È necessario avere un abbonamento a JoVE per visualizzare questo. Accedi o inizia la tua prova gratuita.
Method Article
Il protocollo rileva i geni chiave del ciclo del metano nelle zone umide costiere del Texas meridionale e visualizza la loro distribuzione spaziale per migliorare la comprensione della regolazione del metano e dei suoi impatti ambientali in questi ecosistemi dinamici.
Le zone umide costiere sono la più grande fonte biotica di metano, dove i metanogeni convertono la materia organica in metano e i metanotrofi ossidano il metano, svolgendo così un ruolo fondamentale nella regolazione del ciclo del metano. Le zone umide del Texas meridionale, soggette a frequenti eventi meteorologici, livelli di salinità fluttuanti e attività antropiche dovute ai cambiamenti climatici, influenzano il ciclo del metano. Nonostante l'importanza ecologica di questi processi, il ciclo del metano nelle zone umide costiere del Texas meridionale rimane insufficientemente esplorato. Per colmare questa lacuna, abbiamo sviluppato e ottimizzato un metodo per rilevare i geni correlati ai metanogeni e ai metanotrofi, tra cui mcrA come biomarcatore per i metanogeni e pmoA1, pmoA2 e mmoX come biomarcatori per i metanotrofi. Inoltre, questo studio mirava a visualizzare i modelli di distribuzione spaziale e temporale del metanogeno e dell'abbondanza di metanotropo utilizzando il software GIS (Geographic Information System) ArcGIS Pro. L'integrazione di queste tecniche molecolari con la visualizzazione geospaziale avanzata ha fornito informazioni critiche sulla distribuzione spaziale e temporale delle comunità di metanogeni e metanotrofi nelle zone umide del Texas meridionale. Pertanto, la metodologia stabilita in questo studio offre un solido quadro per mappare le dinamiche microbiche nelle zone umide, migliorando la nostra comprensione del ciclo del metano in condizioni ambientali variabili e supportando studi più ampi sui cambiamenti ecologici e ambientali.
Le zone umide costiere sono ecosistemi vitali che contribuiscono alla regolazione del clima, alla conservazione della biodiversità e alla gestione delle acque attraverso processi come il sequestro del carbonio, l'evapotraspirazione e le emissioni di metano (CH4)1. Questi ecosistemi, comprese le zone umide di acqua dolce e salata2, sono altamente produttivi e fungono da zone critiche per l'assorbimento di anidride carbonica (CO2) e catturano la materia organica dagli ambienti terrestri e marini 3,4. Le interazioni dinamiche all'interno di queste zone umide stimolano la produzione e il consumo microbico di CH4 5, posizionandole come una delle maggiori fonti naturali di CH46. Essendo il secondo gas serra più importante, il CH4 ha un potenziale di riscaldamento globale circa 27-30 volte superiore a quello del CO2 4,7,8,9, rendendo lo studio delle emissioni di CH 4 dalle zone umide costiere essenziale nell'era del cambiamento climatico. L'emissione di CH4 è influenzata da vari fattori ambientali, in particolare dalla salinità, che svolge un ruolo cruciale nei processi microbici10. Le zone umide d'acqua dolce contribuiscono in modo significativo al metano atmosferico a causa dei loro livelli di solfato più bassi, che facilita una maggiore produzione microbica di CH4, mentre le zone umide d'acqua salata tendono generalmente a emettere meno CH4 a causa di concentrazioni di solfato più elevate 11,12,13.
Le emissioni di CH4 dalle zone umide costiere sono generalmente controllate da due gruppi di microrganismi, noti come metanogeni e metanotrofi14. I metanogeni producono CH4 nei sedimenti anossici scomponendo substrati come formiato, acetato, idrogeno o composti metilati attraverso un processo noto come metanogenesi15. L'enzima importante in questa via è la metil-coenzima M reduttasi (MCR), in quanto catalizza la fase finale e limitante della metanogenesi 15,16,17. Il gene mcrA, che codifica per la subunità alfa di MCR, è un marcatore funzionale che può essere trovato in tutti gli archei metanogenici18. Inoltre, nelle zone umide costiere, la zona di transizione solfato-metano (SMTZ) si forma al di sopra della zona metanogenica, dove il metano che si diffonde verso l'alto e il solfato che si muove verso il basso convergono e si esauriscono19. All'interno di questa zona, gli archei metanotrofi anaerobici (ANME) ossidano il metano in anidride carbonica utilizzando l'enzima MCR, mentre i batteri solfato-riduttori (SRB) riducono il solfato in solfuro. Gli SRB superano i metanogeni per l'idrogeno e l'acetato, limitando la produzione di metano fino all'esaurimento del solfato16,17.
