本文介绍了一种方法,该方法在提高通量的同时,平衡了操作难度与准确性,可用于从微生物细胞膜中提取脂质,进而对大量样本研究中的总脂质以及指示性脂质的相对丰度进行表征,以确定土壤微生物群落结构。
本文介绍了一种方法,该方法在提高通量的同时,平衡了操作难度与准确性,可用于从微生物细胞膜中提取脂质,进而对大量样本研究中的总脂质以及指示性脂质的相对丰度进行表征,以确定土壤微生物群落结构。
微生物群落是生态系统过程的重要驱动者和调节者。为了理解生态系统管理如何影响微生物群落,通常采用一种相对精确但操作较为繁琐的方法——磷脂脂肪酸(PLFA)分析,来检测微生物群落组成。PLFA 方法用于分析磷脂生物标志物,这些标志物可作为微生物生物量以及真菌和细菌等主要功能类群组成状况的指示指标。该方法常被用于比较不同植物群落、生态条件及管理措施下的土壤微生物状况。研究表明,PLFA 方法能够灵敏地检测出微生物群落组成的变化。
另一种方法是脂肪酸甲酯提取与分析法(MIDI-FA),该方法用于从纯培养物中快速提取总脂质,无需分离磷脂组分,可作为微生物鉴定技术。该方法虽然快速,但不太适用于土壤样品,因为它缺少初始的土壤颗粒分离步骤,而是直接从皂化反应开始,这可能导致土壤中背景有机质产生干扰物质。
本文介绍了一种在提高通量的同时平衡工作量与准确性的方法,用于从微生物细胞膜中提取脂质,以表征总脂质及指示性脂质的相对丰度,从而在包含大量样本的研究中确定土壤微生物群落结构。该方法结合了磷脂脂肪酸(PLFA)分析的准确性,首先提取并浓缩土壤脂质;随后通过皂化所提取的有机物质,并采用MIDI-FA方法进行处理,从而减少操作步骤和工作量。
鉴于微生物在养分循环1、植物群落组成改变2、植物生产力调控3以及有机物分解4中所起的关键作用,了解土壤微生物群落对于理解陆地生态系统至关重要。
由于脂质生物标志物在土壤中相对含量较高,且具有特定的化学特征,因此可用于分析构成土壤微生物群落的主要生态类群5。通过定量不同微生物类群特有的脂质生物标志物,可以估算总脂质含量,并将这些脂质进一步划分为具有生态学意义的类群,如革兰氏阳性(Gm+)和革兰氏阴性(Gm-)细菌、丛枝菌根(AM)真菌和腐生真菌,以及放线菌5,6,7,8。
表征微生物群落特征的方法有多种。磷脂脂肪酸(PLFA)法是常用于了解微生物群落基本结构的一种方法。该方法可有效评估不同微生物类群的相对丰度以及总微生物生物量。由于脂质代谢迅速,PLFA分析还能相对较快地检测土壤微生物群落的变化,并提供可用于比较生态系统功能的信息,例如通过真菌与细菌的比例来评估养分循环速率1,9,10。然而,尽管PLFA提取方法历史悠久且广受认可,但其操作过程耗时较长,难以适用于需要大量田间重复样品的生态系统尺度研究11,12。
相比之下,脂肪酸甲酯提取法(MIDI-FA)具有实现高通量分析的潜力。该方法中,样品经过皂化、转化为脂肪酸甲酯(FAMEs)、提取,然后进行分析。MIDI-FA 方法快速,但分辨能力低于磷脂脂肪酸分析法(PLFA),后者结合了脂质提取与不同脂质类别(磷脂、中性脂质和糖脂)的分离13。
在本实验方案中,我们描述了一种结合了PLFA和MIDI-FA脂质分析方法特点的技术。该方法采用改良的Bligh和Dyer法中的初始氯仿提取步骤进行脂质提取,随后进行皂化并转化为脂肪酸甲酯(FAMEs)。这种方法能够有效检测微生物群落结构,同时排除大量非微生物来源的背景干扰5,14。本方法的开发旨在平衡PLFA与MIDI-FA两种方案的优势,即在保留大部分准确性的同时提高通量,从而使大规模、多样本研究中的脂质分析在操作和经济上更具可行性15。通过在执行MIDI-FA前先进行初始提取,分离出有机溶剂可溶性组分(e.g. 脂质),并结合纯化步骤,该方案在分析速度与精确性之间实现了良好平衡。
注意:在整个操作过程中,务必始终佩戴适当的个人防护装备(PPE)。为避免样品可能受到污染,请勿用手直接接触玻璃器皿。在执行需要接触氯仿的实验步骤时,应佩戴适当的手套。
1. 准备工作(约40个样本需2天)
第2天 - 从土壤中提取脂肪酸(约40个样品需4至5小时)
第3步 第2天 - 脂质的提取(约40个样本需3至4小时)
4. 第3天——皂化与甲基化(约40个样品需6至7小时)
5. 第4天——工作溶液的配制及FAMEs转移至GC小瓶(约40个样品需2-3小时)
