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この論文は、多くの試料を用いた研究において土壌微生物群集構造を決定するために、総脂質と指標脂質の相対存在量の両方を特徴づける微生物の細胞膜から脂質を抽出するための努力と正確さとをバランスさせながらスループットを増加させる方法を記載している。
微生物群集は、生態系プロセスの重要な推進要因であり規制者でもあります。生態系の管理が微生物群集にどのように影響するかを理解するために、微生物群集組成を測定する比較的正確ではあるが努力を要する技術は、リン脂質脂肪酸(PLFA)分析である。 PLFAは、微生物バイオマスの指標および菌類および細菌の広範な官能基の組成として使用できるリン脂質バイオマーカーを分析するために開発されました。それは、代替植物コミュニティ、生態系、および管理レジームの下で土壌を比較するために一般的に使用されてきた。 PLFA法は、微生物群集組成のシフトの検出に敏感であることが示されている。
別の方法である、脂肪酸メチルエステル抽出および分析(MIDI-FA)は、微生物同定技術として、純粋な培養物からリン脂質画分を分離することなく、全脂質を迅速に抽出するために開発された。このメソッドは迅速ではあるが土壌サンプルにはあまり適していない。なぜなら、土壌粒子を分離する初期段階がなく、代わりに土壌中の背景有機物からの人工物を生成する鹸化反応で始まるからである。
この論文では、多くのサンプルを用いた研究で土壌微生物群集の構造を決定するために、総脂質と指標脂質の相対存在量の両方を特徴づける微生物の細胞膜から脂質を抽出するための努力と正確さをバランスさせながらスループットを向上させる方法について説明します。この方法は、第1ステップとして土壌脂質を抽出および濃縮することによりPLFAプロファイリングによって達成された精度と、抽出された有機材料を鹸化し、MIDI-FA法で処理することによる努力の減少を第2ステップとして組み合わせる。
栄養サイクル1における微生物の重要な役割、植物コミュニティの構成2の改変、植物の生産性の調節3 、有機物4の分解を考慮して、土壌微生物群を理解することは陸生生態系を理解する上で不可欠です。
土壌におけるそれらの比較的豊富な存在およびそれらの化学的特徴のために、脂質バイオマーカーは、土壌微生物群集5を含む優勢な生態学的群をプロファイルするために使用することができる5 。異なる微生物群の特徴である脂質バイオマーカーを定量化することにより、総脂質を推定し、グラム陽性(Gm +)およびグラム陰性(Gm-)細菌、アルブスカラ菌菌(AM)および栄養細菌真菌、および放線菌5 、 SS = "外部参照"> 6、7、8。
微生物群集の特徴を示す多くの方法がある。 PLFA法は、基本的な微生物群集構造を理解するために一般的に使用される方法である。微生物群の総量と微生物総量の相対量を評価するのに有効な方法です。細菌の比率栄養循環1、9、10の速度を評価するために:急激な脂質の代謝回転に、PLFAプロファイリングはまた、真菌は、例えば、土壌微生物コミュニティの変化の比較的高速な検出を可能にし、生態系の機能の比較を可能にする情報を提供します。しかし、PLFA抽出法は時間を守り、尊敬しているが、時間がかかり、野外スケールの多数のサンプルを必要とする生態系規模の研究には適していないF "> 11、12。
対照的に、脂肪酸メチルエステル抽出法(MIDI-FA)は、迅速な処理を可能にする可能性がある。この方法では、試料を鹸化し、FAMEに変換し、抽出し、次いで分析する。 MIDI-FA法は、異なる脂質クラス13 (リン脂質、中性脂質、および糖脂質)の分離を伴う脂質の抽出を組み合わせたPLFAよりも、迅速であるが区別が難しい。
このプロトコールでは、PLFAおよびMIDI-FA脂質プロファイリングの要素を組み合わせた方法について説明します。これは、改変されたBlighおよびDyer法の最初のクロロホルム抽出段階を用いて脂質の抽出を行い、次いで鹸化およびFAMEへの変換を使用する。これは、非微生物材料5、14からバックグラウンドノイズの多くを排除しながら微生物群集構造を検出するための堅牢な方法を提供します。この方法は、多くの試料15との大規模な研究から脂質を分析することがロジスティックと経済的に実現可能にするために、スループットを増加させながら精度の大部分を保持する、すなわち、PLFAとMIDI-FAの両方のプロトコルとの間のバランスを達成するために開発されました。 MIDI-FAを実施する前に初期抽出を行い、有機可溶性成分( 例えば、脂質)を単離し、精製工程でこれを完了することにより、プロトコールは速度と精度との間のバランスを提供する。
