Method Article
Makale, birçok numuneyle yapılan çalışmalarda toprak mikrobik topluluk yapısını belirlemek için hem toplam lipidlerin hem de gösterge lipidlerinin göreceli olarak bolluğunun karakterize edilmesinde kullanılmak üzere, mikroorganizmaların hücre membranlarından lipidlerin ekstraksiyonu için çaba ve doğruluğu denkleştirirken, verimliliği arttıran bir yöntemi açıklıyor.
Mikrobiyal topluluklar, ekosistem süreçlerinin önemli sürücüleri ve düzenleyicileri. Ekosistemlerin yönetiminin mikrobik toplulukları nasıl etkilediğini anlamak için, mikrobiyal topluluk kompozisyonunu belirlemek için nispeten hassas ama çaba harcayan bir teknik, fosfolipid yağ asidi (PLFA) analizidir. PLFA, mikrobik biyokütlenin göstergeleri ve mantarların ve bakterilerin geniş fonksiyonel gruplarının bileşimi olarak kullanılabilen fosfolipit biyolojik belirteçlerini analiz etmek için geliştirildi. Alternatif bitki toplulukları, ekoloji ve yönetim rejimleri altında toprakları karşılaştırmak için sıklıkla kullanılmıştır. PLFA metodunun mikrobiyal topluluk kompozisyonundaki değişimlerin saptanmasına duyarlı olduğu gösterilmiştir.
Toplam lipidlerin, fosfolipid fraksiyonunun ayrımı yapılmadan, saf kültürlerden, mikrobiyal tanımlama tekniği olarak hızla ekstraksiyonu için alternatif bir yöntem olan yağ asidi metil ester ekstraksiyon ve analiz (MIDI-FA) geliştirildi. Bu yöntemHızlıdır fakat toprak numuneleri için daha az uygundur, çünkü toprak parçacıklarını ayıran ilk adımdan yoksundur ve bunun yerine toprağın arka plan organik maddesinden artefaktlar üreten bir sabunlaşma reaksiyonu ile başlar.
Bu makale, birçok numuneyle yapılan çalışmalarda toprak mikrobik topluluk yapısını belirlemek için toplam lipidlerin ve gösterge lipidlerinin göreceli olarak bolluğunun karakterize edilmesinde kullanılmak üzere, mikroorganizmaların hücre membranlarından lipidlerin ekstraksiyonu için çaba ve doğruluğu denkleştirirken, verimliliği arttıran bir yöntemi açıklamaktadır. Yöntem, birinci adım olarak toprak lipidlerini çıkarıp konsantre hale getirerek ve elde edilen organik materyali sabunlaştırarak ve ikinci adım olarak MIDI-FA yöntemiyle işleyerek, PLFA profillemesi yoluyla elde edilen doğruluğu bir araya getirir.
Besin maddesi döngüsü 1'de mikroorganizmaların kilit rolü göz önüne alındığında, bitki topluluğunun kompozisyonunun değiştirilmesi 2 , bitki verimliliğinin düzenlenmesi 3 ve organik maddenin ayrışması 4 , toprak mikrobik topluluklarını anlamak karasal ekosistemlerin anlaşılması için yaşamsal önem taşır.
Toprağa nispeten yüksek miktarda verimi ve kimyasal işaretleri nedeniyle, lipid biyobelirteçleri, toprak mikrobik topluluklarından 5 oluşan baskın ekolojik grupları profillemek için kullanılabilir. Farklı mikrobiyal grupların karakteristik lipid biyobelirteçlerini belirleyerek total lipidleri tahmin edebilir ve daha sonra bu lipitleri Gram pozitif (Gm +) ve Gram negatif (Gm-) bakteriler, arbusküler mikorizal (AM) ve saprotrofik gibi ekolojik olarak ilgili gruplara ayırabiliriz Mantarlar ve aktinomisetler 5 , Ss = "xref"> 6 , 7 , 8 .
