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O protocolo detecta os principais genes do ciclo de metano nas zonas úmidas costeiras do sul do Texas e visualiza sua distribuição espacial para melhorar a compreensão da regulação do metano e seus impactos ambientais nesses ecossistemas dinâmicos.
As zonas úmidas costeiras são a maior fonte biótica de metano, onde os metanógenos convertem matéria orgânica em metano e os metanotróficos oxidam o metano, desempenhando assim um papel crítico na regulação do ciclo do metano. As zonas úmidas no sul do Texas, que estão sujeitas a eventos climáticos frequentes, níveis flutuantes de salinidade e atividades antropogênicas devido às mudanças climáticas, influenciam o ciclo do metano. Apesar da importância ecológica desses processos, o ciclo de metano nas zonas úmidas costeiras do sul do Texas permanece insuficientemente explorado. Para resolver essa lacuna, desenvolvemos e otimizamos um método para detectar genes relacionados a metanógenos e metanotróficos, incluindo mcrA como biomarcador para metanógenos e pmoA1, pmoA2 e mmoX como biomarcadores para metanotróficos. Além disso, este estudo teve como objetivo visualizar os padrões de distribuição espacial e temporal da abundância de metanogênios e metanotróficos utilizando o software de sistema de informações geográficas (GIS) ArcGIS Pro. A integração dessas técnicas moleculares com visualização geoespacial avançada forneceu insights críticos sobre a distribuição espacial e temporal de comunidades metanogênicas e metanotróficas nas zonas úmidas do sul do Texas. Assim, a metodologia estabelecida neste estudo oferece uma estrutura robusta para mapear a dinâmica microbiana em zonas úmidas, aprimorando nossa compreensão do ciclo do metano sob condições ambientais variadas e apoiando estudos mais amplos de mudanças ecológicas e ambientais.
As zonas úmidas costeiras são ecossistemas vitais que contribuem para a regulação do clima, conservação da biodiversidade e gestão da água por meio de processos como sequestro de carbono, evapotranspiração e emissões de metano (CH4)1. Esses ecossistemas, incluindo pântanos de água doce e salgada2, são altamente produtivos e atuam como zonas críticas para a absorção de dióxido de carbono (CO2) e capturam matéria orgânica de ambientes terrestres e marinhos 3,4. As interações dinâmicas dentro dessas áreas úmidas estimulam a produção e o consumo microbiano de CH4 5, posicionando-os como uma das maiores fontes naturais de CH46. Como o segundo gás de efeito estufa mais importante, o CH4 tem um potencial de aquecimento global aproximadamente 27-30x maior que o de CO2 4,7,8,9, tornando o estudo das emissões de CH4 de zonas úmidas costeiras essencial na era das mudanças climáticas. A emissão de CH4 é influenciada por vários fatores ambientais, particularmente a salinidade, desempenhando um papel crucial nos processos microbianos10. As zonas úmidas de água doce contribuem significativamente para o metano atmosférico devido aos seus níveis mais baixos de sulfato, o que facilita uma maior produção microbiana de CH4, enquanto as áreas úmidas de água salgada geralmente tendem a emitir menos CH4 devido a concentrações mais altas de sulfato 11,12,13.
As emissões de CH4 das zonas úmidas costeiras são geralmente controladas por dois grupos de microrganismos, conhecidos como metanógenos e metanotróficos14. Os metanógenos produzem CH4 em sedimentos anóxicos, quebrando substratos como formato, acetato, hidrogênio ou compostos metilados por meio de um processo conhecido como metanogênese15. A enzima importante nessa via é a metil-coenzima M redutase (MCR), pois catalisa a etapa final e limitante da metanogênese 15,16,17. O gene mcrA, que codifica a subunidade alfa do MCR, é um marcador funcional que pode ser encontrado em todas as arqueias metanogênicas18. Além disso, em zonas úmidas costeiras, a zona de transição sulfato-metano (SMTZ) se forma acima da zona metanogênica, onde o metano que se difunde para cima e o sulfato que se move para baixo convergem e se esgotam19. Dentro desta zona, as arqueias metanotróficas anaeróbicas (ANME) oxidam o metano em dióxido de carbono usando a enzima MCR, enquanto as bactérias redutoras de sulfato (SRB) reduzem o sulfato a sulfeto. O SRB supera os metanógenos para hidrogênio e acetato, limitando a produção de metano até que o sulfato se esgote16,17.
Em contraste, bactérias metanotróficas aeróbias oxidam CH4 em ambientes aeróbios20, utilizando diferentes formas de metano monooxigenase (MMO). Estes incluem a monooxigenase de metano particulado (pMMO), uma enzima contendo cobre embutida na membrana intracitoplasmática, e a monooxigenase de metano solúvel (sMMO), uma enzima contendo ferro encontrada no citoplasma. No entanto, para pMMO, existem três operons gênicos pmoCAB21; entre eles, o gene pmoA é o mais conservador para todos os metanotróficos. Existem dois genes biomarcadores diferentes para pmoA: pmoA1 e pmoA222. Além disso, para uma compreensão abrangente dos metanotróficos, o gene mmoX é usado como uma ferramenta em biologia molecular para identificar metanotróficos contendo sMMO23. Essa distinção nas vias metabólicas e nos requisitos ambientais de metanógenos e metanotróficos aeróbios destaca as complexas interações microbianas que regulam o ciclo do metano em ecossistemas de zonas úmidas costeiras.
O pântano de Boca Chica (BC), um ambiente produtivo de água salgada no sul do Texas, experimenta influências de maré do Golfo do México (GOM), levando a níveis variáveis de salinidade superficial, especialmente devido à sua proximidade com a hipersalina Laguna Madre24. Essa ação de maré, alternando entre marés altas e baixas, faz com que os níveis de oxigênio flutuem25 , o que pode alterar a atividade metanogênica e metanotrófica nos sedimentos26. Em contraste, as zonas úmidas costeiras de água doce são consideradas um hotspot significativo para fluxos de CH4 27. As zonas úmidas costeiras de água doce no sul do Texas, incluindo Resaca Del Rancho Viejo (RV) e Lozano Banco (LB), distantes dos efeitos das marés do GOM, têm gestão hidrológica distinta. O RV experimenta fluxos de pulso suplementados pela água do rio durante os baixos níveis de água, enquanto o LB opera como um sistema de fluxo off-line sem essa suplementação. Além disso, RV e LB mantêm níveis de salinidade mais baixos devido a uma alta descarga de água doce bombeada artificialmente e por ser um lago em forma de boi, respectivamente. Os diferentes fatores ambientais podem influenciar significativamente o ciclo de metano nas zonas úmidas costeiras do sul do Texas. No entanto, o ciclo de metano nas zonas úmidas costeiras do sul do Texas continua sendo uma área que ainda precisa ser completamente investigada.
A reação em cadeia da polimerase (PCR) e a PCR em tempo real (também chamada de PCR quantitativa [qPCR]) representam técnicas fundamentais e amplamente utilizadas para detectar e quantificar a abundância relativa de genes específicos em amostras ambientais. Essas técnicas amplificam especificamente regiões-alvo do DNA para indicar a presença e a quantidade relativa de genes relacionados ao ciclo de CH4, fornecendo indicadores de potencial ciclo de metano. No entanto, a disponibilidade e eficácia dos conjuntos de primers de PCR podem ser limitadas por vários fatores inibitórios no DNA ambiental extraído, sendo impactados pelos tipos de ambientes28,29. Assim, este estudo estabeleceu principalmente um método de PCR ideal para detectar a presença de genes relacionados ao ciclismo CH4 em zonas úmidas costeiras do sul do Texas (Figura 1) e, em seguida, visualizou sua abundância relativa quantificada nesses ecossistemas. Os resultados deste estudo podem ser aplicados a outras regiões costeiras para melhorar a compreensão do ciclo de CH4 e da dinâmica microbiana em diversos ecossistemas costeiros.
1. Coleta de amostras
2. Extração de DNA genômico
3. Quantificação de DNA
4. Detecção de 16S rRNA, pmoA1 , pmoA2 , mmoX e mcrA por PCR convencional
5. Detecção de pmoA1, pmoA2, mmoX e mcrA por PCR quantitativo em tempo real
NOTA: A abundância de genes direcionados a metanogênios e metanotróficos, como pmoA1, pmoA2, mmoX e mcrA , foi observada por qPCR usando um sistema de PCR em tempo real.
6. Visualizando genes do ciclo de metano no mapa das zonas úmidas costeiras do sul do Texas
Para entender a distribuição e abundância de genes relacionados ao ciclismo CH4 (mcrA, pmoA1, pmoA2 e mmoX) nas zonas úmidas costeiras do sul do Texas, o eDNA extraído de cada amostra foi analisado por cPCR e qPCR. Primers universais para cada biomarcador foram selecionados para executar cPCR de estudos anteriores (Tabela 1) 22 , 34 ,
As zonas úmidas costeiras são reconhecidas como contribuintes significativos para o metano atmosférico, um importante gás de efeito estufa40. Embora existam estudos sobre fluxo de metano e metanógenos em áreas úmidas41 , 42 , 43 , pouco se sabe sobre como os metanotróficos operam em diferentes ambientes ou sob várias práticas de manejo, especialmente em áreas ?...
Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.
Agradecemos aos membros do C-REAL por sua assistência na observação de campo e análises laboratoriais.
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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