Al contrario, i batteri metanotrofici aerobici ossidano CH4 in ambienti aerobici20, utilizzando diverse forme di metano monoossigenasi (MMO). Questi includono il particolato metano monoossigenasi (pMMO), un enzima contenente rame incorporato nella membrana intracitoplasmatica, e la metano monoossigenasi solubile (sMMO), un enzima contenente ferro presente nel citoplasma. Tuttavia, per pMMO, ci sono tre operoni genici pmoCAB21; tra questi, il gene pmoA è il più conservativo per tutti i metanotrofi. Esistono due diversi geni biomarcatori per pmoA: pmoA1 e pmoA222. Inoltre, per una comprensione completa dei metanotrofi, il gene mmoX viene utilizzato come strumento in biologia molecolare per identificare i metanotrofi23 contenenti sMMO. Questa distinzione nelle vie metaboliche e nei requisiti ambientali dei metanogeni e dei metanotrofi aerobici evidenzia le complesse interazioni microbiche che regolano il ciclo del metano negli ecosistemi delle zone umide costiere.
La zona umida di Boca Chica (BC), un ambiente produttivo di acqua salata nel sud del Texas, subisce influenze di marea dal Golfo del Messico (GOM), portando a livelli di salinità superficiale variabili, soprattutto a causa della sua vicinanza alla Laguna Madre24 ipersalina. Questa azione di marea, alternata tra alte e basse maree, provoca fluttuazioni dei livelli di ossigeno25 che potrebbero alterare l'attività del metanogeno e del metanotrofio nei sedimenti26. Al contrario, le zone umide costiere d'acqua dolce sono considerate un hotspot significativo per i flussi CH4 27. Le zone umide costiere d'acqua dolce nel sud del Texas, tra cui Resaca Del Rancho Viejo (RV) e Lozano Banco (LB), distanti dagli effetti delle maree del GOM, hanno una gestione idrologica distinta. RV sperimenta flussi di impulsi integrati dall'acqua del fiume durante i bassi livelli dell'acqua, mentre LB funziona come un sistema di flusso offline senza tale integrazione. Inoltre, RV e LB mantengono livelli di salinità più bassi a causa di un elevato scarico di acqua dolce pompata artificialmente e del fatto di essere un lago oxbow. I diversi fattori ambientali possono influenzare in modo significativo il ciclo del metano nelle zone umide costiere del Texas meridionale. Tuttavia, il ciclo del metano nelle zone umide costiere del Texas meridionale rimane un'area che deve ancora essere indagata a fondo.
La reazione a catena della polimerasi (PCR) e la PCR in tempo reale (chiamata anche PCR quantitativa [qPCR]) rappresentano tecniche fondamentali e ampiamente utilizzate per rilevare e quantificare l'abbondanza relativa di geni specifici in campioni ambientali. Queste tecniche amplificano specificamente regioni mirate del DNA per indicare la presenza e la quantità relativa di geni correlati al ciclo CH4, fornendo indicatori del potenziale ciclo del metano. Tuttavia, la disponibilità e l'efficacia dei set di primer per PCR potrebbero essere limitate da vari fattori inibitori nel DNA ambientale estratto, essendo influenzati dai tipi di ambienti28,29. Pertanto, questo studio ha stabilito principalmente un metodo PCR ottimale per rilevare la presenza di geni correlati al ciclo CH4 nelle zone umide costiere del Texas meridionale (Figura 1) e quindi ha visualizzato la loro abbondanza relativa quantificata in questi ecosistemi. I risultati di questo studio possono essere applicati ad altre regioni costiere per migliorare la comprensione del ciclo CH4 e delle dinamiche microbiche in diversi ecosistemi costieri.
1. Raccolta dei campioni
2. Estrazione del DNA genomico
3. Quantificazione del DNA
4. Rilevamento di 16S rRNA, pmoA1 , pmoA2 , mmoX e mcrA mediante PCR convenzionale
5. Rilevamento di pmoA1 , pmoA2 , mmoX e mcrA mediante PCR quantitativa in tempo reale
NOTA: I geni mirati al metanogeno e al metanotrofio come l'abbondanza di pmoA1, pmoA2, mmoX e mcrA sono stati osservati mediante qPCR utilizzando un sistema di PCR in tempo reale.
6. Visualizzazione dei geni del ciclo del metano nella mappa delle zone umide costiere del Texas meridionale
Per comprendere la distribuzione e l'abbondanza dei geni correlati al ciclo CH4 (mcrA, pmoA1, pmoA2 e mmoX) nelle zone umide costiere del Texas meridionale, l'eDNA estratto da ciascun campione è stato analizzato mediante cPCR e qPCR. I primer universali per ciascun biomarcatore sono stati selezionati per eseguire la cPCR da studi precedenti (Tabella 1)22,34,35,36,37 e sono state apportate modifiche per ottimizzare le temper...
Le zone umide costiere sono riconosciute come fattori significativi per il metano atmosferico, un importante gas serra40. Sebbene ci siano stati studi sul flusso di metano e sui metanogeni nelle zone umide 41,42,43, poco si sa su come i metanotrofi operino in diversi ambienti o in varie pratiche di gestione, specialmente nelle zone umide con livelli d'acqua fluttuanti44.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Siamo grati ai membri di C-REAL per la loro assistenza nell'osservazione sul campo e nelle analisi di 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 |
Richiedi autorizzazione per utilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi AutorizzazioneThis article has been published
Video Coming Soon