genomes of the size of filamentous fungi such as blast fungus (40 MB), 50 or more (40 MB / 450 MB) x 16-70 bands can be obtained by adding only one base at any restriction site. Is expected to be obtained. On the other hand, in an organism having a large genome size, it can be basically dealt with by increasing the number of bases of the selected sequence in the AFLP primer from 3 to 4.
However, as another method, the conditions for electrophoresis can be changed. Usually, when electrophoresing PCR amplification products, it is convenient to electrophores these materials as a double strand under non-denaturing conditions, but for organisms with a larger genome size (eg, barley: 5.5 GB) If the electrophoresis is performed with this strand, the bands will not be clearly separated. Here, using a denaturing gel containing 8.5 M urea, the DNA sample was subjected to heat denaturation at 90 ° C. for 3 minutes in the presence of 50% formamide to dissociate it into single-stranded DNA. Many bands can be clearly identified (Example 4).
In actual situations, AFLP becomes more difficult as the genome size increases, so it is realistic to use a combination of the above two methods.
7. Isolation of important band and its conversion to SCAR marker by sequence analysis
In the method of the present invention described in 3., 4., 5., etc., a band that carries particularly important information is identified in each case. That is, a band near the specific gene in 3., a band suitable for cultivar discrimination in 4., a band that becomes a landmark in the genetic map in 5., and the like.
These bands are cut out of the gel, eluted by crushing extraction, freeze-thawing, electrophoresis, etc., and then PCR-amplified again with the same primer pair, inserted into an appropriate cloning vector, sequenced, and both ends are primer-primed. (Sequence Characterized Amplified Region) marker (Example 3). In this case, it is easier to extract nucleic acids by using fluorescent staining such as cyber green for staining. Compared to the AFLP method using a sequencer, although the band can be identified but cannot be extracted, the method of the present invention is simple but can fully utilize the important functions of the original AFLP. Are better.
8. Isolation of genomic clones containing specific bands
Bands carrying important information indicated in 3., 4., 5. etc. may require isolation of genomic clones containing them. In particular, when isolating a gene having an important function by positional cloning, identify the nearest markers on both sides of the gene using the methods described in 2. and 3., and then use them to construct a BAC library. A clone carrying a band is selected from a genomic library such as, and the subsequent continuous clone is identified using markers at both ends of the clone (walking), and markers on both sides of the gene (flanking marker It is necessary to create a contig of a series of clones that connect between ().
If a high-density membrane has been prepared in which the constituent clones of the genomic library have been sorted and joined by colony hybridization, bands that have been directly PCR-amplified as in step 7, or bands that have been amplified as SCAR markers The target clone can be picked up by performing hybridization on the membrane using as a probe.
Alternatively, after the genomic library of the organism is divided into subgenomic libraries by the method described in Section 9, clones in the subgenomic library are cloned in such a manner as to correspond to the row, column, and plate number of the microplate. After preparing mixed coordinate markers, performing AFLP on these with the same primer pair using genomic DNA as a control, and then running with this system, the same band as the control is amplified. From the row and plate coordinates, it is possible to identify a clone having the target band without relying on hybridization.
9. Creating a contig covering the entire genome of an organism
If it is possible to clarify the adjacent state of all the constituent clones based on the genomic library of a certain organism by BAC, etc., connect the individual contigs to develop a contig (physical map) covering the entire genome Can be. The physical map created in this way corresponds to a so-called reproduction of the structure of the genome of the organism, and the completion makes it extremely easy to isolate and identify important functional genes without waiting for the entire genome to be sequenced. It will be able to handle the genome of the organism as if it were picked up. In fact, once the whole genome contig is completed, the subsequent genome sequencing can be almost completely automated. However, until now, the creation of whole genome contigs could only be handled by a large research group with dozens of people. However, according to the present invention, it is possible to produce a contig covering the whole genome in about one year by one person with a genome size of about rice (about 500 MB).
Until now, the biggest reason that whole-genome contigs were difficult was that it was difficult to obtain specific labels for marking each clone constituting the genomic library. In the present invention, by combining with AFLP, it is possible to obtain as many as about 30 to 50 highly specific bands at one time in one lane, which are labeled with two parameters of the three base sequences at both ends and the number of bases (length). . All of these specific bands can correspond to the constituent clones of the genomic library, and the distribution density of the bands can be made sufficiently smaller than the length of the BAC clone, thus connecting clones sharing the same marker. It is not difficult to go on.
