background image

Wydział Chemiczny Politechniki Gdańskiej  

Katedra Technologii Leków i Biochemii 

 
 

Kultury tkankowe i komórkowe roślin i zwierząt 

 
 

 

IZOLACJA DNA Z TYTONIU

 

 
 
 

Wstęp. 
 

Niemal cała ilość informacji dotyczącej budowy organizmu roślinnego, jego 

rozwoju i funkcjonowania zawarta jest w jądrze komórkowym i zakodowana w DNA. 

Tylko niewielka część tej informacji znajduje się również w DNA organelli 

(mitochondrialnym, a u roślin zielonych – także w chloroplastowym). Informacja ta 

jest przekazywana do nowo powstających komórek w wyniku replikacji DNA w czasie 

podziału komórek merystematycznych, a podczas rozmnażania roślin – komórkom 

generatywnym i następnym pokoleniom.  

Biorąc pod uwagę najmniejszą ilość DNA znajdującego się w komórce rośliny 

kwiatowej (Arabidopsis thaliana – 0,14 pg, co odpowiada 125 x 10

6

 par zasad), 

przeciętną masę cząsteczkową polipeptydu (50 kDa) i zakładając, że cały DNA pełni 

funkcję kodującą, wyliczono, że mógłby on zawierać ponad 18 000 genów. Ilość DNA 

w komórkach innych roślin wielokrotnie przekracza zawartość DNA u Arabidopsis, 

toteż teoretycznie liczba genów jest dla nich znacznie większa. W rzeczywistości 

liczba kodowanych (i ulegających ekspresji) genów nawet w roślinach o genomie 

100-krotnie większym niż genom Arabidopsis  nie przekracza 20 000. Jest to 

skutkiem występowania u roślin 1) licznych genów w wielokrotnych powtórzeniach 

(kopiach), 2) długich tzw. powtarzalnych (ang. repetitive) sekwencji DNA, które nie 

mają zdolności kodowania, a w dużych genomach roślinnych stanowią do 60% 

całkowitego  DNA, oraz 3) intronów (sekwencji niekodujących) w strukturze genu. 

Ponadto u wielu roślin występuje zjawisko poliploidalności, polegające na 

zwielokrotnieniu liczby chromosomów, a tym samym – ilości DNA, bez powiększania 

asortymentu kodowanych białek.  

 

 
 

 

background image

Tabela1. Wielkość genomu niektórych organizmów modelowych i roślin użytkowych, 
które są przedmiotem badań molekularnych. W celu porównania zamieszczono 
również wielkość genomu ludzkiego. Dane z początku 2001 roku. 
 

 

Organizm 

Przybliżona wielkość 

genomu  

(w milionach par zasad) 

Zaawansowanie 

sekwencjonowania 

genomu 

 

Wirusy 

Bakterie 

Drożdże – S. Cerevisiae 

Nicień – C. Elegans 

Arabidopsis thaliana 

Drosophila melanogaster 

Ryż 

Kukurydza 

Homo sapiens 

Pszenica 

 

 

0,3 

12 

100 
125 
200 
700 

2500 
5000 

15000 

 

 

wiele zakończone  
wiele zakończone 

zakończone 
zakończone 

niemal zakończone 

zakończone 

częściowe 
częściowe 

zakończone 

częściowe 

 

 

 

Organizm modelowy to taki, który badany jest przez wielu naukowców ze względu 

na jego cechy, które czynią go łatwym obiektem badań oraz jest on na tyle podobny 

do innych organizmów, że wnioski wyciągnięte z jego badań mogą być szeroko 

zastosowane.  Kilka gatunków roślin było intensywnie badanych i z czasem stało się 

układami modelowymi; najważniejszym jest ostatnio  Arabidopsis thaliana, a inne 

szeroko badane to kukurydza i ryż.  

Arabidopsis thaliana   (rzodkiewnik pospolity, arabidopsis) należy do rodziny 

kapustowatych (Brassicaceae), jest małym i raczej niezbyt ważnym chwastem 

rolnicznym. Ma wiele istotnych cech, które czynią go odpowiednim organizmem 

modelowym do badania roślin: 

•  Małe rozmiary genomu, 120 000 kpz (w porównaniu z ryżem – 450 000 kpz, 

czy z haploidalnym genomem kukurydzy – 4 500 000 kpz), umożliwiły 

praktycznie całkowite zsekwencjonowanie genomu (Arabidipsis Genome 

Project – AGP). 

•  Niewielkie rozmiary. Dużą liczbę roślin można  łatwo hodować w komorach 

hodowlanych lub szklarniach.  

•  Krótki cykl życiowy. Od wykiełkowania do wytworzenia nowych nasion mija  

6 – 8 tygodni. 

 

background image

•  Małe nasiona, ważące 20 µg każde, około 20 000 z każdej rośliny. Nasiona 

można łatwo przechowywać i łatwo też uzyskiwać dużą liczbę roślin. 

