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Method Article
该协议检测南德克萨斯州沿海湿地中的关键甲烷循环基因,并可视化它们的空间分布,以增强对甲烷调节及其在这些动态生态系统中的环境影响的理解。
沿海湿地是甲烷最大的生物来源,产甲烷菌将有机物转化为甲烷,而嗜甲烷菌氧化甲烷,从而在调节甲烷循环中起关键作用。由于气候变化,德克萨斯州南部的湿地经常受到天气事件、盐度水平波动和人为活动的影响,这些都会影响甲烷循环。尽管这些过程具有生态重要性,但南德克萨斯州沿海湿地的甲烷循环仍未得到充分探索。为了解决这一差距,我们开发并优化了一种检测与产甲烷菌和嗜甲烷菌相关的基因的方法,包括作为产甲烷菌生物标志物的 mcrA 和作为产甲烷菌生物标志物的 pmoA1、 pmoA2 和 mmoX 。此外,本研究旨在利用地理信息系统 (GIS) 软件 ArcGIS Pro 可视化产甲烷原和甲烷营养素丰度的时空分布模式。将这些分子技术与先进的地理空间可视化相结合,为了解南德克萨斯州湿地中产甲烷菌和嗜甲烷菌群落的时空分布提供了重要见解。因此,本研究中建立的方法为绘制湿地中的微生物动态图提供了一个强大的框架,增强了我们对不同环境条件下甲烷循环的理解,并支持更广泛的生态和环境变化研究。
沿海湿地是重要的生态系统,通过碳封存、蒸发蒸腾和甲烷 (CH4) 排放等过程为气候调节、生物多样性保护和水资源管理做出贡献1。这些生态系统,包括淡水湿地和咸水湿地2,生产力很高,是吸收二氧化碳 (CO2) 和捕获陆地和海洋环境中有机物的关键区域 3,4。这些湿地内的动态相互作用刺激了微生物 CH4 的产生和消费5,使它们成为 CH46 的最大天然来源之一。作为第二重要的温室气体,CH4 的全球变暖潜能值约为 CO24、7、8、9 的 27-30 倍,因此在气候变化时代,研究沿海湿地的 CH4 排放量至关重要。CH4 的排放受各种环境因素的影响,尤其是盐度,在微生物过程中起着至关重要的作用10。淡水湿地的硫酸盐含量较低,因此对大气甲烷的贡献很大,这促进了微生物 CH4 的产生,而咸水湿地由于硫酸盐浓度较高,通常倾向于排放较少的 CH4 11,12,13。
沿海湿地的 CH4 排放通常由两组微生物控制,称为产甲烷菌和甲烷菌14。产甲烷菌通过称为甲烷生成15 的过程分解甲酸盐、乙酸盐、氢或甲基化化合物等底物,在缺氧沉积物中产生 CH4。该途径中的重要酶是甲基辅酶 M 还原酶 (MCR),因为它催化甲烷生成的最后和限速步骤 15,16,17。编码 MCR 的 α 亚基的 mcrA 基因是一种功能标记物,可以在所有产甲烷古细菌中找到18。此外,在沿海湿地中,硫酸盐-甲烷过渡区 (SMTZ) 在产甲烷区上方形成,甲烷向上扩散,硫酸盐向下移动汇聚并耗尽19。在该区域内,厌氧甲烷营养古细菌 (ANME) 使用 MCR 酶将甲烷氧化成二氧化碳,而硫酸盐还原细菌 (SRB) 将硫酸盐还原为硫化物。SRB 在氢和乙酸盐方面优于产甲烷菌,限制了甲烷的产生,直到硫酸盐耗尽16,17。
相比之下,需氧嗜甲烷菌在好氧环境中利用不同形式的甲烷单加氧酶 (MMO)20 氧化 CH4。这些包括颗粒甲烷单加氧酶 (pMMO),一种嵌入胞浆内膜的含铜酶,以及可溶性甲烷单加氧酶 (sMMO),一种在细胞质中发现的含铁酶。然而,对于 pMMO,有三个基因纵子 pmoCAB21;其中,pmoA 基因是所有嗜甲烷菌中最保守的。pmoA 有两种不同的生物标志物基因:pmoA1 和 pmoA222。此外,为了全面了解嗜甲烷菌,mmoX 基因被用作分子生物学中的工具,以识别含有 sMMO 的嗜甲烷菌23。产甲烷菌和好氧甲烷菌的代谢途径和环境要求的这种差异突出了沿海湿地生态系统中调节甲烷循环的复杂微生物相互作用。