Here, in order to make a one-to-one correspondence between the AFLP band and the library clone, a genomic library of the whole genome, which is usually several genomes or more, is divided into several sublibraries corresponding to about one genome. Furthermore, the clones that make up the sublibrary are uniquely determined by the row plate, plate, and plate numbers and coordinates, so clones that have the same axis coordinates using the row, column, and plate numbers as coordinate axes respectively A small amount of DNA is collected and mixed from to produce a coordinate sample representative of the row, column, and plate axis coordinates. Using these as a template and performing the genome scanning method of the present invention, comparing the AFLP pattern at both ends of the coordinate lane with the whole genomic DNA as a template as a control, clones corresponding to a specific band using genomic DNA as a template Can be easily detected from the sublibrary. If the subgroup has 2 or n corresponding clones, 2Three8 or nThreeThe clones correspond to the band. In this case, if these eight clones are taken out and subjected to a second electrophoresis by a genome scanning method, two true clones can be identified. A specific method for preparing a coordinate sample of the sublibrary is shown in Example 5.
In this way, if the library has a genome size of about the blast fungus (about 40 MB) and an average insert size of 120 kB, the sublibrary equivalent to about 1 genome will be about 300 clones, 8 rows, 6 columns, 6 half plates Can be stored in In this case, even if a total of 22 lanes of the control genome and 2 lanes of the control genome are flown with respect to 20 lanes of the coordinate sample, the sub-library corresponding to 6 genomes, that is, the whole genome library can be migrated using the two gels. That is, if two primer pairs and about 60 bands can be identified and corresponded in one run, 1500 bands can be handled in 25 runs. This is a density of 40 MB / 1500 lines = 27 kB / line and corresponds to an average of 4.4 bands identified for a BAC clone having an average size of 120 kB. Given this, it can be seen that it is fully expected that almost the entire genome will be covered by this (see Example 5).
For a library equivalent to 6 genomes with an average insert size of 150 kB even for a rice genome size (450 MB), a matrix of 16 rows, 12 columns, and 16 x 2 plates using 32 plates equivalent to almost 1 genome , It is possible to perform electrophoresis for six sublibraries at one time, and about 25 bands are identified at one time. In 200 runs, 5000 bands were identified, which corresponds to a density of 450 MB / 5000 = 90 kB / line, so a 150 kB average clone from a library containing 6 times the degree of duplication had a long contig. It is considered that the density is sufficient to produce.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view and a top view of a main body of a standard electrophoresis apparatus used for a genome scanning method. Four 18 cm square gels can be run simultaneously. One gel has a comb for loading 66-68 specimens of 1 mm width, and a well for sample application is prepared. Since 2 to 4 lanes are used for flowing molecular weight markers, etc., 64 samples / gel, 4 gels Can run 256 samples at a time. By using eight micropipettes, a sample efficiently amplified by PCR can be applied to a gel.
FIG. 2 is a view showing a gel plate stopper of a standard electrophoresis apparatus used for the genome scanning method.
FIG. 3 is a diagram showing a comb of a standard electrophoresis apparatus used for the genome scanning method.
FIG. 4 is a photograph showing a finished product photograph of a standard electrophoresis apparatus used for the genome scanning method.
FIG. 5 is an electrophoretogram showing primary screening using a genome scanning method for candidate markers near the non-pathogenic gene avrPib of rice blast fungus obtained by bulk analysis. Genome scan combined with AFLP for the parent strains avrPib-, +, bulk avrPib-, +, F1 strain avrPib-6, and +6 for primer pairs A, B, C, and D having four types of nearby marker candidates, respectively. Analysis was carried out. Triangles in the figure indicate bands of marker candidates. For A, B, and C, the primary screening all showed genotype and cosegregation as expected, but for D, recombination was observed for each of the + strains (solid triangles). Note that 5-60 bands were obtained for each primer pair. One gel can scan 3-4,000 bands, and four gels can be run at a time, so that 12-16,000 bands can be scanned. The number of selected nucleotides of the primer pair used here is 3 bases on the EcoRI side and 1 base on the MspI side. The polymorphism rate between the hybrid strains used here was about 5%, and the total genome of the blast fungus was about 500CM, so that about 500 polymorphic bands were obtained with 256 primer pairs, and 1CM / The whole genome can be covered by the density.