报告中的数据表可汇总至电子表格或数据库中。在对响应因子(用于校正不同碳链长度响应值的校正因子)进行校正后,可通过将峰面积与外标或内标的峰面积进行比较,计算出提取物中的浓度。通过除以所提取土壤的质量,数据可表示为每克土壤中脂肪酸甲酯(FAME)的质量,或通过使用每种FAME的分子量,更常以每克土壤中含有的FAME的纳摩尔数(nmol/g)表示。微生物FAME的总量可反映总微生物生物量,并可用于不同处理间的比较(图1)。某些FAME还可与特定微生物类群相关联,例如革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌、放线菌、丛枝菌根真菌以及腐生性真菌19,20,21,22,23,24。特定生物标志物质量的比值可反映这些类群的相对丰度(图2)。总体FAME丰度模式可形成群落水平的“指纹”特征,从而可通过排序等多元统计方法对微生物群落间的差异性进行比较(图3)。与大多数基于DNA的方法不同,群落水平的脂质数据既可按相对丰度也可按绝对丰度进行分析。若样品间总生物量存在显著差异,这两种分析方法将产生截然不同的结果;应根据实验所针对的生态学问题来决定采用哪种方法。

图1:总FAME生物量。连续玉米、施肥草原和未施肥草原的总FAME生物标志物生物量(nmol g-1 土壤)比较。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:细菌和真菌的FAME生物量。连续玉米、施肥草原和未施肥草原处理下细菌与真菌FAME生物标志物生物量(nmol g-1 土壤)的比较。真菌与细菌生物量基于绝对丰度计算(真菌总和/细菌总和的平均值)。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:FAME 脂质生物标志物的非度量多维尺度分析。基于所有微生物FAME脂质生物标志物的绝对丰度谱,对整体微生物群落进行比较。在本例中,连续种植玉米和未施肥草原的微生物群落相互分离且相距较远,而部分施肥草原样品的微生物群落与玉米地的群落相似,另一些则与未施肥草原的群落相似。请点击此处查看该图的放大版本。

表 1:溶剂类型、添加比例(g-1 土壤)及其加入顺序。这对有机相与水相的充分提取和分离至关重要。
补充文件 S1:请点击此处下载。
对于包含大量重复和/或实验单元的实验中多个样品的检测,研究人员可能会发现磷脂脂肪酸分析(PLFA)在时间和材料消耗方面具有较高限制性25。在PLFA方法中,通过改良的Bligh和Dyer26双相水-有机溶剂萃取法提取、纯化并鉴定细胞膜磷脂。随后采用固相硅胶色谱法按极性分离脂类,并将磷脂脂肪酸进行碱性甲酯化,转化为脂肪酸甲酯。在PLFA分析中,脂类得率可能较低,但纯度非常高。Microbial ID提出了一种替代方法,即脂肪酸甲酯法(MIDI-FA)。在MIDI-FA方法中,所有脂类直接通过皂化法从纯培养物或土壤/沉积物样品11,12,27中提取。该方法脂类损失较少,且操作快速,因其省去了PLFA方法中的浓缩和纯化步骤。然而,尽管MIDI-FA方法快速且成本较低,但由于其最初设计用于鉴定纯培养中的生物体,因此缺乏初始的提取和纯化步骤。因此,该方法可能共提取土壤有机质中的类脂化合物,从而干扰微生物群落特征信号27,28,29。由于此类干扰也可能影响生物量测定结果,MIDI-FA通常仅用于粗略的定性描述土壤脂类组成13。
本文所述方法结合了两种独立提取流程的优点:1)采用改良的 Bligh 和 Dyer26 方法进行脂质的提取与浓缩;2)采用商业化开发的脂肪酸甲酯皂化、甲基化、提取及碱洗流程。该方法旨在兼收上述两种方案的优势,同时尽量减少各自的缺点15。通过在执行 MIDI-FA 之前先进行初始提取,分离出有机溶剂可溶性组分(例如 脂质),并结合纯化步骤,本方案在速度与精确性之间实现了良好平衡。尽管该方法在需要高纯度(即 用于13C PLFA 分析)或需分别分析磷脂与中性脂质的情况下可能不适用,但在许多情况下,其检测微生物群落对环境条件响应的灵敏度高于基于 DNA 的方法30,31,32,33。细胞死亡后膜脂迅速降解,因此其可反映采样时刻存活的微生物群落状态5,7,而环境 DNA 中的大量信息则来源于已死亡或非活跃的生物体34。鉴于土壤微生物中普遍存在休眠现象35,对活体生物量的表征可用于在较精细的时间尺度上理解植物-微生物间的动态相互作用,而脂质生物标志物则可用于评估微生物群落的生理状态7。已有研究表明,在大范围野外条件下评估微生物响应需要高通量方法25。尽管本文提出的方法无法完全达到 PLFA 生物标志物分析的精确度,但其在提高通量的同时,显著降低了 MIDI-FA 流程中的变异性。该方法已被证明是研究大规模农业和生态系统中多种土壤微生物群落动态问题的有效工具36,37,38,42,43,44,45,46,47,48,49,50。