•  Łatwo jest indukować mutacje (poddawać  mutagenezie) za pomocą 

czynników chemicznych lub promieniowania jonizującego.  

•  Łatwy obiekt do stosowania technik biologii molekularnej.  

 

 

Totipotencja  – w żywej komórce roślinnej somatycznej rośliny zawarta jest całość 

informacji genetycznej. Jednak różne komórki i tkanki zawierają różne białka. Inaczej 

mówiąc, różnice między komórkami (i tkankami) polegają na tym, że ulegają w nich 

ekspresji różne zespoły genów. Dotyczy to jednak niewielkiej części materiału 

genetycznego, genów kodujących białka organospecyficzne. Większość białek jest 

identyczna we wszystkich organach rośliny. Na kilkanaście tysięcy różnych białek 

syntetyzowanych w komórce roślinnej tylko kilkaset występuje wyłącznie w 

komórkach wyspecjalizowanych organów i tkanek. Pełnią tam one rolę strukturalną, 

katalityczną i regulacyjną, właściwą tylko dla tych organów i tkanek.  

 

Genom chloroplastowy. 

Plastydy mają pewien stopień autonomii genetycznej związanej z obecnością DNA w 

tych organellach. DNA chloroplastowy wykazuje wiele  cech wspólnych z materiałem 

genetycznym organizmów prokariotycznych. Jego cząsteczka ma kształt kolisty i nie 

zawiera białek histonowych. Pojedynczy chloroplast zawiera 200 – 300 identycznych 

kopii DNA, które występują w grupach liczących od 5 do 20 cząsteczek, zazwyczaj w 

połączeniu z wewnętrzną  błoną osłonki lub błonami tylakoidów. Poznano całkowitą 

sekwencję nukleotydów kolistego DNA chloroplastowego niektórych gatunków roślin 

(tytoń, ryż) i wyjaśniono funkcję większości występujących tam genów. Oprócz 

genów niektórych białek chloroplastowych, DNA plastydowy zawiera także geny 

kodujące wszystkie rodzaje RNA chloroplastowego (mRNA, tRNA, rRNA) 

uczestniczące w procesie translacji. Pojemność kodująca chloroplastowego DNA jest 

stosunkowo niewielka. Waha się ona u roślin lądowych w zakresie 120 – 160 tys. par 

zasad, ale w niektórych przypadkach liczba ta może przekraczać 200 tys. par zasad. 

DNA chloroplastowy zawiera prawie zawsze obszar liczący ok. 22 – 26 tys. par 

zasad, w którym część genów jest powtórzona (ang. inverted repeat), jednak 

większość genów w cząsteczce występuje pojedynczo. Szacuje się,  że genom 

 

background image

plastydowy zawiera geny dla około 120 białek, co stanowi niewielką część wszystkich 

białek występujących w chloroplastach, zaś pozostałe białka kodowane są przez 

genom jądrowy. Wiele białek chloroplastowych, jak np. karboksylaza 

 

1,5-bisfosforybulozy, kluczowy enzym w procesie asymilacji CO

2

, powstaje w wyniku 

współdziałania genomu plastydowego i jądrowego.  

 

Genom mitochondrialny. 

W macierzy mitochondrialnej roślin występuje wiele kopii kolistego DNA oraz 

rybosomów charakterystycznych dla organizmów prokariotycznych (o stałej 

sedymentacji 70S). Mitochondrialny DNA (mtDNA) koduje u roślin rRNA dla obu 

podjednostek tych rybosomów, wszystkie tRNA biorące udział w biosyntezie białek 

mitochondrialnych oraz niektóre białka mitochondrialne. 

 

 

Wykonanie ćwiczenia. 

Celem ćwiczenia jest izolacja DNA z liści tytoniu pochodzącego z hodowli in vitro.  

 

Materiały i sprzęt 

 
Zestaw do izolacji DNA z roślin Genomic Mini AX Plant ( A&A Biotechnology, 
Gdańsk).  
  
 
Przygotować na 1 podgrupę: 
 
liście 

tytoniu 

       50 

mg 

ciekły azot   

 

 

 

 

 

 

10 ml 

70% EtOH   

 

 

 

 

 

 

2 ml 

bufor TE (10mM Tris-zasada, 1mM EDTA, pH 8) 

 

100 

µl  

 

 

 

 

 

 
probówki eppendorfa 
probówki 15 ml z kolumną 
pipety automatyczne  
moździerz 
łopatka metalowa 
wirówka eppendorfa 12 – 14 000 obr./min. 
łaźnia wodna na 50

o

worteks 
 
 

 

background image

Odczynniki do elektroforezy agarozowej: 
 
1% 

agaroza 

      0.35 

agarozy/35 

ml 

TBE 

1x 

bufor TBEx5 : 
(0,045 M Tris-zasada, 0,045 M kwas borowy, 0,001 M EDTA, pH 8) 

50 ml 

bromek etydyny 0,5 

µg/ml 

bufor obciążający LB (50% glicerol, 0,25% błękit bromofenolowy, 1 mM EDTA, pH 8) 
marker wielkości DNA 
bufor TE 
 
 
cylinder miarowy 0,5 l i 100 ml 
kolba Erlenmeyer’a 25 ml 
 
aparat do elekroforezy poziomej 
zasilacz do elektroforezy 
naczynie do wybarwienia żelu 
transiluminator UV 
 
 
Izolacja DNA. 
 