Fig. 6 is a detailed map of the vicinity of the gene obtained by mapping the marker near the non-pathogenic gene avrPib of rice blast fungus obtained by RAPD method and genome scanning method using 125 F1 strains by each method. Is shown. As shown in Table 1, the RAPD method used 700 primers, and the genome scanning method searched for nearby markers by PCR of 251 primer pairs. The search and mapping of RAPD markers took three months, while the genome scan method was completed in January. The number of bands counted is limited to very clear ones, so it is quite a few. An: Marker obtained by the genome scanning method. (Rn): Marker obtained by RAPD method.
FIG. 7 is an electrophoresis photograph showing an example of bulk analysis for searching for a marker adjacent to the rice cellulosic mutant Kamylaz: bc-3. From the left, a set of four lanes includes a mutant parent strain (M11: japonica), a mutant (recessive) homo bulk, a wild-type (dominant) homo bulk, and a wild-type parent strain (Kasalath: indica). Arrows indicate candidate markers near the gene where a clear difference is observed between the bulks. Even in the case of the clear band alone, 20-30 lines are counted per lane. If a slightly narrow band is included, the theoretical value of around 50 lines is confirmed in one lane.
Fig. 8 shows the crossing of Azum (6) x Kanto Nakasei Gold (2) and backcrossing by Azum (6) for seven generations to search for the genes that determine the bisexuality of barley. This is a photograph comparing the lines established as two near-isogenic lines with the background of azum and the return parent of azum with the genome scanning method. A search was made for differences in 16 primer pairs in 32 lanes, but the difference between the two was extremely limited, and these were polymorphic band candidates in a region strongly linked to the bisection gene.
FIG. 9 shows an example of SCAR (Sequence Characterized Amplified Region) marker obtained by isolating a band specific to “Akitakomachi”. Primer made by inversion. B is an electrophoretic photograph showing bands amplified by PCR from 10 major varieties of nucleic acids using the primers of A. A specific band was amplified only in "Akitakomachi". control1 is a specific band isolated for sequencing as a template.
FIG. 10 shows a method for directly selecting a clone corresponding to a specific band from a genomic library using a genome scanning method. Here, a library of six genomes of blast fungus (genome size 40 MB) with an average insert size of 120 kB was divided into six sublibraries of almost one genome, and clones corresponding to the genome scanning band were separated from each sublibrary. The case of identification is shown.
In FIG. A, clones indicated by black circles are displayed as C rows, 4 columns, and a plates. A coordinate sample representing the C-th row is prepared by collecting 10 ng of the DNA of the clones in all the rows in the C-th row of all the half plates. In FIG. B, one sub-library is composed of a coordinate sample for eight rows, six columns, and six half plates, and a target genome lane, for a total of 22 lanes. Six genomes can be run on two gels at the same time, and the corresponding clone is identified from the coordinates showing the band that matches the control band.
FIG. 11 shows an example in which a genetic map of barley was prepared by electrophoresis on a 15-lane type gel, which is a precursor of the genome scanning method. Of all 272 markers, 227 AFLP markers were mapped in this manner.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
[Example 1] Fine mapping of nucleic acid markers near the avrPib gene, a non-pathogenic gene of rice
For non-pathogenic gene avrPib of blast fungus corresponding to rice resistance gene Pi-b, we tried to search for nucleic acid markers in the vicinity and to determine the genetic distance between the obtained markers and this gene. avrPib is a non-pathogenic gene of blast fungus corresponding to the rice resistance gene Pi-b, and rice gene resistance is established by recognition of this gene product by the rice Pi-b gene, avrPib gene Mutation of the will disrupt the resistance of Pi-b. Therefore, it is necessary to isolate the gene and investigate the cause of the mutation in the strain that caused the resistance collapse and how the resistance gene product interacts with the non-pathogenic gene product. Comparison of RAPD method and RAPD method as a representative of the conventional method by crossing with blast fungus infecting Pi-b isolated from the area where resistance collapse actually occurred did.
