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Le protocole détecte les principaux gènes du cycle du méthane dans les zones humides côtières du sud du Texas et visualise leur distribution spatiale afin d’améliorer la compréhension de la régulation du méthane et de ses impacts environnementaux dans ces écosystèmes dynamiques.
Les zones humides côtières sont la plus grande source biotique de méthane, où les méthanogènes convertissent la matière organique en méthane et les méthanotrophes oxydent le méthane, jouant ainsi un rôle essentiel dans la régulation du cycle du méthane. Les zones humides du sud du Texas, qui sont soumises à des événements météorologiques fréquents, à des niveaux de salinité fluctuants et à des activités anthropiques dues au changement climatique, influencent le cycle du méthane. Malgré l’importance écologique de ces processus, le cycle du méthane dans les zones humides côtières du sud du Texas reste insuffisamment exploré. Pour combler cette lacune, nous avons développé et optimisé une méthode de détection des gènes liés aux méthanogènes et aux méthanotrophes, y compris mcrA comme biomarqueur pour les méthanogènes et pmoA1, pmoA2 et mmoX comme biomarqueurs pour les méthanotrophes. De plus, cette étude visait à visualiser les modèles de distribution spatiale et temporelle de l’abondance des méthanogènes et des méthanotrophes à l’aide du logiciel de système d’information géographique (SIG) ArcGIS Pro. L’intégration de ces techniques moléculaires à la visualisation géospatiale avancée a fourni des informations essentielles sur la distribution spatiale et temporelle des communautés de méthanogènes et de méthanotrophes dans les zones humides du sud du Texas. Ainsi, la méthodologie établie dans cette étude offre un cadre solide pour cartographier la dynamique microbienne dans les zones humides, améliorer notre compréhension du cycle du méthane dans des conditions environnementales variables et soutenir des études plus larges sur les changements écologiques et environnementaux.
Les zones humides côtières sont des écosystèmes vitaux qui contribuent à la régulation du climat, à la conservation de la biodiversité et à la gestion de l’eau par des processus tels que la séquestration du carbone, l’évapotranspiration et les émissions de méthane (CH4)1. Ces écosystèmes, qui comprennent les zones humides d’eau douce et d’eau salée2, sont très productifs et constituent des zones critiques pour l’absorption de dioxyde de carbone (CO2) et la capture de la matière organique dans les environnements terrestres et marins 3,4. Les interactions dynamiques au sein de ces zones humides stimulent la production et la consommation microbiennes de CH4 5, ce qui les positionne comme l’une des plus grandes sources naturelles de CH46. En tant que deuxième gaz à effet de serre le plus important, le CH4 a un potentiel de réchauffement planétaire environ 27 à 30 fois supérieur à celui du CO2 4,7,8,9, ce qui rend l’étude des émissions de CH 4 des zones humides côtières essentielle à l’ère du changement climatique. L’émission de CH4 est influencée par divers facteurs environnementaux, en particulier la salinité, qui joue un rôle crucial dans les processus microbiens10. Les zones humides d’eau douce contribuent de manière significative au méthane atmosphérique en raison de leurs faibles niveaux de sulfate, ce qui facilite une plus grande production microbienne de CH4, tandis que les zones humides d’eau salée ont généralement tendance à émettre moins de CH4 en raison de concentrations plus élevées de sulfates 11,12,13.
Les émissions de CH4 provenant des zones humides côtières sont généralement contrôlées par deux groupes de micro-organismes, connus sous le nom de méthanogènes et de méthanotrophes14. Les méthanogènes produisent du CH4 dans les sédiments anoxiques en décomposant des substrats tels que le formiate, l’acétate, l’hydrogène ou les composés méthylés par un processus connu sous le nom de méthanogenèse15. L’enzyme importante de cette voie est la méthyl-coenzyme M réductase (MCR), car elle catalyse l’étape finale et limitante de la méthanogenèse 15,16,17. Le gène mcrA, qui code pour la sous-unité alpha de MCR, est un marqueur fonctionnel que l’on retrouve chez toutes les archées méthanogènes18. De plus, dans les zones humides côtières, la zone de transition sulfate-méthane (SMTZ) se forme au-dessus de la zone méthanogène, où le méthane se diffusant vers le haut et le sulfate se déplaçant vers le bas convergent et s’appauvrissent19. Dans cette zone, les archées méthanotrophes anaérobies (ANME) oxydent le méthane en dioxyde de carbone à l’aide de l’enzyme MCR, tandis que les bactéries sulfato-réductrices (SRB) réduisent le sulfate en sulfure. Les SRB surpassent les méthanogènes pour l’hydrogène et l’acétate, limitant la production de méthane jusqu’à ce que le sulfate soit épuisé16,17.