Mikrobiyal cemaatlerin özelliklerini tanımlamak için pek çok yöntem var. PLFA yöntemi, temel mikrobik topluluk yapısını anlamak için yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Mikrobiyal grupların görece bolluğunu ve toplam mikrobik biyokütleyi değerlendirmek etkili bir yoldur. Hızlı lipid ciroya bağlı olarak, PLFA profillemesi, toprak mikrobik topluluğundaki değişikliklerin nispeten hızlı bir şekilde tespit edilmesine izin verir ve ekosistem fonksiyonunun, örneğin fungal: bakteri oranlarının, besin maddesi sikluslarının oranlarını değerlendirmek için karşılaştırılmasını sağlayan bilgi verir 1 , 9 , 10 . Bununla birlikte, PLFA ekstraksiyon metodu zamanı geldi ve iyi saygı görürken, aynı zamanda zaman alıcıdır ve saha ölçeğinde tekrarlanan numunelerin çok sayıda gerektiren ekosistem ölçeğinde çalışmalara iyi bir şekilde uyum sağlamazF "> 11 , 12 .
Aksine, yağ asidi metil ester ekstraksiyon yöntemi (MIDI-FA), hızlı üretimine izin verme potansiyeline sahiptir. Bu yöntemde örnekler sabunlaştırılır, FAME'lara dönüştürülür, çıkarılır ve analiz edilir. MIDI-FA yöntemi, lipidlerin ekstraksiyonunu farklı lipid sınıfları 13 (fosfolipitler, nötr lipidler ve glikolipidler) ayıran PLFA'dan daha hızlı fakat daha az ayırdedici niteliktedir.
Bu protokolde hem PLFA hem de MIDI-FA lipid profillemesinin unsurlarını bir araya getiren bir yöntemi açıklıyoruz. Modifiye Bligh ve Dyer yönteminin ilk kloroform ekstraksiyon adımlarını kullanarak lipidlerin ekstraksiyonunu ve ardından sabunlaştırma ve Fame'lere dönüşümü kullanır. Bu sigara mikrobik malzemenin 5, 14 arka plan gürültüsünün çok hariç ise mikrobik topluluk yapısını tespit etmek için sağlam bir yol sağlar . Bu yöntem hem PLFA hem de MIDI-FA protokolleri arasında bir denge kurmak için geliştirildi, yani pek çok numune ile büyük ölçekli çalışmalardan lipidleri analiz etmek için lojistik ve ekonomik olarak mümkün olan iş hacmini arttırırken doğrunun çoğunu muhafaza eder 15 . MIDI-FA'yi gerçekleştirmeden önce organik olarak çözünen bileşenlerin ( örneğin lipidlerin) izole edilmesi ve izole edilmesi ve bunu bir saflaştırma adımıyla tamamlayarak, protokol hız ve hassaslık arasında bir denge sunar.
NOT: Usul boyunca her zaman uygun kişisel koruyucu ekipmanı (PPE) giyin. Olası örnek kirliliğini önlemek için, cam eşyalara çıplak elle dokunmayın. Kloroform gerektiren protokol adımlarında uygun eldiven takın.
1. Preparatlar (~ 40 numune için 2 Gün)
2. GÜN 1 - Yağ Asitlerinin Topraktan Çıkarılması (~ 40 numune için 4-5 saat)
3 GÜN2 - Lipidlerin izolasyonu (~ 40 numune için 3-4 saat)
4. GÜN 3. Sabunlaşma ve Metilasyon (~ 40 numune için 6-7 saat)
5. GÜN 4 - Çalışma Solüsyonunun Hazırlanması ve Şöhretlerin GC Şişelerine Aktarımı (yaklaşık 40 numune için 2-3 saat)
Raporlardaki veri tabloları bir elektronik tabloya veya veritabanına harmanlanabilir. Yanıt faktörü (farklı zincir uzunlukları için cevabı normalleştiren bir düzeltme faktörü) ayarladıktan sonra, pik alanlar ekstre konsantrasyonuna ulaşmak için dış veya iç standartların pik alanı ile karşılaştırılabilir. Ayıklanan toprak kütlesi ile bölünerek veriler, toprak gramı başına FAME kütlesi olarak veya her bir FAME molekül ağırlığı kullanılarak toprak gramı başına daha sık bildirilen nmol olarak ifade edilebilir. Mikrobiyal FAME'lerin toplamı toplam mikrobik biyokütleyi gösterir ve tedaviler arasında kıyaslanabilir ( Şekil 1 ). Bazı AYAKLAR ayrıca Gram-pozitif veya Gram-negatif bakteriler, aktinomisetler, arbusküler mikorizal mantarlar ve saprotrofik mantarlar 19 , 20 , 20 gibi belirli mikrobik gruplarla ilişkili olabilir. 21 , 22 , 23 , 24 . Belirli biyolojik belirteçlerin kütlesinin oranları, bu grupların görece bolluğunu yansıtabilir ( Şekil 2 ). Genel FAME bolluk kalıpları, koordinasyon gibi çok değişkenli teknikler yoluyla mikrobiyal topluluk farklılığının karşılaştırılmasına olanak tanıyan topluluk düzeyinde parmak izleri oluşturur ( Şekil 3 ). DNA tabanlı yaklaşımların çoğunun aksine, toplum düzeyindeki lipid verileri ya göreceli veya mutlak bolluk olarak analiz edilebilir. Toplam biyokütle numuneler arasında büyük farklılıklar gösteriyorsa, bu iki yaklaşım çok farklı sonuçlar verecektir; Deneyin altında yatan ekolojik sorular hangi yaklaşımı kullandığını belirlemelidir.