采用该方法会合并脂质类别,可能导致这些独立类别中所含信息的丢失22,39,但合并脂质类别可能增强检测来自磷脂和中性脂质的16:1 ω5c的丛枝菌根真菌来源的能力40。此外,尽管该方法检测出的未知脂肪酸(可能来源于非生命有机质)数量可能较高,但研究表明其数量仍低于MIDI-FA法,并且适用于需要处理大量样品、关注样品通量的研究中对脂质谱进行处理间的比较15。通常认为中性脂质组分主要来源于真菌合成的储存脂质,尽管也可能有少量来自土壤动物的贡献41。鉴于此,本文所述方法所得结果可能显示真菌脂质18:2 ω6,9c和18:1 ω9c的贡献高于PLFA法。在中性组分中常见的其他脂质还包括一些饱和脂肪酸,例如 16:0、18:0、20:0。
脂质数据的表达和分析有多种方式。最常见的表示方法是丰度(nmol/g)-1 土壤),摩尔分数(nmol 单个脂质 / nmol-1 总脂质)和摩尔百分比(摩尔分数×100)。以样品中总脂质为归一化基准,摩尔分数和摩尔百分比用于衡量特定脂质的相对丰度。经过适当转换后, 例如,反正弦平方根变换,摩尔分数适用于主成分分析或冗余分析排序。丰度是指每克土壤中提取的特定脂质的绝对含量。由于每个细胞的脂质含量相对恒定,且脂质提取效率高且全面,因此总丰度可良好估计总脂质量,而关键指示物种的丰度则反映了其所代表生态类群的生物量17最后,分析微生物群落组成的一个有效方法是采用多变量分析方法。16, 例如排序方法,例如非度量多维尺度分析(NMDS——无需数据转换)或主成分分析(PCA),可用于比较所有脂质生物标志物的相对丰度。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分由美国能源部大湖生物能源研究中心(美国能源部科学办公室生物能源研究计划 DE-FC02-07ER64494)和美国能源部生物能源技术办公室可再生能源与能源效率计划(DE-AC05-76RL01830)资助。作者谨此感谢 Anders Gurda 在视频拍摄与编辑工作中所付出的耐心与精湛贡献。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| RapidVap | Labconco | 7900000 | 蒸发系统 |
| RapidVap | Labconco | 7491400 | 样本块 |
| 耐化学腐蚀真空泵 | Labconco | 7584000 | 真空泵 |
| 化学捕集罐 | Labconco | 7815300 | 捕集罐 |
| 溶剂插入件 | Labconco | 7515200 | 溶剂捕集插件 |
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| 胶囊 | Thermo/Nalgene | DS3131-0020 | 聚四氟乙烯管帽 |
| 试管 | 康宁 | 9825-16 | 16x100毫米试管 |
| 试管 | 康宁 | 9825-16xx | 16x150毫米试管 |
| 胶囊 | 康宁 | 9998-15 | 15-415 螺纹黑色酚醛盖,带聚四氟乙烯(PTFE)衬垫 |
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| 500 uL 玻璃注射器 | Fisher | 13684106LC | Hamilton 81217 |
| 琥珀色小瓶 | 安捷伦 | 5182-0716 | 4 mL 棕色小瓶 |
| 胶囊 | 安捷伦 | 5182-0717 | 蓝色螺旋盖 |
| 插入片段 | 安捷伦 | 5181-3377 | 400 μL 平底玻璃插件 |
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| 19:0 乙基十九烷酸酯(Ethyl nonadecanoate) | VWR | TCN0459-5G | 分析标准品 |
| <强>化学品 | |||
| 磷酸氢二钾(K2HPO4 - ACS级或更高纯度) | 各种 | N/A | 用于配制磷酸盐缓冲液 |
| 磷酸二氢钾(KH2PO4 - ACS 级或更高纯度) | 各种 | N/A | 用于配制磷酸盐缓冲液 |
| 甲醇(CH3OH - HPLC 级或更高纯度) | 各种 | N/A | 用于制备试剂1 &和 2 |
| 氢氧化钠(NaOH - ACS 级或更高纯度) | 各种 | N/A | 用于制备试剂1 &和 4 |
| 盐酸(6N HCl) | 各种 | N/A | 用于配制试剂2 |
| 正己烷(HPLC 级或更高纯度) | 各种 | N/A | 用于配制试剂3 |
| MTBE(甲基叔丁基醚 - HPLC 级或更高纯度) | 各种 | N/A | 用于配制试剂3 |
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