博卡奇卡 (BC) 湿地是德克萨斯州南部一个多产的咸水环境,受到墨西哥湾 (GOM) 的潮汐影响,导致地表盐度水平变化,特别是由于靠近高盐度的马德雷湖24 号。这种潮汐作用在涨潮和退潮之间交替,导致氧气水平波动25 ,这可能会改变沉积物中的产甲烷菌和产甲烷菌活性26。相比之下,沿海淡水湿地被认为是 CH4 通量的重要热点27。德克萨斯州南部的沿海淡水湿地,包括 Resaca Del Rancho Viejo (RV) 和 Lozano Banco (LB),远离 GOM 的潮汐效应,具有独特的水文管理。RV 在低水位时经历由河水补充的脉冲流,而 LB 在没有这种补充的情况下作为离线流系统运行。此外,RV 和 LB 保持较低的盐度水平,这是由于人工抽取的淡水流量大,并且分别是一个牛轭湖。不同的环境因素会显着影响南德克萨斯州沿海湿地的甲烷循环。然而,南德克萨斯州沿海湿地的甲烷循环仍然是一个尚未彻底调查的领域。
聚合酶链反应 (PCR) 和实时 PCR(也称为定量 PCR [qPCR])是检测和定量环境样本中特定基因相对丰度的基本且广泛使用的技术。这些技术特异性扩增 DNA 的目标区域,以指示 CH4 循环相关基因的存在和相对数量,从而提供潜在甲烷循环的指标。然而,PCR 引物组的可用性和有效性可能受到提取的环境 DNA 中各种抑制因子的限制,并受到环境类型的影响28,29。因此,本研究主要建立了一种最佳的 PCR 方法,用于检测南德克萨斯州沿海湿地中 CH4 循环相关基因的存在(图 1),然后可视化它们在这些生态系统中的定量相对丰度。这项研究的结果可以应用于其他沿海地区,以增强对不同沿海生态系统中 CH4 循环和微生物动力学的理解。
1. 样本采集
2. 基因组 DNA 提取
3. DNA 定量
4. 常规 PCR 检测 16S rRNA、pmoA1、pmoA2、mmoX 和 mcrA
5. 通过定量实时 PCR 检测 pmoA1 、 pmoA2 、 mmoX 和 mcrA
注:使用实时 PCR 系统通过 qPCR 观察到产甲烷菌和甲烷营养素靶向基因,如 pmoA1、 pmoA2、 mmoX 和 mcrA 丰度。
6. 在南德克萨斯州沿海湿地地图中可视化甲烷循环基因
为了解南德克萨斯州沿海湿地 CH4 循环相关基因 (mcrA 、 pmoA1 、 pmoA2 和 mmoX) 的分布和丰度,通过 cPCR 和 qPCR 分析每个样本中提取的 eDNA。从以前的研究中选择每个生物标志物的通用引物来运行 cPCR(表 1)22,34,35,36,37,并根据样品特性和环境条件进行修改以优化退火温度和浓度。...
作者没有需要声明的利益冲突。沿海湿地被认为是大气中甲烷的重要贡献者,甲烷是一种重要的温室气体40。尽管已经对湿地中的甲烷通量和产甲烷菌进行了研究 41,42,43,但对嗜甲烷菌如何在不同环境或各种管理实践下运作知之甚少,尤其是在水位波动的湿地中 44。...
The authors have no conflicts of interest to declare.
We are thankful to C-REAL members for their assistance in field observation and laboratory analyses.
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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