1. Około  50 mg  świeżej masy roślinnej (liści tytoniu) umieścić w probówce 

eppendorfa i wstawić probówkę do lodu.  

2. Następnie tkankę roślinną przenieść do moździerza i ucierać energicznie i 

szybko z 10 ml ciekłego azotu.  

3. Przenieść utartą masę roślinną z powrotem do eppendorfa i dodać  0.9 ml 

zawiesiny lizującej LS oraz 20 µl roztworu Proteazy. 

4. Całość wymieszać i inkubować w 50

o

C  przez  30 minut. Próbkę należy od 

czasu do czasu mieszać. 

5.  Po inkubacji próbkę intensywnie worteksować przez 15 sek. A następnie 

wirować 5 minut przy 14 000 obr./min. 

6.  Po wirowaniu pobrać supernatant i nanieść go na kolumnę umieszczoną w 

probówce 15 ml. Poczekać aż lizat przejdzie przez kolumnę. 

7. Następnie dwukrotnie przepłukać kolumnę poprzez dodanie 1.5 ml roztworu 

płuczącego K2. Za każdym razem poczekać aż roztwór wypłynie z kolumny. 

8. Dodać do kolumny 0.25 ml roztworu elucyjnego K3 i poczekać aż wypłynie z 

kolumny.  

9. Przenieść kolumnę do nowej probówki eppendorfa 2 ml, która posiada 

odpowiednie  żeberka pozwalające na łatwe umieszczenie w probówce i 
eluować DNA przez dodanie do kolumny 1 ml roztworu elucyjnego K3. 

10. Do  eluatu  zawierającego DNA dodać  0.8 ml mieszaniny precypitacyjnej PM. 

Całość wymieszać i wirować 10 minut przy 12 000 obr./min. 

11. 

Po odwirowaniu zlać supernatant (na dnie powinien być widoczny 
jasnoniebieski osad DNA) o dodać do probówki 0.5 ml 70% EtOH. Próbkę 
wymieszać i wirować 3 minuty przy 12 000 obr./min.  

12. Po wirowaniu zlać supernatant i odessać za pomocą pipety resztki etanolu. 

Następnie próbkę suszyć pod wyciągiem około 10 minut

13. Osad zawiesić w 20 

µbuforu TE, inkubować przez 5 minut w 50

o

C, schłodzić  

i przechowywać w zamrażarce. 

 

background image

 
Rozdział elektroforetyczny wyizolowanego DNA. 
 

1. Próbkę z DNA wyjąć z zamrażarki i pozostawić w temperaturze pokojowej. 
2. 1% żel agarozowy umieścić w aparacie do elektroforezy pionowej i wlać 

odpowiednią ilość buforu TBEx1. W tym celu bufor TBEx5 rozcieńczyć: 100 ml 
TBEx5 i 400 ml wody redestylowanej. 

3. Sprawdzić czy studzienki w żelu są prawidłowo utworzone. 
4.  Do próbek z DNA dodać 5 µl buforu obciążającego LB i próbki zwirować przez 

1 minutę przy 5 tys. obr./min

5. Nanieść po 25 µl zawartości każdej próbki do studzienki oraz po 25 µl 

markera wielkości DNA. 

6. Rozdział DNA przeprowadzić przy stałym napięciu 50 V przez 3 godziny
7.  Żel wybarwić bromkiem etydyny (100 

µl/200 ml wody redestylowanej) przez ½ 

godziny, przepłukać dwukrotnie wodą destylowaną i oglądać na 
transiluminatorze UV. 

 
 
 
Przygotowanie sprawozdania. 
 

1. Opisać procedurę izolacji DNA z komórki roślinnej i wyjaśnić cel każdego 

etapu i rolę każdego czynnika. 

2. Porównać genom mitochondrialny komórki roślinnej  i zwierzęcej. 
3. Podać przykłady wielkości genomów mitochondrialnych i chloroplastowych dla 

różnych organizmów.  

 
 
Literatura uzupełniająca: 
 

1. Fizjologia roślin. J. Kopcewicz, S. Lewak, PWN 2002. 
2. Biologia roślin.  Krótkie wykłady. A.J. Lack, D.E. Evans, PWN 2003.   
3. Genomy. T.A. Brown, PWN 2001.