F Şekil 1 : Toplam Fame biyo kütlesi . Sürekli mısır, gübrelenmiş çayır ve unfertilize çayırdan toplam FAME biyomarker biyokütlesinin (nmol g -1 toprak) karşılaştırılması. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 2 : Bakteri ve mantarların FAME biyokütlesi. Sürekli mısır, döllenmiş çayır ve unfertilize prairie. Bakteriyel ve fungal FAME biyomarker biyokütle (nmol g -1 toprak) Muamele karşılaştırma Mutlak bolluktan Fungal ve bakteri kütlesi. Ortalama (toplam f / toplam b). Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Tablo 1: T h e so sol ven t türü, s ile oransal ti g-1 toprak, o f n O Iti eklemek bir d t h EIR orde r ilave edildi. Bu, organik ve sulu fazların doğru ekstraksiyonu ve ayrılması için önemlidir.
Birçok çoğaltan ve / veya deney birimi bulunan deneylerden alınan çoklu numunelerin incelenmesi için, araştırmacılar fosfolipid yağ asidi analizi (PLFA) zaman ve materyal bakımından yasaklayıcı bulabilir 25 . PLFA yöntemi ile, hücre zarı fosfolipidleri modifiye Bligh and Dyer 26 iki fazlı sulu organik ekstraksiyon kullanılarak özütlenir, saflaştırılır ve tanımlanır. Bunu, polariteyle lipidleri ayırmak için katı-fazlı silika kromatografisi ve yağ asit metil esterlerine fosfolipid yağlı asitlerin alkalin metilasyonu izler. PLFA profillemesinde lipid verimi düşük olabilir, ancak çok yüksek saflıkta olabilir. Mikrobiyal ID, yağ asidi metil ester prosedürü (MIDI-FA) alternatif bir yöntem getirdi. MIDI-FA yönteminde, tüm lipidler doğrudan saf kültürlerden veya topraktaki / sediman örneklerinden 11 , 12 , 27'densabunlaşma. Bu yöntem düşük lipid kaybına sahiptir ve hızlıdır, çünkü PLFA yönteminin konsantrasyon veya saflaştırma adımlarından hiçbirine sahip değildir. Bununla birlikte, saf kültürde organizmaları tanımlamak için orijinal olarak tasarlandığından, MIDI-FA yöntemi hızlı ve daha ucuz olmasına rağmen, başlangıç ekstraksiyonu veya saflaştırma adımları yoktur. Bu nedenle, toprağın organik maddesinden birlikte ekstrakte edilen lipit benzeri bileşikler topluluk imgesini bozan 27 , 28 , 29'u içerebilir. Bu kapsama biyokütle ölçümlerini de bozabilir, çünkü MIDI-FA sadece tipik olarak toprak lipidlerini kabaca niteliksel olarak tanımlamak için kullanılmıştır 13 .
Burada açıkladığımız prosedür, iki ayrı ekstraksiyon prosedürünün en iyisini birleştirir: 1) Modifiye Bligh ve Dyer 26 metodunu kullanarak lipidlerin ekstraksiyonu ve konsantrasyonu ve 2) yağ asidi metil esteri saPonifikasyon, metilasyon, ekstraksiyon ve baz yıkama prosedürü. Bu yöntem, dezavantajları en aza indirirken bu protokollerin her ikisinin de faydalarını elde etmek için geliştirilmiştir 15 . İlk ekstraksiyonu gerçekleştirerek ve MIDI-FA yapılmadan önce organik olarak çözünen bileşenleri ( örneğin lipidleri) izole ederek ve bunu bir saflaştırma adımıyla tamamlayarak, bu protokol hız ve hassaslık arasında bir denge sağlıyor. Bu yöntem yüksek saflığın gerekli olduğu durumlarda ( örn. , 13 C PLFA analizi için) veya fosfolipidleri ve nötr lipidleri ayrı ayrı analiz ederken uygun olmayabilir, ancak çoğu durumda DNA temelli olgulara kıyasla çevresel koşullara mikrobiyal topluluk yanıtlarının saptanmasına olanak tanır Yöntemler 30 , 31 , 32 , 33 . Membran lipidleri hücre ölümünden sonra hızla parçalanarakÖlü veya inaktif organizmalardan gelen bilginin çoğunun bulunduğu çevresel DNA'nın aksine, 5 , 7 numuneleri alınırken yaşayan mikrobik topluluğu yansıtın 34 . Toprak mikroorganizmaları 35 arasında gözlemlenen uyuşukluk yüksek oranda göz önüne alındığında, canlı biyokütle karakterizasyonu, nispeten ince bir zamansal ölçekte zamansal Bitki Mikrop Etkileşimleri anlamak için kullanılabilir ve lipid biyolojik mikrobiyal eden 7 fizyolojik durumunu tahlil etmek için kullanılabilir. Büyük alan ayarları 25'te mikrobik cevabı değerlendirmek için yüksek verimli yöntemlerin gerekli olduğu ve burada önerdiğimiz yöntem PLFA biyolojik işaret profillemesinin doğruluğunu tekrarlamasa da, verimliliği artırırken, MIDI-FA ile gerçekleştirilen değişkenliği asgariye indirdiği gösterilmiştir prosedür. Yöntemin, adreslemede etkili bir araç olduğu kanıtlanmıştır36 , 37 , 38 , 42 , 43 , 44 , 45 , 46 , 47 , 48 , 49 , 50 büyük ölçekli tarımsal ve ekosistem çalışmalarında çok çeşitli topraklarda mikrobiyal toplum dinamikleri ile ilgili sorular.
Lipid sınıfları bu yöntem ile birleştirilir ve bu ayrı sınıf 22 , 39'da yer alan bilgilerin bir kaybı olabilir, ancak lipit sınıflarının birleştirilmesi, her iki fosfordan 16: 1 ω5c arbusküler mykorizal mantar kökeni tespit etme gücünü güçlendirebilir - ve nötr lipidler 40 . Buna ek olarak, tBilinmeyen yağ asitleri sayısının (canlı olmayan organik maddelerden türetilebileceği) bu yöntemle daha yüksek olabileceği, bunun MIDI-FA'dan daha düşük olduğu gösterildi ve örneklerin çoğunda örneklerin lipid profillerinin karşılaştırılmasına izin verildi Üretim kapasitesi bir endişe 15 . Nötr fraksiyonun mantar tarafından üretilen depolama lipidlerinden türetildiği düşünülürse de, toprak faunasından biraz daha az katkıda bulunulabilir 41 . Bunun ışığında, burada açıklanan yöntem, PLFA'ya göre fungal lipidlerin 18: 2 ω 6,9c ve 18: 1 ω 9c'ün daha büyük bir katkısını gösteren sonuçlar verebilir. Nötr fraksiyonda ortaya çıkma eğiliminde olan diğer lipidler, doymuş yağ asitlerinin bazılarını, örneğin 16: 0, 18: 0, 20: 0'u içerir.