En revanche, les bactéries méthanotrophes aérobies oxydent le CH4 dans les environnements aérobies20, en utilisant différentes formes de méthane monooxygénase (MMO). Il s’agit notamment de la méthane monooxygénase particulaire (pMMO), une enzyme contenant du cuivre intégrée dans la membrane intracytoplasmique, et de la méthane monooxygénase soluble (sMMO), une enzyme contenant du fer présente dans le cytoplasme. Cependant, pour le pMMO, il existe trois opérateurs de gènes pmoCAB21 ; parmi eux, le gène pmoA est le plus conservateur pour tous les méthanotrophes. Il existe deux gènes biomarqueurs différents pour le pmoA : pmoA1 et pmoA222. De plus, pour une compréhension complète des méthanotrophes, le gène mmoX est utilisé comme outil en biologie moléculaire pour identifier les méthanotrophes23 contenant des sMMO. Cette distinction dans les voies métaboliques et les exigences environnementales des méthanogènes et des méthanotrophes aérobies met en évidence les interactions microbiennes complexes qui régulent le cycle du méthane dans les écosystèmes des zones humides côtières.
La zone humide de Boca Chica (C.-B.), un environnement d’eau salée productif dans le sud du Texas, subit des influences de marée du golfe du Mexique (GOM), entraînant des niveaux de salinité de surface variables, notamment en raison de sa proximité avec l’hypersaline Laguna Madre24. Cette action des marées, alternant entre les marées hautes et basses, fait fluctuer les niveaux d’oxygène25 , ce qui pourrait modifier l’activité méthanogène et méthanotrophe dans les sédiments26. En revanche, les zones humides d’eau douce côtières sont considérées comme un point chaud important pour les flux de CH4 27. Les zones humides d’eau douce côtières du sud du Texas, y compris Resaca Del Rancho Viejo (RV) et Lozano Banco (LB), éloignées des effets de marée du GOM, ont une gestion hydrologique distincte. Le VR subit des débits pulsés complétés par de l’eau de rivière pendant les faibles niveaux d’eau, tandis que le LB fonctionne comme un système d’écoulement hors ligne sans une telle supplémentation. De plus, RV et LB maintiennent des niveaux de salinité plus faibles en raison d’un débit élevé d’eau douce pompée artificiellement et du fait qu’il s’agit d’un lac de bras mort, respectivement. Les différents facteurs environnementaux peuvent influencer de manière significative le cycle du méthane dans les zones humides côtières du sud du Texas. Cependant, le cycle du méthane dans les zones humides côtières du sud du Texas reste une zone qui n’a pas encore fait l’objet d’une enquête approfondie.
La réaction en chaîne par polymérase (PCR) et la PCR en temps réel (également appelée PCR quantitative [qPCR]) représentent des techniques fondamentales et largement utilisées pour détecter et quantifier l’abondance relative de gènes spécifiques dans les échantillons environnementaux. Ces techniques amplifient spécifiquement les régions ciblées de l’ADN pour indiquer la présence et la quantité relative de gènes liés au cycle du CH4, fournissant ainsi des indicateurs du cycle potentiel du méthane. Néanmoins, la disponibilité et l’efficacité des ensembles d’amorces PCR peuvent être limitées par divers facteurs inhibiteurs dans l’ADN environnemental extrait, étant influencés par les types d’environnements28,29. Ainsi, cette étude a principalement établi une méthode PCR optimale pour détecter la présence de gènes liés au cycle CH4 dans les zones humides côtières du sud du Texas (Figure 1), puis a visualisé leur abondance relative quantifiée dans ces écosystèmes. Les résultats de cette étude peuvent être appliqués à d’autres régions côtières afin d’améliorer la compréhension du cycle du CH4 et de la dynamique microbienne dans divers écosystèmes côtiers.
1. Prélèvement d’échantillons
2. Extraction de l’ADN génomique
3. Quantification de l’ADN
4. Détection de l’ARNr 16S, du pmoA1 , du pmoA2 , du mmoX et du mcrA par PCR conventionnelle
5. Détection de pmoA1, pmoA2, mmoX et mcrA par PCR quantitative en temps réel
REMARQUE : L’abondance de gènes ciblant les méthanogènes et les méthanotrophes, tels que l’abondance de pmoA1, pmoA2, mmoX et mcrA , a été observée par qPCR à l’aide d’un système de PCR en temps réel.
6. Visualisation des gènes du cycle du méthane sur la carte des zones humides côtières du sud du Texas
Pour comprendre la distribution et l’abondance des gènes liés au cycle CH4 (mcrA, pmoA1, pmoA2 et mmoX) dans les zones humides côtières du sud du Texas, l’ADNe extrait de chaque échantillon a été analysé par cPCR et qPCR. Des amorces universelles pour chaque biomarqueur ont été sélectionnées pour exécuter la cPCR à partir d’études antérieures (Tableau 1)22,34,35,36,37, et des modifications ont été app...
Les zones humides côtières sont reconnues comme contribuant de manière importante au méthane atmosphérique, un important gaz à effet de serre40. Bien qu’il y ait eu des études sur les flux de méthane et les méthanogènes dans les zones humides 41,42,43, on sait peu de choses sur la façon dont les méthanotrophes fonctionnent dans différents environnements ou selon diverses pratiques de gestion, en particulier dans les zones humides avec des niveaux d?...
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.
Nous sommes reconnaissants envers les membres de C-REAL pour leur aide dans l’observation sur le terrain et les analyses en laboratoire.
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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