A strain carrying avrPib (which does not infect rice with Pi-b) and a strain without avrPib (infecting rice with Pi-b) were crossed to obtain a large number of strains of the F1 generation. . After inoculating these F1 strains into rice plants having Pi-b and examining the presence or absence of avrPib in each strain, a bulk of genomic DNA was prepared from more than a dozen strains each of the avrPib holding group (+) and the deletion group (-) Then, AFLP analysis was performed with 64 × 4 = 256 primer pairs using 4 kinds of samples of 2 parent strains and 2 kinds of + and − bulks. Since the genome size of blast fungus is about 40 MB, which is about 1/10 of rice, the genome can be covered with about 1/16 of the primer pair of rice.
For comparison, the results were compared with the results of amplification using about 540 primers by the RAPD (Random Amplified Polymorphic DNAs) method. In the RAPD method, for example, 144 lanes can be run simultaneously at the same time on a large submarine gel, but in the bulk method, 540 × 4 = 2160 lanes need to be run, and it takes 15 days, Only 1860 bands were compared between the bulks, and about 100 parental polymorphism bands were found.
On the other hand, in this method, about 5700 bands could be compared and searched in 4 days, and 304 polymorphic bands were found (Table 1). This indicates that the efficiency of this method is 11 times that of the RAPD method (5700/1860 × 15/4).
Figure 0003573130
Among these polymorphic bands, RAPD and AFLP showed 6 and 41 candidate near-gene bands, for which there was a clear difference between dominant homozygous and recessive homozygous by the bulk method. These bands were tested using 12 actual F1 strains, and primary screening was performed (FIG. 5). Further, the number of F1 strains was increased, and finally, an accurate map of the vicinity of avrPib was prepared by testing with 125 F1 loaf strains (FIG. 6). The RAPD method showed two bands and the present method showed 12 bands within 20 CM of the actual target gene avrPib. The band closest to the target gene was 5.3 CM in the RAPD method, whereas it was 1.8 CM in the one obtained by this method. Since 1 CM is equivalent to about 80 kB for blast fungus, this distance can be said to be a distance that can be sufficiently transferred to physical map creation.
[Example 2] Precise mapping of bc-3, a rice Camillaz mutant gene
Nucleic acid markers near the causative gene of bc-3, one of the mutants (camillaz: brittle culm) that could no longer synthesize cellulose required for secondary thickening of the rice rod cell wall, were searched by genome scanning. As a parent strain for hybridization for F2 analysis, hybridization with japonica type bc-3 mutant: M11 and indica type wild type Kasalath was used. By analyzing up to the F3 generation, 10 mutant homozygous individuals and 8 wild-type homologous individuals were identified, and a mixture of each genomic DNA was subjected to bulk analysis by the genome scanning method combined with AFLP together with the parent strains. did. After double digestion of each nucleic acid with two enzymes, EcoR I (recognition of 6 bases) and Mse I (recognition of 4 bases), combination of 1430 primers with 3 bases selected nucleotide adjacent to the cleavage site of each enzyme For, a genome scanning method by bulk analysis was applied. FIG. 7 shows an example.
As a result, 97 nearby marker candidates were obtained, of which 50 could be effectively used to detect recombinant markers from recessive homologous individuals. For each marker candidate, perform narrowing down markers by performing F2 analysis with 10 recessive homologous individuals (20 chromosomes), and in particular, as a result of analyzing 24 markers, 32 recessive homologous individuals and 64 chromosomes, the target gene and One marker was found that was co-segregated (the distance to the gene was 0 CM) (FIG. 7).
[Example 3]
In an organism having an extremely large genome size such as barley (5.5 GB), when the present invention is applied by AFLP, when the number of selected bases of the primers on both sides of the genome fragment is 3 each, rice (450 MB) Electrophoresis of double-stranded DNA under non-denaturing conditions, such as genome size, does not always result in a clear band. In this case, increasing the number of selection primers is one corresponding method.However, even if three selection markers are used, the denaturing conditions of 6 to 8.5 M urea are added to the gel, and the sample buffer is also 50%. % Of formamide and heat denaturation at 90 ° C. for 3 minutes immediately before the electrophoresis to run the DNA as a single strand, resulting in sufficient band resolution.
Fig. 8 shows the crossing of Azum (6) × Kanto Nakasei Gold (2) and backcrossing with Azum (6) for 7 generations in order to search for the genes that determine the bisexuality of barley. A line showing sex was selected, and a genome scanning method was used to compare a line established as two near-isogenic lines with the background of azum and the return parent azum. A search was made for differences in 16 primer pairs in 32 lanes, but the difference between the two was extremely limited, and these were polymorphic band candidates in a region strongly linked to the bisection gene.
Under these electrophoresis conditions, an average of about 58 bands are identified in barley. When barley AFLP was performed on a large sequencer gel, the average number of bands was about 88 (Castilioni et al. 1998 Genetics 149: 2039-2056), so about 67% of the bands were identified. Become. Where large gels can only be performed with an efficiency of about 32 lanes per gel in one day, the present invention can process 256 lanes in one day, so that 5 to 6 times the efficiency can be obtained.
[Example 4] Isolation of discrimination band of rice cultivar identified by genome scanning method and design of specific primer by sequence analysis
We developed a SCAR marker to easily identify commercial rice varieties, and tried to construct a system that would allow anyone to easily identify the variety by performing PCR in that case.
Using the genome scanning method (AFLP), bands that identify the 10 main rice cultivars on the market were searched using 55 primers. This detection takes only two days. A number of bands suitable for discriminating varieties were obtained. One of the bands, specific to "Akitakomachi", was electrophoresed in a wide lane, stained with a fluorescent dye (vistra green), cut out, and treated with TE buffer. After crushing and extracting in the PCR, it was amplified by PCR using primers for AFLP. After inserting the PCR amplification product into an appropriate plasmid and introducing it into E. coli, and culturing and amplifying the bacterium, confirm that the desired insert is contained in the resulting plasmid with restriction enzymes, analyze the sequence, and analyze the target band. A primer that specifically amplifies was designed (FIG. 9A). Using these primers, PCR amplification was performed using DNAs obtained from 10 main varieties as templates, and it was confirmed that a specific band was amplified only in “Akitakomachi” (FIG. 9B).
[Example 5] Method of selecting library clone corresponding to nucleic acid marker
Usually, when identifying a clone corresponding to a specific band obtained by the present method from a genomic library, the SCAR marker obtained as in Example 3 is used to identify a clone on a high-density membrane on which the library is mounted. Although colony hybridization is performed to select positive clones, it is too laborious and costly to use this method for a large number of bands, and the internal sequence of the isolated band is not necessarily unique. Not always.
A method for directly selecting a library clone corresponding to a specific band by genome scanning without isolating the marker band may be as follows. First, DNA of a genomic clone such as BAC is extracted from all library clones by a plasmid extractor to prepare a plate having a DNA having the same sequence as the plate of the original clone. Next, the whole genome library is divided into a set of sublibraries of a size equal to or less than one genome. This ensures that on average only one clone in a sublibrary corresponds to a particular band. Furthermore, 10 ng of DNA is collected from clones with the same coordinate number using the row, column, and plate numbers as the coordinates from several microplate clones constituting each sublibrary, and correspond to each coordinate. Make a coordinate sample. For example, from the clone in the third row, DNA is collected by collecting 10 ng of DNA irrespective of the plate number or column number, and used as a coordinate sample on the third row. Similarly, a coordinate sample is prepared for all coordinates, and the same genome scanning method is applied to each coordinate sample and the whole genomic sample as a control. To prepare coordinate sample DNA, even without extracting the DNA of all clones of the genomic library, the culture of each clone, which was increased to about 2 ml, was mixed as it was for each row, column, and plate, and used as a coordinate sample. Later, the DNA may be extracted from the mixed culture. If a band corresponding to the target band in the lane amplified from the control whole genome is found in the row, column, and plate, the number becomes the three-dimensional coordinate of the desired clone, and the clone can be picked up from the sublibrary . If a large number of clone candidates are present in the sublibrary, they should be collected and then subjected to the genome scanning method for final determination together with the control again (FIG. 10).
This method is most effective when all the bands obtained by a large number of genome scanning methods are mapped to library clones to create a contig of the whole genome, so as to cover the constituent clones of the genomic library. is there. As a result, the whole genome contig can be easily prepared by one person.
In FIG. 10A, when a genomic library of blast fungus (40 MB) (average 120 kB; equivalent to 6 genomes) is divided into 6 subgenomic libraries, each of which is equivalent to approximately 1 genome, 6 half plates (3 sheets) 2 shows a method for identifying a specific clone from one subgenomic library consisting of a single full-genome library. For 1 subgenomic library, the first row of row coordinates represents 10 μg of DNA from all clones in the first row of six half plates (6 columns x 6 half plates = 36 clones), representing the first row. It is a coordinate sample. In other words, in one subgenomic library, 8 × 6 × 6 = 288 clones of the entire subgenome library using a total of 20 coordinate samples, each representing 8, 6, and 6 coordinate coordinates representing the row, column, and plate axes, respectively Can be identified.
As shown in FIG.10B, 20 lanes using the 20 coordinate samples as a template and 2 lanes using the whole genome of the template as a template were simultaneously electrophoresed by a genome scanning method to easily obtain a control in 22 lanes. A clone corresponding to the obtained band can be identified from one subgenomic library.
Since one gel (66 lanes) can simultaneously run three subgenomic libraries, two gels can cover the entire genome and six sublibraries. That is, considering one AFLP with one primer pair, a search for clones corresponding to about 25 to 40 bands can be performed using two gels for a whole genome library equivalent to 6 genomes. Since four gels are used in the standard genome scanning method, clones corresponding to the 50-80 band obtained by two primer pairs in one run can be similarly identified from the whole genome library.
Thus, even if conservatively estimated, it is possible to map about 50-80 bands of two primer sets to clones in one electrophoresis, and about 1,200-2,000 bands to genome in 25 electrophoresis. Can be associated. Considering that the genome size of the blast fungus is 40 MB, the average density of the bands in the genome is 40 MB ÷ 1,500 lines ≒ 27 kB / line, assuming that 1,500 bands have been obtained, and an average of 4.4 lines for an average clone of 120 kB This band is considered to be obtained, and the density is too high for producing a genomic contig, considering that the degree of duplication of clones is 6 on average. As a result, if only the BAC plasmid is prepared, a contig of a whole genome library consisting of 6 genomes is completed in about one month.
If the plasmid automatic extractor can be fully used, plasmids for 18 plates can be prepared in about two weeks.
Industrial potential
By using the method and the electrophoresis apparatus of the present invention, for example, it has become possible to search, identify, and acquire nucleic acid markers for the following purposes extremely easily and with high efficiency.
(1) Development of a polymorphic marker that marks a single gene that controls important functions and traits by using a polymorphism of a nucleic acid near the gene.
In this case, it is not necessary that an organism having the target gene has a genomic map composed of existing markers.
(2) Identification and isolation of clones near the target gene in positional cloning
When trying to isolate and clone a single gene that controls important functions and traits by positional cloning based only on its chromosomal location information, search for a marker in the immediate vicinity and use BAC (bacterial artificial chromosome). ) Is provided to provide a marker for lifting a clone in the region near the gene from a genomic library such as In this case, it is not necessary for the organism having the target gene to have a map composed of existing markers.
(3) Genetic analysis, creation of high-density maps
In addition to providing a large number of nucleic acid markers for producing a genetic map of an organism with high efficiency, linkage analysis in F2 or RI strains is performed with high efficiency, and high-density maps are produced with high efficiency. This facilitates the analysis of quantitative traits (QTL: Quantitative Trait Loci) based on the contribution of multiple genes.
(4) Identification of varieties
A high efficiency search for marker bands to identify rice and other foods and seed varieties on the market. Further, the obtained discriminating band is isolated and cloned, and a primer for SCAR (Sequence Characterized Amplified Region) analysis is designed from the sequence analysis. By using such SCAR markers, it is also possible to perform the kind identification in a short time on the spot. In addition, the SCAR conversion of a nearby marker that marks a specific gene makes it easier to use as a marker in breeding and the like, and is also useful for catching BAC clones near the gene.
(5) Preparation of a contig covering the whole genome of an organism
Clones that constitute a genomic library of an organism can be joined together to easily produce a contig covering the entire genome. That is, after dividing a genomic library consisting of several genomes into sublibraries equivalent to about one genome, for a set of microplates constituting each sublibrary, its row, column, and plate are respectively x, y, Coordinates are created on the z-axis, and DNAs of all clones orthogonal to each coordinate are put together to prepare a coordinate sample and used as a template. By performing this by a genome scanning method in parallel with a normal control using whole genomic DNA as a template, a clone corresponding to each band found in a whole genome lane can be identified (FIG. 10). If bands are found at a density of about 1 band / 20-50 kB, a whole genome contig in which several clones are duplicated on average can be completed.

Claims (2)

ゲル上の特定のDNAのバンドに対応するクローンをゲノムDNAライブラリーから選択する方法であって、
(a)特定の生物のゲノムDNAライブラリーを、それぞれが該生物の1ゲノム以下のサイズの複数のサブライブラリーに分割する工程、
(b)それぞれのサブライブラリーに含まれる全クローンに対し、サブライブラリーの行、列、プレートの番号を振り付ける工程(ここで行、列、プレートをそれぞれ座標X、座標Y、座標Zとする)、
(c)全てのプレートの特定の行を示すクローン(座標Xクローン群)、全てのプレートの特定の列を示すクローン(座標Yクローン群)、および1つのサブライブラリーの特定のプレート上の全てのクローン(座標Zクローン群)をそれぞれ集めて別々にDNAを抽出して座標サンプルとし、対照として該生物から調製したゲノムDNAを用意する工程、
(d) 10 30cm 角のゲル板を同時に複数枚装備して電気泳動を行なうことができ、かつ、ゲル板1枚当たり 64 以上の核酸試料を同時に電気泳動することができ、かつ、ゲルが 1 レーン当たり 10 μ l の核酸試料を適用できる 1mm 厚の不連続緩衝液型のゲルである、電気泳動装置を用いて、座標サンプルとしたDNAと対照としたDNAとを並べて電気泳動する工程、
(e)電気泳動後のゲル上の座標サンプルとしたDNAのバンドと対照としたDNAのバンドを染色により検出する工程、
(f)対照における目的のDNAのバンドとゲル上での泳動度が一致するバンドが、座標Xクローン群、座標Yクローン群、および座標Zクローン群のそれぞれのクローン群の中のどの座標のクローンであるかを決定する工程、
(g)決定された3次元座標に対応するクローンをサブライブラリーから選択する工程、を含む方法。
A method for selecting a clone corresponding to a specific DNA band on a gel from a genomic DNA library,
(A) dividing a genomic DNA library of a specific organism into a plurality of sub-libraries each having a size of one genome or less of the organism;
(B) A step of assigning the row, column, and plate numbers of the sublibrary to all the clones included in each sublibrary (where the row, column, and plate are respectively represented by coordinates X, Y, and Z). Do),
(C) Clones showing a particular row of all plates (coordinate X clones), clones showing a particular column of all plates (coordinate Y clones), and all on a particular plate of one sublibrary Collecting the clones (coordinate Z clone group) from each other, separately extracting DNA as coordinate samples, and preparing genomic DNA prepared from the organism as a control ,
(D) Electrophoresis can be performed by equipping a plurality of gel plates of 10 to 30 cm square at the same time, and more than 64 nucleic acid samples can be simultaneously electrophoresed per gel plate. 1 is a 1mm thick discontinuous buffer type gel can be applied to a nucleic acid sample per lane 10 mu l, using electrophoresis device, the step of electrophoresis side by side and the DNA as a control and the DNA and coordinates sample,
(E) detecting by staining the DNA band as a coordinate sample and the DNA band as a control on the gel after electrophoresis,
(F) A band having the same degree of electrophoresis on the gel as the band of the target DNA in the control is a clone at any coordinate among the clone groups of the coordinate X clone group, the coordinate Y clone group, and the coordinate Z clone group. Determining whether or not
(G) selecting a clone corresponding to the determined three-dimensional coordinates from the sub-library.
特定の生物の全ゲノムDNAを覆うコンティグを作成するために実施する、請求項1に記載の方法。The method of claim 1 , wherein the method is performed to create a contig covering the entire genomic DNA of a particular organism.
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