Lipid verisinin ifade edilip analiz edilebileceği farklı yollar vardır. En yaygın gösterimler bolluk (nmol g -1 toprak), molekül fraksiyonuN (nmol bireysel lipid nmol- 1 toplam lipid) ve mol yüzdesi (mol fraksiyonu * 100). Bir örnekteki toplam lipidlerle normalize edilen mol fraksiyonu ve mol yüzdesi belirli bir lipitin göreceli bolluğunun ölçüsüdür. Uygun bir dönüşümün ardından, örneğin arsine kare kökü, mol fraksiyonu, ana bileşenler veya fazlalık analizi düzenlenmesiyle analizde kullanım için uygundur. Bolluk, toprak gramı başına verilen belirli bir lipitin mutlak miktarıdır. Hücre başına lipit miktarı makul derecede sabit olduğu ve lipit ekstraksiyonunun son derece verimli ve kapsamlı olduğu için toplam bolluk toplam lipidlerin iyi bir tahmini ve anahtar göstergelerin bolluğu, temsil ettiği ekolojik grubun biyokütlesini yansıtır 17 . Son olarak, mikrobiyal topluluk kompozisyonuna bakmanın iyi bir yolu çok değişkenli analiz yöntemlerini kullanmaktır 16 , örneğin , nonmetrik çok boyutlu ölçekleme (NMDS -Veri dönüşümüne ihtiyaç duymayan) veya ana bileşen analizleri (PCA), tüm lipid biyolojik belirteçlerinin göreceli bolluğunu karşılaştırmak için yararlı olabilir.
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Bu çalışma kısmen DOE Büyük Göller Biyoenerji Araştırma Merkezi (DOE BER Bilim Ofisi DE-FC02-07ER64494) ve DOE OBP Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi (DE-AC05-76RL01830) tarafından finanse edildi. Yazarlar Anders Gurda'ya videografi ve düzenleme konusundaki sabırlı ve ustalıklı katkılarından ötürü teşekkür etmek istiyorlar.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
RapidVap | Labconco | 7900000 | Evaporative system |
RapidVap | Labconco | 7491400 | Sample block |
Chem-resistant vacuum pump | Labconco | 7584000 | Vacuum pump |
Chemical trap cannister | Labconco | 7815300 | Trap cannister |
Solvent insert | Labconco | 7515200 | Solvent trap insert |
Diaphragm pump | Welch | 7398000 | DryFast vacuum pump |
Water bath | Fisher | 15-462-15Q | 2 well water bath |
Gas chromatograph | Various | N/A | For sample analysis |
Centrifuge | Various | N/A | For sample separation |
Freeze Dryer | Various | N/A | For sample lyophilization |
Repipet (6) | BrandTech | 4720440 | For dispensing reagents |
Vortex | Fisher | 02-215-365 | Analog vortex mixer |
Teflon centrifuge tubes | Thermo/Nalgene | 3114-0030 | Teflon sample tubes |
Caps | Thermo/Nalgene | DS3131-0020 | Caps for teflon tubes |
Test tube | Corning | 9825-16 | 16x100mm tubes |
Test tube | Corning | 9825-16xx | 16x150mm tubes |
Caps | Corning | 9998-15 | 15-415 thread black phenolic caps w/PTFE liner |
Pasteur pipets | Fisher | 13-678-20B | 14.6cm |
500 uL glass syringe | Fisher | 13684106LC | Hamilton 81217 |
Amber vials | Agilent | 5182-0716 | 4mL Amber vials |
Caps | Agilent | 5182-0717 | Blue screw caps |
Inserts | Agilent | 5181-3377 | 400uL flat bottom glass inserts |
Standards | |||
19:0 ethyl nonadecanoate (Ethyl nonadecanoate) | VWR | TCN0459-5G | Analytical standard |
Chemicals | |||
Dipotassium phosphate (K2HPO4 - ACS grade or better) | Various | N/A | For making Phosphate-Buffer |
Potassium phosphate monobasic (KH2PO4 - ACS grade or better) | Various | N/A | For making Phosphate-Buffer |
Methanol (CH3OH - HPLC grade or better) | Various | N/A | For making Reagents 1 & 2 |
Sodium hydroxide (NaOH - ACS grade or better) | Various | N/A | For making Reagents 1 & 4 |
Hydrochloric acid (6N HCL) | Various | N/A | For making Reagent 2 |
Hexane (HPLC grade or better) | Various | N/A | For making Reagent 3 |
MTBE (Methyl tert-butyl ether - HPLC grade or better) | Various | N/A | For making Reagent 3 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır