Protokół wykrywa kluczowe geny obiegu metanu na mokradłach przybrzeżnych południowego Teksasu i wizualizuje ich rozmieszczenie przestrzenne, aby lepiej zrozumieć regulację metanu i jego wpływ na środowisko w tych dynamicznych ekosystemach.
Artykuł metodologiczny
Protokół wykrywa kluczowe geny obiegu metanu na mokradłach przybrzeżnych południowego Teksasu i wizualizuje ich rozmieszczenie przestrzenne, aby lepiej zrozumieć regulację metanu i jego wpływ na środowisko w tych dynamicznych ekosystemach.
Przybrzeżne mokradła są największym źródłem biotycznym metanu, gdzie metanogeny przekształcają materię organiczną w metan, a metanotrofy utleniają metan, odgrywając tym samym kluczową rolę w regulacji cyklu metanowego. Tereny podmokłe w południowym Teksasie, które są narażone na częste zjawiska pogodowe, wahania poziomu zasolenia i działalność antropogeniczną spowodowaną zmianami klimatu, wpływają na obieg metanu. Pomimo ekologicznego znaczenia tych procesów, obieg metanu na przybrzeżnych terenach podmokłych południowego Teksasu pozostaje niewystarczająco zbadany. Aby wypełnić tę lukę, opracowaliśmy i zoptymalizowaliśmy metodę wykrywania genów związanych z metanogenami i metanotrofami, w tym mcrA jako biomarker metanogenów oraz pmoA1, pmoA2 i mmoX jako biomarkery metanotrofów. Ponadto badanie to miało na celu wizualizację przestrzennych i czasowych wzorców rozmieszczenia obfitości metanogenu i metanotrofu przy użyciu oprogramowania systemu informacji geograficznej (GIS) ArcGIS Pro. Integracja tych technik molekularnych z zaawansowaną wizualizacją geoprzestrzenną dostarczyła krytycznych informacji na temat przestrzennego i czasowego rozmieszczenia zbiorowisk metanogenu i metanotrofów na terenach podmokłych południowego Teksasu. W związku z tym metodologia ustanowiona w tym badaniu oferuje solidne ramy do mapowania dynamiki mikrobiologicznej na terenach podmokłych, pogłębiając naszą wiedzę na temat obiegu metanu w różnych warunkach środowiskowych i wspierając szersze badania nad zmianami ekologicznymi i środowiskowymi.
Przybrzeżne tereny podmokłe są kluczowymi ekosystemami, które przyczyniają się do regulacji klimatu, ochrony różnorodności biologicznej i gospodarki wodnej poprzez procesy takie jak sekwestracja węgla, ewapotranspiracja i emisje metanu (CH4)1. Ekosystemy te, w tym zarówno słodkowodne, jak i słonowodne tereny podmokłe2, są wysoce produktywne i działają jako krytyczne strefy dla pochłaniania dwutlenku węgla (CO2) i wychwytywania materii organicznej ze środowisk lądowych i morskich3,4. Dynamiczne interakcje na tych terenach podmokłych stymulują produkcję i konsumpcję mikroorganizmów CH45, pozycjonując je jako jedno z największych naturalnych źródeł CH46. Jako drugi najważniejszy gaz cieplarniany, CH4 ma potencjał globalnego ocieplenia około 27-30 razy większy niż CO24,7,8,9, co sprawia, że badanie emisji CH4 z przybrzeżnych terenów podmokłych jest niezbędne w erze zmian klimatycznych. Na emisjęCH4 wpływają różne czynniki środowiskowe, w szczególności zasolenie, odgrywające kluczową rolę w procesach mikrobiologicznych10. Słodkowodne tereny podmokłe w znacznym stopniu przyczyniają się do emisji metanu w atmosferze ze względu na niższy poziom siarczanów, co ułatwia większą produkcję mikrobiologicznąCH4, podczas gdy słonowodne tereny podmokłe na ogół emitują mniejCH4 ze względu na wyższe stężenia siarczanów11,12,13.
Emisje CH4 z przybrzeżnych terenów podmokłych są zazwyczaj kontrolowane przez dwie grupy mikroorganizmów, znane jako metanogeny i metanotrofy14. Metanogeny wytwarzająCH4 w osadach beztlenowych poprzez rozkład substratów, takich jak mrówczan, octan, wodór lub związki metylowe, w procesie znanym jako metanogeneza15. Ważnym enzymem w tym szlaku jest metylokoenzym M reduktaza (MCR), ponieważ katalizuje ostatni i ograniczający szybkość etap metanogenezy15,16,17. Gen mcrA, który koduje podjednostkę alfa MCR, jest funkcjonalnym markerem, który można znaleźć we wszystkich archeonach metanogennych 18. Ponadto na przybrzeżnych terenach podmokłych strefa przejściowa siarczanowo-metanowa (SMTZ) tworzy się powyżej strefy metanogennej, gdzie metan dyfundujący w górę i siarczan poruszający się w dół zbiegają się i są zubożone19. W tej strefie beztlenowe archeony metanotroficzne (ANME) utleniają metan do dwutlenku węgla za pomocą enzymu MCR, podczas gdy bakterie redukujące siarczany (SRB) redukują siarczan do siarczku. SRB konkuruje z metanogenami pod względem wodoru i octanu, ograniczając produkcję metanu do wyczerpania siarczanu16,17.
Natomiast tlenowe bakterie metanotroficzne utleniają CH4 w środowisku tlenowym20, wykorzystując różne formy monooksygenazy metanu (MMO). Należą do nich monooksygenaza metanu w cząstkach stałych (pMMO), enzym zawierający miedź osadzony w błonie wewnątrzcytoplazmatycznej, oraz rozpuszczalna monooksygenaza metanu (sMMO), enzym zawierający żelazo znajdujący się w cytoplazmie. Jednak dla pMMO istnieją trzy operony genowe pmoCAB21; wśród nich gen pmoA jest najbardziej konserwatywny dla wszystkich metanotrofów. Istnieją dwa różne geny biomarkerów dla pmoA: pmoA1 i pmoA222. Ponadto, dla pełnego zrozumienia metanotrofów, gen mmoX jest używany jako narzędzie w biologii molekularnej do identyfikacji metanotrofów zawierających sMMO23. To rozróżnienie w szlakach metabolicznych i wymaganiach środowiskowych metanogenów i tlenowych metanotrofów podkreśla złożone interakcje mikrobiologiczne regulujące obieg metanu w przybrzeżnych ekosystemach podmokłych.
Mokradła Boca Chica (BC), produktywne środowisko słonowodne w południowym Teksasie, doświadczają wpływów pływowych z Zatoki Meksykańskiej (GOM), co prowadzi do zmiennych poziomów zasolenia powierzchni, szczególnie ze względu na bliskość hipersoli Laguna Madre24. To działanie pływowe, naprzemiennie przypływy i odpływy, powoduje wahania poziomu tlenu25, co może zmienić aktywność metanogenu i metanotrofu w osadach26. Natomiast przybrzeżne słodkowodne tereny podmokłe są uważane za znaczący punkt zapalny dla strumieni CH4 27. Przybrzeżne słodkowodne tereny podmokłe w południowym Teksasie, w tym Resaca Del Rancho Viejo (RV) i Lozano Banco (LB), oddalone od skutków pływów GOM, mają wyraźne zarządzanie hydrologiczne. RV doświadcza przepływów pulsacyjnych uzupełnianych przez wodę rzeczną podczas niskich poziomów wody, podczas gdy LB działa jako system przepływu offline bez takiej suplementacji. Ponadto RV i LB utrzymują niższy poziom zasolenia ze względu na wysoki zrzut sztucznie pompowanej słodkiej wody i bycie odpowiednio starorzeczem. Różne czynniki środowiskowe mogą znacząco wpływać na obieg metanu na przybrzeżnych terenach podmokłych południowego Teksasu. Jednak obieg metanu na przybrzeżnych terenach podmokłych południowego Teksasu pozostaje obszarem, który nie został jeszcze dokładnie zbadany.
Reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR) i PCR w czasie rzeczywistym (zwana również ilościowym PCR [qPCR]) reprezentują podstawowe i szeroko stosowane techniki wykrywania i ilościowego określania względnej obfitości określonych genów w próbkach środowiskowych. Techniki te w szczególności amplifikują docelowe regiony DNA, aby wskazać obecność i względną ilość genów związanych z cyklamiCH4, dostarczając wskaźników potencjalnego obiegu metanu. Niemniej jednak dostępność i skuteczność zestawów starterów PCR może być ograniczona przez różne czynniki hamujące w wyekstrahowanym DNA środowiskowym, na które wpływ mają typy środowisk28,29. W związku z tym badanie to głównie ustaliło optymalną metodę PCR do wykrywania obecności genów związanych z jazdą na rowerze CH4 na przybrzeżnych terenach podmokłych południowego Teksasu (Rysunek 1), a następnie zwizualizowano ich ilościowo określoną względną liczebność w tych ekosystemach. Wyniki tego badania można zastosować w innych regionach przybrzeżnych w celu lepszego zrozumienia cykli CH4 i dynamiki mikrobiologicznej w różnych ekosystemach przybrzeżnych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Pobieranie próbek
2. Ekstrakcja genomowego DNA
3. Kwantyfikacja DNA
4. Wykrywanie 16S rRNA, pmoA1 , pmoA2 , mmoX i mcrA metodą konwencjonalnego PCR
5. Wykrywanie pmoA1 , pmoA2 , mmoX i mcrA za pomocą ilościowego PCR w czasie rzeczywistym
UWAGA: Geny ukierunkowane na metanogeny i metanotrofy, takie jak obfitość pmoA1, pmoA2, mmoX i mcrA, zostały zaobserwowane przez qPCR przy użyciu systemu PCR w czasie rzeczywistym.
6. Wizualizacja genów obiegu metanu na mapie mokradeł południowego Teksasu
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Aby zrozumieć rozmieszczenie i obfitość genów związanych z cyklami CH4 (mcrA, pmoA1, pmoA2 i mmoX) na przybrzeżnych mokradłach południowego Teksasu, wyekstrahowane eDNA z każdej próbki zostało przeanalizowane metodą cPCR i qPCR. Uniwersalne startery dla każdego biomarkera zostały wybrane do przeprowadzenia cPCR z poprzednich badań (Tabela 1)22,34,35,
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przybrzeżne tereny podmokłe są uznawane za znaczące czynniki przyczyniające się do powstawania metanu w atmosferze, ważnego gazu cieplarnianego40 . Chociaż przeprowadzono badania nad strumieniem metanu i metanogenami na terenach podmokłych41,42,43, niewiele wiadomo na temat tego, jak metanotrofy działają w różnych środowiskach lub przy różnych praktykach zarządzania, zwłaszcza na terenach podmokłych o zmi...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.
Jesteśmy wdzięczni członkom C-REAL za ich pomoc w obserwacji terenowej i analizach laboratoryjnych.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Probówki do PCR 0,2 ml | ThermoFisher Scientific | AB0620 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/AB0620?SID=srch-srp-AB0620 |
| 0,5 ml probówki do PCR | Promega | E4941 | https://www.promega.com/products/biochemicals-and-labware/tips-and-accessories/0_5ml-pcr-tubes/?catNum=E4941 |
| 10 μ Końcówki L | ThermoFisher Scientific | 05-408-187 | Fisherbrand SureGrip Końcówki do pipet z systemem racked lub Reload Naturalny; 10μ L; | |
| Probówka wirówkowa Fisher Scientific 15 ml | ThermoFisher Scientific | 14-959-53A | https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-15ml-conical-centrifuge-tubes-5/p-193301 |
| 200 μ L końcówki | ThermoFisher Scientific | 05-408-190 | Fisherbrand SureGrip Końcówka do pipet z systemem racked lub Reload Naturalny; 200μ L; | Fisher Scientific |
| 1000 μ L końcówki | ThermoFisher Scientific | 02-707-402 | https://www.fishersci.com/shop/products/sureone-micropoint-pipette-tips-specific-standard-fit/02707402?gclid=Cj0KCQiAp NW6BhD5ARIsACmEb kUsQ9Lu0YIq5i4vWege 17qPdtxIYZyvmJH1cDo ARuwereO1V4GLz9UaA lDREALw_wcB& ef_id=C j0KCQiApNW6BhD5ARI sACmEbkUsQ9Lu0YIq5i 4vWege17qPdtxIYZyvmJ H1cDoARuwereO1V4GLz 9UaAlDREALw_wcB:G:s & ppc_id=PLA_goog_2175 7693617_171052169911_02 707402__715434303113_1555 377385658230343& ev_chn=sh op& s_kwcid=AL!4428!3!71543430 3113!! g!2366517300713!& _source=1 |
| Applied Biosystem Power SYBR Green Master Mix | ThermoFisher Scientific | 4368577 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/4368577 |
| ArcGIS Pro | Esri | https://www.esri.com/en-us/arcgis/products/arcgis-pro/overview?srsltid=AfmBOopatJ4 JvHJfscHRcAaDx0Jz5_Jrl8l5 vYkkBvfOqE-uNSsMghN1 | |
| System CFX Duet do PCR w czasie rzeczywistym | Pipetor jednokanałowy Bio-Rad | 12016265 https://www.bio-rad.com/en-us/product/cfx-duet-real-time-pcr-system?ID=97722926-9ed9-16a4-1d83-c92f587e427a | |
| Corning Lambda plus o objętości 0,5-10 μm; L | Sigma-Aldrich | CLS4071-1EA | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/cls4071 |
| Corning Lambda plus pojemność pipety jednokanałowej 100-1000 μ L | Sigma-Aldrich | CLS4075-1EA | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/cls4075 |
| Corning Lambda plus pojemność pipety jednokanałowej 20-200 μ L | Sigma-Aldrich | CLS4074-1EA | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/cls4074 |
| Zestaw spinowy FastDNA do gleby | MP Biomedical | 116560200-CF | https://www.mpbio.com/us/116560000-fastdna-spin-kit-for-soil-samp-cf?srsltid=AfmBOoqOxxGilzY3IHNIZR ajegGTr9MoX1oMZUh 3dcbJqe0UvvukY128 |
| Kopiowanie genów kalkulator | Elementarz | naukowyhttps://scienceprimer.com/copy-number-calculator-for-realtime-pcr . | |
| Wirówka stołowa szybkoobrotowa | ThermoFisher Scientific | 75004241 | https://newlifescientific.com/products/thermo-scientific-sorvall-st16-high-speed-benchtop-centrifuge-75004241?_source=1&gclid=Cj0KCQiApN W6BhD5ARIsACmEbkVC_-cCIN9j 20TvYq8iDsBlUR5cPK_1_wN OBEcjMdv-CYVoGCfeOLYaAv enEALw_wcB |
| Mikrowirówka szybkoobrotowa | VWR | 75838-336 | https://us.vwr.com/store/product/20546590/null |
| Rurka E z matrycą do lizy | Rurka z kulką szklaną/ceramiczną Probówka | ||
| do mikrowirówek | ThermoFisher Scientific | 02-681-320 | https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-low-retention-microcentrifuge-tubes-8/02681320?gclid=Cj0KCQiAp NW6BhD5ARIsACm EbkWbG4_o3oUiGk HJPU-_31-CuexDwQ fmWPnfyhBOf2BHXsy K3fFW1toaAgJbEALw_ wcB& ef_id=Cj0KCQiAp NW6BhD5ARIsACmEb kWbG4_o3oUiGkHJPU- _31-CuexDwQfmWPnfy hBOf2BHXsyK3fFW1toa AgJbEALw_wcB:G:s& PPC _id=PLA_goog_21757693 617_171052169911_0268 1320__715434303113_10 349826094968484711& EV _chn=Sklep& s_kwcid=AL!4 428!3!715434303113!!! g!23 66517300713!& _source=1 |
| PCR Master mix | Promega | M7502 | https://www.promega.com/products/pcr/taq-polymerase/master-mix-pcr/?catNum=M7502 |
| Quantiflour ONE | Promega | E4871 | https://www.promega.com/products/rna-analysis/dna-and-rna-quantitation/quantifluor-one-dsdna-system/?_source=1&gbraid=0AAAAAD _rg189yJTY3cxeVqMdu8RPx10 Ma& gclid=CjwKCAjwxNW2BhAk EiwA24Cm9FUgViPNyWq7UfZL VeeoroLAZ5JIP6w07RGK_4D0w oZgAqf-G1XTmxoCxm8QAvD_B wE& catNum=E4871 |
| Fluorometr kwantowy | Promega | E6150 | https://www.promega.com/products/microplate-readers-fluorometers-luminometers/fluorometers/quantus-fluorometer/?catNum=E6150 |
| YSI Pro 2030 | YSI to marka ksylemu | 603174 | https://www.ysi.com/product/id-p2030/pro2030-kits |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie