磷脂脂肪酸提供有关土壤微生物群落结构的信息。我们提出了一个单相氯仿混合物,用固相萃取柱提取脂质的分馏,和甲醇,以产生脂肪酸甲酯,其通过毛细管气相色谱法分析从土壤样品萃取方法。
磷脂脂肪酸(磷脂脂肪酸)是微生物细胞膜的重要组成部分。磷脂脂肪酸的从土壤中提取的分析可以提供关于陆地微生物群落的整体结构的信息。 PLFA分析已经在一系列的生态系统,整体土壤质量的生物指标被广泛使用,而作为土响应的量化指标,以土地管理和其他环境压力。
这里介绍的标准方法,概述了四个主要步骤:1.从土壤样品脂质提取与单相氯仿混合物,2.使用固相萃取柱以分离来自其他提取脂质磷脂分馏,3.磷脂,以产生脂肪酸的甲醇分解甲基酯(脂肪酸甲酯),和4通过使用火焰离子化检测器(GC-FID)毛细管气相色谱FAME分析。两个标准的使用,其中包括1,2- dinonadecanoyl- SN -glycero -3-磷酸胆碱(PC(19:0/19:0)),以评估提取方法的总回收率,和甲基癸(MeC10:0)作为内标(ISTD)用于GC分析。
磷脂脂肪酸(磷脂脂肪酸)是从域细菌和真核生物的微生物细胞膜的一部分。微生物产生不同的链长和组合物的磷脂脂肪酸以保持响应于他们的直接环境条件细胞膜的完整性和细胞功能的装置;因而可以说,地理上分开,但都受到类似土壤条件的微生物群落将表达类似的磷脂脂肪酸。用14至20个碳原子之间的链长土壤磷脂脂肪酸通常被认为是主要的细菌和真菌来源1。在混合培养物,磷脂脂肪酸分析不能用于识别个体微生物物种,但它可以提供在土壤中发现的微生物群落的整体指纹。另外,由于磷脂脂肪酸正在迅速经细胞死亡退化,它们可以被认为是代表了可行的土壤微生物群落2。这TEChnique已被广泛用来描述在各种环境中发现的微生物群落,从林3-4 5-6草原和农田7的结构组成。它表征土壤针对土地管理的变化中得到成功应用,其中包括皆伐林8,9石灰,回收10-12,以及事件如火灾13,污染的金属14和碳氢化合物15,和昆虫爆发16 。
当代PLFA分析方法由多个研究小组通过几个关键的进步,过去60年中发展而来的。甲醇:水的比例在提取溶液到该混合物中,从一个单相转移到一个两相系统17在1958年,一个显著改善从调节氯仿出现。这种优化的脂质提取和订正隔离亲母育成为著名的布莱和代尔方法。该协议在未来的几十年里通过许多实验室,并在此期间,白和他的同事促成显著进步的方法;例如,它们改善了由水交换磷酸盐缓冲液提取步骤,并且它们的优化通过气相色谱(GC)通过增强的峰值识别和定量分析。或许更相关性土壤科学的,它们在1979年确定,所提取的脂类可以用作微生物结构的索引时,他们检验海洋沉积物18的微生物生物质。
进一步发展发生在20世纪80年代作为该方法变得更广泛地用于土壤科学,特别是相对于根际19。在那个时候,该方法包括甲基nonadecanoate(MeC19:0)作为内标19和脂质分馏21 <用硅酸柱的/ SUP>。在他与白19,21的工作,Tunlid回到瑞典,开始合作研究与复兴党和Frostegård。通过检查一组土壤中有机质含量不同的不同提取缓冲液的效率,该组显示,柠檬酸盐缓冲液增加萃取脂质磷酸盐的量相比,磷酸盐缓冲液22。此外,在石灰对土壤微生物群落的影响及其1993年出版23后来成为一个经典引文土壤生物与生物化学 24。研究人员使用的在它们的数据处理主要成分分析。 PLFA分析,由于该方法现在被称为,产生了大量的数据集和使用多元统计方法来处理这些数据是时间高度创新和鼓舞人心的很多。并发的工作正在做瑞典,修改到PLFA程序正在调查中德国通过Zelles和他的同事25-26。他们的程序的版本是著名的供其使用的固相萃取(SPE)柱代替硅酸柱,但是,总体而言,更为密集的实验室。
Frostegård的论文23,由白色和Ringelberg 27的详细方法一起,在使用PLFA技术来研究土壤科学的基本问题爆发奠定了基础。自那时起,通过火石及其同事的方法的精炼包括添加内部的GC标准(C10:0)和C19:0作为替代标准提高量化28和更换用分的漏斗为圆底小瓶,以简化提取29。最近,乔杜里和Dick 30研究了甲基化步骤,并报告说,在土壤科学文献中的KOH /甲醇方法IDENT使用的两个甲基化程序指明分数较大范围的脂肪酸。
所提出的方法基本上是根据由布莱和Dyer的开发的原始方法,并结合上述的修改,如使用甲醇的KOH的甲基化步骤。两个标准用于每个样品:,这是添加到之前的第一提取土壤样品1,2-dinonadecanoyl- SN -glycero -3-磷酸胆碱(:0/19 0)的PC(19)的替代标准评估效率和整个协议的恢复,以及甲基癸的仪器的标准(MeC10:0),这是以前鉴定和定量通过GC加入。
我们承认,PLFA方法通常被许多微生物生态学实验室全球,并已被证明多次,其中包括由国际标准化组织2。本文的目的是提出一种容易跟踪和健壮的协议,可以是土壤有用谁正在努力学习的PLFA技术的科学家。
为了尽量减少和避免PLFA数据的误解,精心筛选的数据必须做的原因是土壤中的微生物群落发现了一些磷脂脂肪酸也存在于单一和多细胞真核生物,如植物根系,藻类和土壤动物。此外, 古细菌不含有磷脂脂肪酸;相反,古细菌膜是由磷脂醚脂(PLELs)的。因此,磷脂脂肪酸协议不能用于在土壤中表征古社区。
个体关联到磷脂脂肪酸特定的微生物群体应谨慎行使(见2011年出版物Frostegård和他的同事34的一些PLFA方法的局限性的一个很好的讨论)。相反,它可以是更合适的,正如在图2中做的那样,基磷脂脂肪酸基于它们的化学结构, 例如 ,i)的直链饱和磷脂脂肪酸,ⅱ)饱和磷脂脂肪酸与中期柴N(10 – 甲基)分支,三)末端支链饱和脂肪酸,ⅳ)单不饱和的磷脂脂肪酸,v)的多不饱和磷脂脂肪酸,以及vi)羟基脂肪酸。
样品的重量可能需要基于包含给定的土壤样品中提取磷脂脂肪酸的量进行调整。通过不调节在以下微生物活性的土壤提取土壤的量,用户在不获得足够数量的磷脂脂肪酸反应(峰),以精确地表示整体微生物群落的风险。在与高浓度磷脂脂肪酸的高活性微生物的土壤,用户是在超载的GC色谱柱,从而防止磷脂脂肪酸的精确定量的风险。在这两种情况下,土壤样品必须重新分析磷脂脂肪酸。一个很好的出发点是加0.5克的有机土壤样品(如森林地板)和矿物的土壤样品约3g。由于可萃取磷脂脂肪酸的量典型地关联到包含在土壤中,样品我们有机碳的量飞行能够根据土壤的碳含量来调节; 例如 ,将1克矿物土样可足以获得良好的磷脂脂肪酸量化时碳含量为10-15%,而如果碳含量为≤0.5>5克可能是必要的%。它始终是一个好主意,做了几样试车运行整个集之前,以优化样品重量。
是的PLFA协议和气相色谱分析常见故障的排除策略如下。如果GC色谱基线太高,H 2气体筒应该改变。如果溶剂或ISTD峰从色谱丢失,则可能是样品注入一个问题( 例如 ,堵塞注射器,具有自动进样器的问题,空或缺少小瓶中,误差小瓶定位)。如果在该方法/样品空白检测到三个以上的峰,有空白的污染,并有很高的概率是相同的污染物(S)将存在于样品的GCÇhromatograms。发现污染的来源(通常是水性介质),或者至少是,确保相应于污染物的峰被从样品色谱图,并且这些峰不包括在磷脂脂肪酸数据的任何统计分析中删除。此外,它是一个好主意,运行样品之间的正己烷冲洗时,被怀疑结转。在正己烷清洗附加峰将表明结转( 即较重的部件从以前的运行洗脱)。
脂质是特别容易氧化,并且特别注意需要在整个协议行使以防止空气和光曝光的样品,如在黑暗中存储它们和使它们保持在氮气下。所有样品和空白,必须具有足够的C19:0代用标准。如果缺少C19:0高峰,无论是样品或空白的,表明一个贫穷的恢复或分析物的完全丧失。 0的样品中,比第m相当低:C19的响应ethod /样品坯料表示在所述磷脂脂肪酸方法论一些点的分析物的损失。当面对C19差:0的恢复,该过程的各个环节都必须认真考虑和研究,包括最初的提取,样品传输的所有阶段,固相萃取,脂肪酸甲基化,干燥,储存和样品处理,以隔离阶段或在分析丢失阶段。另一方面,这可能是因为一些土壤样品的提取可产生C19:0,其中,所述替代标准的情况下,恢复可能被高估。同时使用两种标准((PC(19:0/19:0)和MeC10:0)不绝对要求,我们已发现这需要解决当是非常有用的。只要MeC10:0的反应是足够,故障排除可以专注于前GC分析的步骤。
如前面提到的,必须谨慎仅仅根据生物标志物派生解释生态学意义和生态系统的关系时,可以使用从PLFA数据D,因为纯培养的研究表明,孤立的细菌菌株将含有不同类别的磷脂脂肪酸的。相反,使更广泛的生态推论,当生物标志物磷脂脂肪酸应被看作是一套证据的有益补充。在文献中,从个人磷脂脂肪酸已经提出和作为生物标志物用于不同微生物组的利用。饱和磷脂脂肪酸通常用于表示革兰氏阳性菌和单不饱和的磷脂脂肪酸被用于革兰氏阴性菌。对于革兰氏阴性细菌识别的生物标志物包括单不饱和脂肪酸与在ω5或ω7位置,如C16的不饱和度:1ω7,C18:1ω7,和C18:1ω5。此外,环丙基脂肪酸也可以是代表性的革兰氏阴性细菌35。因此,从革兰氏阴性菌磷脂脂肪酸可以作为平等计算为A的总和:1ω5+ A:1ω7+ A:0cyclo。对革兰氏阳性菌识别生物标记末端支化山turated脂肪酸,异支链的,如C15:0I,C16:0I,C17:0I;或反异支链,如C15:0A和C17:0A。饱和的磷脂脂肪酸与中链(10 -甲基)分支,如10Me16:0和10Me18:0是在放线菌36特征存在。因此,从革兰氏阳性菌磷脂脂肪酸可被计算为等于A的总和:0(ISO,反异,10-甲基)。
真菌磷脂脂肪酸相关的许多生物标志物常常不饱和的,但有些真菌生物标志物的单不饱和。例如,在真菌的单不饱和的生物标记物而言,C16:1ω5已被确定为丛枝菌根真菌的指示器(AMF)37,C18:1ω9是腐生真菌常见,菌根通常含有C16:1ω9。二不饱和的C18的存在:2ω6,9常发生在与C18结合:1ω9并且还与真菌甾醇麦角甾醇,这表明C18良好相关:2ω6,9可以充分代表ectomycorrhizae和腐生菌38。三不饱和的C18:3ω6,9,12也被用作用于真菌10生物标志物;然而,C18:3ω6c可以在其它真核生物,包括植物和藻类中找到,尽管它通常不会在细菌中发现。在土壤原生生物的术语,C20:4ω6c已被确认为原生生物标志物39,虽然,其它工作未能检测C20:即使当可行原生生物种群光镜40目视确认4ω6c。
许多研究解决利用多元统筹技术作为PLFA数据分析工具,关系到整个土壤微生物群落的生态问题。当使用这种方法,一些作者已经选择通过除去存在于样品4的不到5%磷脂脂肪酸排除从数据集罕见磷脂脂肪酸。正常饱和C16:0和C18:0是所有土壤中的微生物丰富,包括原核生物和EUKaryotes。因此,一些研究人员选择的基础,它们可能不是土壤微生物群落的组合物的敏感指标统计分析之前除去这些磷脂脂肪酸 – 尽管C16:0和C18:0仍然求和所有磷脂脂肪酸时要包括微生物生物量的一个指标。在统计分析的术语,许多研究者选择进行非十进制多维尺度(基本数据)配合作为这种技术非常适合于可能不能正常分布33的数据。有关分类变量额外的分析可以包括指示种分析,这可以涉及特定磷脂脂肪酸到分类分组和多响应排列程序(MRPP),这可以帮助确定分配给分类群组的微生物群落之间的相似性或差异的发生。此外,多元回归树(MRT)特别有用当多个实验变量的影响或治疗需要评估作为潜在的解释变量5( 例如,土壤质地,水分,回收的年龄)。
一旦建立,磷脂脂肪酸协议是一个相对简单的分析方法定量土壤微生物响应于环境变化和人为干扰时,可以是非常有用的。虽然分子技术,如基因指纹更适合微生物群落的细致刻画,该方法PLFA呈现总微生物量34提供定量信息的优势。在我们的研究实验室,一个人可以舒适地处理一组的20个样品4天以上,和我们已发现这里提出是一个强大的和可再现的技术评估土壤生物质量的协议。
该方法PLFA的功率可以通过它耦合到稳定同位素分析41,42大大延长。具体而言,除了ÒF 13 C标记的底物的土壤允许基板结合的量化到土壤中的微生物,虽然个别磷脂脂肪酸41同位素分析。此外,这种方法似乎是阐明土壤食物网42的营养链一个非常有前途的工具。
The authors have nothing to disclose.
This work was financed in part by the Natural Sciences and Engineering Council of Canada. The authors acknowledge Jela Burkus, Donna Macey, and Jennifer Lloyd for their technical expertise and their contribution to the optimization of this method.
Pierce Reacti-Vap III-evaporator gassing manifold with 27 ports | Used in Steps 1-3 | ||
Compressed Nitrogen | Praxair | Ni-T | Dangerous: Use only after training and minimize contact and use; Used in Steps 1-3 |
Disposable centrifuge tube and Teflon-lined cap | Fisher Scientific | 05-569-3 | Used for Step 1 (1 per sample) and Step 2 (1 per sample) |
Disposable glass long-necked Pasteur pipettes | Fisher Scientific | 13-678-20D | Used for Step 1 (2 per sample) |
Disposable glass short-necked Pasteur pipettes | Fisher Scientific | 13-678-4 | Used for Step 2 (1 per sample), Step 3 (1 per sample), GC analysis (1 per sample),, and one for each type of solution dispensed during PLFA methods (~10 per batch of samples) |
Elastic band | Grand & Toy | 42199 | 1 per sample for freeze drying |
Freeze Dryer-Labconco 7806002 and 7753000 | Used for preparing samples for PLFA analysis – use whatever model your lab has | ||
Freezer (-20 °C, -80 °C) | Revco | ULT2586-5-A36 | Minus 80 °C is used for freezing freshly collected soil samples, -20 °C is used for storing samples at end of each of 3 steps of PLFA analysis |
Gas chromatograph – Agilent 6890 Series capillary gas chromatograph (GC;, Wilmington, DE) equipped with a 50 m Ultra 2 (5%-phenyl)-methylpolysiloxane column | Agilent Technologies | Used for GC analysis, other models of GC could also be used (1 needed) | |
Analytical column | Agilent Technologies | 19091B-105 | |
Gas chromatograph insert | Agilent Technologies | 5183-4692 | Used for GC analysis (1 per sample) |
Gas chromatograph vial and lid | Agilent Technologies | 5188-6592 | Used for GC analysis (1 per sample) |
Hexanes | Fisher Scientific | H292-4 | Hazardous: use only in fume hood, Read MSDS, minimize use and wear appropriate PPE; Total volume per sample = 4 ml (2.0 ml + 2.0 ml (step 3) |
Hot water bath -Isotemp 220 | Fisher Scientific | Used for Step 3 (1 per batch of samples) | |
Kimwipe | Fisher Scientific | 06-666-2 | Used for freeze drying samples |
KOH, ACS grade | Fisher Scientific | P250-500 | Hazardous: Use only in fume hood, Read MSDS, minimize use and wear appropriate PPE; Used for making citrate buffer (used in Step 1) and methanolic KOH (step 3) |
Lab quake end-over-end shaker for centrifuge tubes | Barnstead/Thermolyne | 3,625,485 | Used for Step 1 (1 per batch of samples of appropriate holding capacity) |
MeC10:0 methyl decanoate internal standard | Sigma-Aldrich | 299030-2.5G | Used for GC analysis |
Methanol | Fisher Scientific | A454-4 | Hazardous: Use only in fume hood, Read MSDS, minimize use and wear appropriate PPE; Total volume per sample = 15.5 ml (5 ml + 5 ml (step 1) + 5 ml (step 2) + 0.5 ml (step 3)) |
MIDI Peak Identification Software | MIDI, Inc., Newark, DE | Used for interpreting GC analysis output | |
MIDI Calibration Standard Mix for Microbial Identification System | Lab Sphere Inc | 1200-A | Used as a Calibration mix for TSBA 40 |
Nitrile gloves | Fisher Scientific | 27-058-52 | Used always when conducting PLFA lab work |
pH Meter – Accumet XL200 | Fisher Scientific | Used for making citrate buffer | |
Pipette (0.2 – 2 ml)- Socorex -Calibra Digital 832 Macropipette | Socorex | 832.02 | Used throughout Steps (1 per sample) |
250 µL gastight syringe | Hamilton | 1725 | Used for GC analysis (1 per sample) |
silver shield gloves | Sigma-Aldrich | Z529575 | For use when handling chloroform |
solid phase extraction (SPE) column | Agilent Technologies | 5982-2265 | Used for Step 2 (1 per sample) |
SPE glass column holder with spigots and vacuum apparatus attached | Sigma-Aldrich | Used for Step 2 (1 per batch of samples) | |
Vortex – Barnstead International Maxi Mix II- M37615 | Barnstead International | M37615 | Used in Steps 1-3 |
Water - ultra-pure and Chromosolv HPLC grade | Sigma-Aldrich | 270733-4L | Used throughout analysis |
Whirl-Pak® bags | Fisher Scientific | 01-812-120 | Used in sample collection – 2 bags required per sample collected |