注記:この手順では常に適切な個人用保護具(PPE)を着用してください。潜在的なサンプル汚染を避けるため、素手でガラス製品に触れないでください。クロロホルムの取り扱いが必要な手順を実行する場合は、適切な手袋を着用してください。
1.準備(約40サンプルの2日間)
2.第1日 - 土壌からの脂肪酸の抽出(〜40サンプルで4〜5時間)
3. DAY2 - 脂質の単離(約40サンプルで3〜4時間)
DAY 3 - 鹸化およびメチル化(〜40サンプルについて6〜7時間)
5.第4日 - 作用溶液の調製およびGCバイアルへのFAMEの移動(約40サンプルについて2〜3時間)
レポートのデータテーブルは、スプレッドシートまたはデータベースに照合することができます。応答係数(異なる鎖長に対する応答を正規化する補正係数)を調整した後、ピーク面積を外部標準または内部標準のピーク面積と比較して抽出物中の濃度に到達させることができる。抽出された土壌の質量で除算することにより、データは土壌1g当たりのFAMEの質量として、または各FAMEの分子量を用いて、より一般的に報告された1g / molのnmolとして表すことができる。微生物FAMEsの合計は、微生物総バイオマスの指標であり、処理間で比較することができる( 図1 )。特定のFAMEはまた、グラム陽性又はグラム陰性細菌、放線菌、アーバスキュラー菌根菌、および真菌saprotrophic 19、20のような特定の微生物のグループに関連付けることができ 21、22、23、24アップ。特定のバイオマーカーの質量の割合は、これらの群の相対的存在量を反映することができる( 図2 )。全体的なFAMEの豊富なパターンは、コミュニティレベルの指紋を作成します。この指紋は、アジテーションなどの多変量解析技術を使用して微生物のコミュニティの非類似性を比較することができます ( 図3 )。ほとんどのDNAベースのアプローチとは対照的に、コミュニティレベルの脂質データは、相対的または絶対的な存在量として分析することができる。総バイオマスが試料間で実質的に異なる場合、これらの2つのアプローチは非常に異なる結果をもたらす。実験の根底にある生態学的疑問は、どのアプローチが使用されるかを決定するべきである。
F図1 :総FAMEバイオマス。連続トウモロコシ、受精草原、未受精草地の総FAMEバイオマーカーバイオマス(nmol g -1土壌)の比較。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図2 :細菌と真菌のFAMEバイオマス。連続トウモロコシ、受精草原および未受精草地からの細菌および真菌FAMEバイオマーカーバイオマス(nmol g -1土壌)の処理比較。絶対量からの真菌および細菌の質量。平均(合計f /合計b)。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
表1: T h e soLの VENの T 型 、propor S 上の TIは、G -1 土壌を 添加し 、D T H EIR オード R O F N 2 O ITIを 加えます 。これは、有機相および水相の適切な抽出および分離にとって重要である。
多くの反復および/または実験単位を有する実験からの複数の試料の試験のために、研究者はリン脂質脂肪酸分析(PLFA)が時間および材料の点で禁止的であることを見出し得る25 。 PLFA法を用いて、細胞膜リン脂質を抽出し、精製し、改変したBligh and Dyer 26二相水性有機抽出物を用いて同定する。これに続いて、極性によって脂質を分離するための固相シリカクロマトグラフィー、およびリン脂質脂肪酸の脂肪酸メチルエステルへのアルカリ性メチル化が続く。 PLFAプロファイリングでは、脂質収率は低くてもよいが、非常に高純度である。微生物IDは脂肪酸メチルエステル法(MIDI-FA)の代替法を導入しました。 MIDI-FAの方法で、すべての脂質は純粋培養又は土壌/堆積物試料11から直接抽出された、12、27を介して鹸化。この方法は、PLFA法の濃縮または精製工程がないため、脂質損失が低く、迅速である。しかし、MIDI-FA法は、純粋な培養物中の生物を同定するために設計されたものであるため、迅速かつ安価であるが、最初の抽出または精製工程はない。したがって、共抽出されたコミュニティの署名27、28、29を歪ま土壌有機物から脂質様化合物を挙げることができます。この包含はまた、バイオマスの測定を歪めることができるので、MIDI-FAは、典型的には定性的土壌脂質13を説明粗くするためにのみ使用されてきました。
ここで説明する手順は、2つの別々の抽出手順の中で最良のものである:1)改変されたBligh and Dyer 26法を用いた脂質の抽出および濃縮、および2)脂肪酸メチルエステルsaメチル化、抽出、および塩基洗浄手順が市販されている。この方法は、これらのプロトコルの両方の利点を達成し、短所を最小限に抑えるために開発されました15 。 MIDI-FAを実施する前に初期抽出を行い、有機可溶性成分( 例えば、脂質)を単離し、これを精製工程で完了することにより、このプロトコルは速度と精度との間のバランスを提供する。この方法は、高純度が要求される場合( すなわち 、 13 C PLFA分析の場合)、またはリン脂質および中性脂質を別々に分析する場合には適していないが、多くの場合、DNAベースよりも高い感度で環境条件に対する微生物のコミュニティ応答を検出することができる方法30、31、32、33。膜脂質は細胞死の後に急速に分解し、情報の多くが死亡または非アクティブの生物34から来ている環境DNAとは対照的に、サンプリング5、7の時に住んでいる微生物のコミュニティを反映しています。土壌微生物35の間で観察休眠率の高さを考えると、生きたバイオマスの特性は、比較的細かい時間的スケールで時間的植物-微生物相互作用を理解するために使用することができ、脂質バイオマーカーは、微生物群集7の生理学的状態を分析するために使用することができます。大きなフィールド設定での微生物応答を評価するには、ハイスループットの方法が必要であることが示されています25 、ここで提案する方法はPLFAバイオマーカープロファイリングの精度を再現しませんが、MIDI-FA手順。この方法は、アドレッシングに有効なツールであることが証明されています大規模な農業生態系の研究36、37、38、42、43、44、45、46、47、48、49、50における土壌の広い範囲上の微生物群集動態に関する質問。
脂質クラスは、この方法で合成され、それらの別々のクラス22、39に含まれる情報の損失があるかもしれないが、力を強化することができる脂質クラスを組み合わせて16のアーバスキュラー菌根菌の原点検出する:両方のホスホから1ω5cを- および中性脂質40 。また、tこの方法では、未知の脂肪酸(非生物由来の有機物由来である可能性がある)の数は、この方法ではより高い可能性があり、MIDI-FAよりも低いことが示されており、脂質プロファイルの処理比較が、スループット能力が懸念される15 。中性画分は、主に真菌によって産生される貯蔵脂質から誘導されると考えられているが、土壌動物41からの寄与はいくらか小さいかもしれない。これに照らして、本明細書に記載の方法は、PLFAよりも真菌脂質18:2ω6,9cおよび18:1ω9cのより大きな寄与を示す結果を生じ得る。中性画分に現れやすい他の脂質には、飽和脂肪酸のいくつか、 例えば 16:0,18:0,20:0が含まれる。
脂質データを表現し分析する方法はいくつかあります。最も一般的な表現は、存在量(nmol g -1土壌)、モル分率n(ナノモルの個々の脂質nmol -1全脂質)、およびモルパーセント(モル分率* 100)。試料中の総脂質によって標準化されたモル分率およびモル%は、所与の脂質の相対存在量の尺度である。適切な変換後、 例えば 、平方根アークサイン、モル分率は、主成分または冗長解析コーディネーションによる分析での使用に適しています。存在量は、土壌1グラム当たり抽出される所定の脂質の絶対量である。細胞当たりの脂質の量はかなり一定であり、脂質抽出は非常に効率的で包括的であるため、総量は総脂質の良好な推定値であり、主要指標の豊富さはそれを表す生態学的グループのバイオマスを反映する17 。最後に、微生物群集組成を見るための良い方法は、多変量解析法16を用いることである( 例えば 、非対称多次元スケーリング(NMDS-データ変換を必要としない)または主要成分分析(PCA)は、すべての脂質バイオマーカーの相対存在量を比較するのに有用であり得る。
著者は何も開示することはない。
この研究はDOE五大湖バイオエネルギー研究センター(DOE BER事務局DE-FC02-07ER64494)とDOE OBP事務所(DE-AC05-76RL01830)によって資金提供された。著者はAnders Gurdaの患者とビデオ撮影と編集に巧みな貢献をしたことを認めたいと思っています。
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 |
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