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Method Article
El protocolo detecta genes clave del ciclo del metano en los humedales costeros del sur de Texas y visualiza su distribución espacial para mejorar la comprensión de la regulación del metano y sus impactos ambientales en estos ecosistemas dinámicos.
Los humedales costeros son la mayor fuente biótica de metano, donde los metanógenos convierten la materia orgánica en metano y los metanótrofos oxidan el metano, desempeñando así un papel fundamental en la regulación del ciclo del metano. Los humedales del sur de Texas, que están sujetos a frecuentes fenómenos meteorológicos, fluctuaciones en los niveles de salinidad y actividades antropogénicas debidas al cambio climático, influyen en el ciclo del metano. A pesar de la importancia ecológica de estos procesos, el ciclo del metano en los humedales costeros del sur de Texas sigue siendo insuficientemente explorado. Para abordar esta brecha, desarrollamos y optimizamos un método para detectar genes relacionados con metanógenos y metanótrofos, incluido el mcrA como biomarcador para los metanógenos y pmoA1, pmoA2 y mmoX como biomarcadores para los metanótrofos. Además, este estudio tuvo como objetivo visualizar los patrones de distribución espacial y temporal de la abundancia de metanógeno y metanótrofo utilizando el software del sistema de información geográfica (SIG) ArcGIS Pro. La integración de estas técnicas moleculares con la visualización geoespacial avanzada proporcionó información crítica sobre la distribución espacial y temporal de las comunidades de metanógeno y metanótrofo en los humedales del sur de Texas. Por lo tanto, la metodología establecida en este estudio ofrece un marco sólido para mapear la dinámica microbiana en los humedales, mejorando nuestra comprensión del ciclo del metano en condiciones ambientales variables y respaldando estudios más amplios sobre el cambio ecológico y ambiental.
Los humedales costeros son ecosistemas vitales que contribuyen a la regulación del clima, la conservación de la biodiversidad y la gestión del agua a través de procesos como el secuestro de carbono, la evapotranspiración y las emisiones de metano (CH4)1. Estos ecosistemas, incluidos los humedales de agua dulce y salada2, son altamente productivos y actúan como zonas críticas para la absorción de dióxido de carbono (CO2) y la captura de materia orgánica de los ambientes terrestres y marinos 3,4. Las interacciones dinámicas dentro de estos humedales estimulan la producción y el consumo microbiano de CH4 5, posicionándolos como una de las mayores fuentes naturales de CH46. Como el segundo gas de efecto invernadero más importante, elCH4 tiene un potencial de calentamiento global aproximadamente 27-30 veces mayor que el del CO24,7,8,9, lo que hace que el estudio de las emisiones deCH4 de los humedales costeros sea esencial en la era del cambio climático. La emisión deCH4 está influenciada por diversos factores ambientales, en particular la salinidad, que desempeña un papel crucial en los procesos microbianos10. Los humedales de agua dulce contribuyen significativamente al metano atmosférico debido a sus niveles más bajos de sulfato, lo que facilita una mayor producción microbiana deCH4, mientras que los humedales de agua salada generalmente tienden a emitir menosCH4 debido a las mayores concentraciones de sulfato 11,12,13.
Las emisiones deCH4 de los humedales costeros generalmente están controladas por dos grupos de microorganismos, conocidos como metanógenos y metanótrofos14. Los metanógenos producen CH4 en sedimentos anóxicos al descomponer sustratos como formiato, acetato, hidrógeno o compuestos metilados a través de un proceso conocido como metanogénesis15. La enzima importante en esta vía es la metil-coenzima M reductasa (MCR), ya que cataliza el paso final y limitante de la tasa de metanogénesis 15,16,17. El gen mcrA, que codifica la subunidad alfa de MCR, es un marcador funcional que se puede encontrar en todas las arqueas metanogénicas18. Además, en los humedales costeros, la zona de transición sulfato-metano (ZMS) se forma por encima de la zona metanogénica, donde el metano que se difunde hacia arriba y el sulfato que se desplaza hacia abajo convergen y se agotan19. Dentro de esta zona, las arqueas metanotróficas anaeróbicas (ANME) oxidan el metano a dióxido de carbono utilizando la enzima MCR, mientras que las bacterias reductoras de sulfato (SRB) reducen el sulfato a sulfuro. Los SRB superan a los metanógenos por el hidrógeno y el acetato, limitando la producción de metano hasta que se agote el sulfato16,17.
Por el contrario, las bacterias metanotróficas aerobias oxidan el CH4 en ambientes aeróbicos20, utilizando diferentes formas de metano monooxigenasa (MMO). Estos incluyen la metano monooxigenasa particulada (pMMO), una enzima que contiene cobre incrustada en la membrana intracitoplasmática, y la metano monooxigenasa soluble (sMMO), una enzima que contiene hierro que se encuentra en el citoplasma. Sin embargo, para pMMO, hay tres operones de genes pmoCAB21; entre ellos, el gen pmoA es el más conservador para todos los metanótrofos. Hay dos genes biomarcadores diferentes para pmoA: pmoA1 y pmoA222. Además, para una comprensión completa de los metanótrofos, el gen mmoX se utiliza como herramienta en biología molecular para identificar metanótrofos que contienen sMMO23. Esta distinción en las rutas metabólicas y los requisitos ambientales de metanógenos y metanótrofos aeróbicos pone de relieve las complejas interacciones microbianas que regulan el ciclo del metano en los ecosistemas de humedales costeros.
El humedal de Boca Chica (BC), un ambiente productivo de agua salada en el sur de Texas, experimenta influencias de las mareas del Golfo de México (GOM), lo que lleva a niveles variables de salinidad superficial, especialmente debido a su proximidad a la hipersalina Laguna Madre24. Esta acción de las mareas, que alterna entre mareas altas y bajas, hace que los niveles de oxígeno fluctúen25 , lo que podría alterar la actividad del metanógeno y el metanótrofo en los sedimentos26. Por el contrario, los humedales costeros de agua dulce se consideran un importante punto caliente para los flujos de CH4 27. Los humedales costeros de agua dulce en el sur de Texas, incluyendo Resaca Del Rancho Viejo (RV) y Lozano Banco (LB), distantes de los efectos de las mareas del GOM, tienen un manejo hidrológico distinto. RV experimenta flujos de pulso complementados por el agua del río durante los niveles bajos de agua, mientras que LB funciona como un sistema de flujo fuera de línea sin dicha suplementación. Además, RV y LB mantienen niveles de salinidad más bajos debido a una alta descarga de agua dulce bombeada artificialmente y al ser un lago en meandro, respectivamente. Los diferentes factores ambientales pueden influir significativamente en el ciclo del metano a través de los humedales costeros del sur de Texas. Sin embargo, el ciclo del metano en los humedales costeros del sur de Texas sigue siendo un área que aún no se ha investigado a fondo.
La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) y la PCR en tiempo real (también llamada PCR cuantitativa [qPCR]) representan técnicas fundamentales y ampliamente utilizadas para detectar y cuantificar la abundancia relativa de genes específicos en muestras ambientales. Estas técnicas amplifican específicamente regiones específicas del ADN para indicar la presencia y la cantidad relativa de genes relacionados con el ciclo de CH4, proporcionando indicadores de un posible ciclo del metano. Sin embargo, la disponibilidad y eficacia de los juegos de cebadores de PCR podría estar limitada por diversos factores inhibidores en el ADN ambiental extraído, siendo impactados por los tipos de ambientes28,29. Por lo tanto, este estudio estableció principalmente un método de PCR óptimo para detectar la presencia de genes relacionados con el ciclo de CH4 en los humedales costeros del sur de Texas (Figura 1) y luego visualizó su abundancia relativa cuantificada en estos ecosistemas. Los resultados de este estudio se pueden aplicar a otras regiones costeras para mejorar la comprensión del ciclo del CH4 y la dinámica microbiana en diversos ecosistemas costeros.
1. Recogida de muestras
2. Extracción de ADN genómico
3. Cuantificación de ADN
4. Detección de ARNr 16S, pmoA1 , pmoA2 , mmoX y mcrA por PCR convencional
5. Detección de pmoA1 , pmoA2 , mmoX y mcrA por PCR cuantitativa en tiempo real
NOTA: Los genes dirigidos al metanógeno y al metanótrofo, como la abundancia de pmoA1, pmoA2, mmoX y mcrA , se observaron mediante qPCR utilizando un sistema de PCR en tiempo real.
6. Visualización de genes del ciclo del metano en el mapa de los humedales costeros del sur de Texas
Para comprender la distribución y abundancia de los genes relacionados con el ciclo de CH4 (mcrA, pmoA1, pmoA2 y mmoX) en los humedales costeros del sur de Texas, se analizó el eDNA extraído de cada muestra mediante cPCR y qPCR. Se seleccionaron cebadores universales para cada biomarcador para realizar cPCR a partir de estudios previos (Tabla 1)22,34,35,36,37, y se realizaron modificaciones para optimizar las temperaturas...
Se reconoce que los humedales costeros contribuyen significativamente al metano atmosférico, un importante gas de efecto invernadero40. Aunque se han realizado estudios sobre el flujo de metano y los metanógenos en los humedales41,42,43, se sabe poco sobre cómo operan los metanótrofos en diferentes entornos o bajo diversas prácticas de manejo, especialmente en humeda...
Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.
Agradecemos a los miembros de C-REAL por su ayuda en la observación de campo y los análisis de laboratorio.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.2 mL PCR tubes | ThermoFisher Scientific | AB0620 | https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/AB0620?SID=srch-srp-AB0620 |
0.5 mL PCR Tubes | Promega | E4941 | https://www.promega.com/products/biochemicals-and-labware/tips-and-accessories/0_5ml-pcr-tubes/?catNum=E4941 |
10 μL tips | ThermoFisher Scientific | 05-408-187 | Fisherbrand SureGrip Pipet Tip Racked or Reload System Tips Natural; 10μL; | Fisher Scientific |
15 mL centrifuge tube | ThermoFisher Scientific | 14-959-53A | https://www.fishersci.com/shop/products/falcon-15ml-conical-centrifuge-tubes-5/p-193301 |
200 μL tips | ThermoFisher Scientific | 05-408-190 | Fisherbrand SureGrip Pipet Tip Racked or Reload System Tips Natural; 200μL; | Fisher Scientific |
1000 μL tips | 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!&gad_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 | |
CFX Duet Real-Time PCR system | 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 single channel pipettor volume 0.5-10 μL | Sigma-Aldrich | CLS4071-1EA | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/cls4071 |
Corning Lambda plus single channel pipettor volume 100-1000 μL | Sigma-Aldrich | CLS4075-1EA | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/cls4075 |
Corning Lambda plus single channel pipettor volume 20-200 μL | Sigma-Aldrich | CLS4074-1EA | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/cls4074 |
FastDNA spin kit for soil | MP Biomedical | 116560200-CF | https://www.mpbio.com/us/116560000-fastdna-spin-kit-for-soil-samp-cf?srsltid=AfmBOoqOxxGilzY3IHNIZR ajegGTr9MoX1oMZUh 3dcbJqe0UvvukY128 |
Gene copy calculator | Science Primer | https://scienceprimer.com/copy-number-calculator-for-realtime-pcr . | |
High speed benchtop centrifuge | ThermoFisher Scientific | 75004241 | https://newlifescientific.com/products/thermo-scientific-sorvall-st16-high-speed-benchtop-centrifuge-75004241?gad_source=1&gclid=Cj0KCQiApN W6BhD5ARIsACmEbkVC_-cCIN9j 20TvYq8iDsBlUR5cPK_1_wN OBEcjMdv-CYVoGCfeOLYaAv enEALw_wcB |
High speed microcentrifuge | VWR | 75838-336 | https://us.vwr.com/store/product/20546590/null |
Lysing Matrix E tube | glass bead/ceramic sphere-containing tube | ||
Microcentrifuge tube | 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=shop&s_kwcid=AL!4 428!3!715434303113!!!g!23 66517300713!&gad_source=1 |
PCR Master mix | Promega | M7502 | https://www.promega.com/products/pcr/taq-polymerase/master-mix-pcr/?catNum=M7502 |
Quantiflour ONE dsDNA system | Promega | E4871 | https://www.promega.com/products/rna-analysis/dna-and-rna-quantitation/quantifluor-one-dsdna-system/?gad_source=1&gbraid=0AAAAAD _rg189yJTY3cxeVqMdu8RPx10 Ma&gclid=CjwKCAjwxNW2BhAk EiwA24Cm9FUgViPNyWq7UfZL VeeoroLAZ5JIP6w07RGK_4D0w oZgAqf-G1XTmxoCxm8QAvD_B wE&catNum=E4871 |
Quantus Fluorometer | Promega | E6150 | https://www.promega.com/products/microplate-readers-fluorometers-luminometers/fluorometers/quantus-fluorometer/?catNum=E6150 |
YSI Pro 2030 | YSI a xylem brand | 603174 | https://www.ysi.com/product/id-p2030/pro2030-kits |
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