リン脂質脂肪酸は土壌微生物群集の構造に関する情報を提供します。我々は、単相クロロホルムの混合物で土壌サンプルからの抽出、固相抽出カラムを用いて抽出された脂質の分画、およびキャピラリーガスクロマトグラフィーにより分析された脂肪酸メチルエステルを生成するためのメタノリシスのための方法を提示します。
リン脂質脂肪酸(PLFAs)は、微生物の細胞膜の重要な構成要素です。土壌から抽出されたPLFAsの分析は、地上微生物群集の全体構造に関する情報を提供することができます。 PLFAプロファイリングは広く、全体的な土壌の質の生物学的指標としての生態系の範囲で使用されており、土壌応答の定量的指標として管理し、他の環境ストレスを着陸させます。
単相クロロホルム混合物と土壌サンプルから1脂質抽出、他の抽出脂質からリン脂質を分離するために固相抽出カラムを使用して2分画、脂肪酸を生成するためのリン脂質の3メタノリシス:ここで紹介する標準的な方法は、4つの重要な手順を説明しますメチルエステル(FAME)、および水素炎イオン化検出器(GC-FID)を用いて、キャピラリーガスクロマトグラフィーによる4 FAME分析。次の2つの規格は、1,2- dinonadecanoyl- のsn -glycero-3ホスホコリン(PC(19含めて、使用されています0/19:0)はGC分析用の内部標準(ISTD)として:0))の抽出方法の全体的な回復を評価するため、及びデカン酸メチル(MeC10。
リン脂質脂肪酸(PLFAs)は、ドメインの細菌や真核生物の微生物の細胞膜の一部です。微生物は、その直接の環境条件に応答して細胞膜の完全性と細胞機能を維持するための手段として、異なる鎖長および組成のPLFAsを生成します。したがって、地理的に離れているが、同様の土壌条件に供される微生物群集が同様PLFAsを発現することを主張することができます。 14および20個の炭素原子の間の鎖長を有する土壌PLFAsは、典型的には、主に細菌および真菌起源1であると考えられます。混合培養において、PLFA分析は、個々の微生物種を同定するために使用することができないが、それは土壌中に見出さ微生物群集の全体的な指紋を提供することができます。 PLFAsが急速に細胞死の際に分解されるので、また、それらは、生存可能な土壌微生物コミュニティ2の代表であると考えることができます。このテックhniqueは広く森林3-4から5-6草原や農業分野7までの範囲の、幅広い環境で見出さ微生物群集の構造組成を特徴付けるために使用されてきました。それは成功し、火災13、金属14と炭化水素15による汚染、および昆虫勃発16などの森林、石灰9、8切削クリア干拓10-12と同様に、外乱を含め、管理の変更を土地に土壌の応答を特徴付けるに適用されています。
現代的なPLFA分析方法は、多数の研究グループにより、いくつかの重要な進歩を経て、最後の60年の間に進化しました。二相性システム17に単相から混合物をシフトするために抽出溶液中の水の比率:メタノール:1958年に、有意な改善がクロロホルムを調整から生じました。この最適化された脂質抽出および改訂されたアイソレーションプロトコールはブライとダイアーの方法として知られるようになりました。プロトコルは、今後数十年にわたって多くの研究室で採択されたと、この時間の間に、白と同僚は、メソッドに重要な進歩に貢献しました。例えば、それらは、水、リン酸緩衝液を交換することにより抽出工程を改善し、そしてそれらは、拡張ピーク同定及び定量化を介して、ガスクロマトグラフィー(GC)による分析を最適化しました。おそらく、土壌学へのより関連性の、彼らは海 洋堆積物18の微生物バイオマスを調べたときに抽出された脂質は、微生物の構造の指標として使用することができることを1979年に決定しました。
この方法は、特に根圏19に関連して、より広く利用されている土壌学におけるなったとしてさらなる発展は、1980年代に発生しました。その際、この方法は、メチルノナデカン含まれる(MeC19:0)を内部標準19および脂質分画21 <ためのケイ酸カラムの使用など/ SUP>。白19,21との仕事に続いて、Tunlidはスウェーデンに戻り、バースやFrostegårdとの共同研究を開始しました。有機物含有量が異なる土壌のスイートの異なる抽出バッファーの効率を調べることによって、グループはクエン酸緩衝液は、リン酸緩衝液22に比べて抽出した脂質のリン酸の量を増加させたことを示しました。また、土壌微生物コミュニティに石灰の影響に関する彼らの1993年出版物23は、 土壌生物学&生化学 24で引用古典になるために行ってきました。研究者は、データ処理における主成分分析を利用しました。 PLFA分析は、メソッドがと呼ばれるようになりましたように、大規模なデータセットを生成し、これらのデータを処理するために、多変量統計手順の使用は非常に時間のための革新的な、多くのインスピレーションでした。スウェーデンで行われている作業に並行して、PLFAプロシージャへの変更はで調査されていましたドイツによってZellesや同僚25-26。手順のそのバージョンは、全体的な、より多くの研究室が集中た、固相抽出(SPE)カラムの代わりに、ケイ酸カラムの使用のために顕著であったが。
Frostegårdの論文23は 、ホワイト&Ringelberg 27による詳細な方法論とともに、土壌科学の基本的な質問を調査するPLFA技術の使用中の爆発のための基盤を提供しました。それ以来、ファイアストンらによる方法の更なる改良は、内部GC標準の追加が含まれている(C10:0)とC19:0定量28を改善するためのサロゲート標準として、および簡素化するために、丸底バイアルのための分別ファンネルの使用を置き換えます抽出29。最近では、チョードリー氏とディック30は、メチル化工程を調査し、土壌学の文献KOH /メタノール方式のidentで使用される2つのメチル化手順のことを報告しました脂肪酸のより大きな範囲をified。
提示された方法は、主にブライとダイアーによって開発された元のメソッドに基づいて、そのようなメチル化工程のためのメタノール性KOHの使用など、上記の修正が組み込まれています。前の最初の抽出土壌サンプルに添加される、1,2- dinonadecanoyl- SN -glycero -3-ホスホコリン(0):0/19 PC(19)のサロゲート標準の次の2つの規格は、各サンプルのために使用され、GCによって事前に同定および定量に追加されます:効率性と回復プロトコル全体の、およびデカン酸メチル(0 MeC10)の機器の標準を評価しました。
我々はPLFA法は、一般的に世界中の多くの微生物生態学研究所によって使用され、標準化2国際機関によるものを含め、何度も実証されていることを認めます。本稿の目的は、土壌に役立ちます従うことが簡単かつ堅牢なプロトコルを提示することですPLFA技術を習得しようとしている科学者。
土壌微生物コミュニティで発見されたいくつかのPLFAsはまた、植物の根、藻類、および土壌動物などの単一および多真核生物に存在しているため、最小限に抑え、PLFAデータの誤解を避けるために、慎重なデータのスクリーニングを行う必要があります。また、 古細菌は PLFAsが含まれていません。代わりに、古細菌の膜はリン脂質エーテル脂質(PLELs)で構成されています。したがって、PLFAプロトコルは、土壌中の古細菌コミュニティを特徴づけるために使用することができません。
特定の微生物のグループに個々のPLFAsの関連付け(PLFA法の制限のいくつかの優れた議論についてFrostegårdや同僚34によって2011年出版物を参照)慎重に行使しなければなりません。代わりに、それらの化学構造に基づいてグループPLFAsに、 図2で行ったように、それは、より適切であるかもしれない、例えば 、I)、直鎖飽和PLFAs、ミッドチャイとii)の飽和PLFAsN(10-メチル)分岐、III)末端分枝飽和脂肪酸、IV)モノ不飽和PLFAs、v)の多不飽和PLFAs、およびVI)ヒドロキシ脂肪酸。
試料重量は、与えられた土壌試料中に含まれる抽出PLFAsの量に基づいて調整する必要があるかもしれません。少ない微生物アクティブな土壌で抽出された土壌の量を調整しないことにより、ユーザは正確に全体的な微生物群集を表現するPLFA応答(ピーク)の十分な数を取得していないの危険にさらされています。 PLFAsの高濃度の高い微生物アクティブな土壌では、ユーザーはそれによってPLFAsの正確な定量化を防止し、GCカラムの過負荷の危険にさらされています。両方の場合において、土壌試料はPLFAsについて再分析しなければなりません。良い出発点は、(このような森林の床など)の有機土壌サンプルの0.5グラム、およびミネラルの土壌試料については約3グラムを追加することです。抽出可能PLFAsの量は、典型的には、サンプル我々、土壌に含まれる有機炭素の量に相関しているので、IGHTは、土壌炭素含有量に基づいて調整することができ、炭素含有量が≦0.5である場合> 5 gが必要かもしれないが、例えば 、鉱物土試料1gは、炭素含有量が10〜15%である場合に良好なPLFA定量化を得るのに十分であってもよいです%。常に全体のセットが実行される前に、サンプル重量を最適化するために、いくつかのサンプルで試運転を行うには良いアイデアです。
次のようにPLFAプロトコルおよびGC分析のための一般的なトラブルシューティング戦略があります。 GCクロマトグラムのベースラインが高すぎる場合には、H 2ガスボンベを変更する必要があります。溶媒またはISTDピークがクロマトグラムから欠落している場合は、試料注入に問題がある可能性があり( 例えば 、オートサンプラー、空または欠落しているバイアル、バイアルポジショニングとエラーに問題、注射器を差し込みます)。つ以上のピーク方法/サンプルブランクで検出された場合、空白の汚れがあり、同一の汚染物質(単数または複数)のサンプルのGC C中に存在する可能性が高いですhromatograms。汚染源(通常は水性媒体)を検索し、または非常に少なくとも、汚染物質に対応するピークは、試料クロマトグラムから、これらのピークはPLFAデータの統計的分析に含まれていないことを削除されていることを確認してください。また、キャリーオーバーが疑われるときにサンプル間ヘキサンリンスを実行することをお勧めします。ヘキサンリンスで追加のピークは、キャリーオーバー(前回の実行から溶出する、すなわち 、重い成分)が表示されます。
脂質は、酸化に対して特に感受性であり、特に注意は、暗闇の中でそれらを格納し、窒素下に保つように、空気および光の暴露からサンプルを保護するために、プロトコルを通じて行使される必要があります。 0サロゲート標準:すべてのサンプルとブランクは十分なC19を持っている必要があります。不足しているC19:0のピーク、サンプルまたは空白のいずれかでは、貧しい回復または分析物の完全な喪失を示しています。 C19の応答:メートルよりもかなり低い試料中の0ethod /サンプルブランクPLFAの方法論のある時点での検体の損失を示しています。貧しいC19に直面したとき:0回復、手順のすべての側面は、単離するための最初の抽出、サンプル移送のすべての段階、SPE抽出、脂肪酸メチル化、乾燥、保管およびサンプル操作を含めて慎重に検討する必要があり、調べ分析物が失われたステージやステージ。サロゲート標準の場合回復が過大評価することができる、0:一方、いくつかの土壌サンプルの抽出はC19をもたらすことができることとすることができます。 2標準を使用している間(PC(19(:0/19:0)とMeC10は:0)絶対的な要件ではありません、我々はトラブルシューティングを行う必要があるときは、この非常に有用であることが判明している限りMeC10として:0応答が適切です、トラブルシューティングは、GC分析の前段階に焦点を当てることができます。
前述のように生態系の重要性と生態系の関係を解釈する際に、注意がもっぱら導き出すのバイオマーカーに基づいて使用する必要がありますPLFAデータからD、純粋培養研究は、単離された細菌株がPLFAsの異なるカテゴリが含まれますことを明らかにしているので。より広範な生態系の推論を行うときに代わりに、バイオマーカーPLFAsは、証拠のスイートで有用な添加物としてみなされるべきです。文献では、個々のPLFAsが提案されており、異なる微生物のグループのためのバイオマーカーとして利用します。飽和PLFAsは、典型的には、グラム陰性細菌のために使用されるグラム陽性菌及びモノ不飽和PLFAを表すために使用されます。 1ω7、C18:1ω7、およびC18:グラム陰性細菌に認識されたバイオマーカーは、C16などのω5またはω7位に不飽和を有する一価不飽和脂肪酸を含み、1ω5。また、シクロ脂肪酸はまた、グラム陰性菌35を表すことができます。 1ω5+ A:1ω7+ A:0cycloしたがって、グラム陰性細菌からPLFAsは、の和に等しくなるように計算することができます。グラム陽性細菌のための認識のバイオマーカーは、末端SAを分岐していますturated脂肪酸、イソ分枝のC15など:0I、C16:0iは、C17:0I。または、C15など、アンテイソ – 分岐:0AとC17:0A。飽和中鎖(10-メチル)分岐とPLFAs、など10Me16:0と10Me18:0は、放線菌36で特徴的に存在しています。 0(ISO、アンテイソ、10-メチル)したがって、グラム陽性細菌からPLFAsは、の合計に等しいとして計算することができます。
真菌PLFAに関連付けられている多くのバイオマーカーは、多くの場合、多価不飽和されているが、一部の真菌のバイオマーカーは、モノ不飽和されています。例えば、真菌一価不飽和バイオマーカーの点で、C16:1ω5はC18、アーバスキュラー菌根菌(AMF)37の指標として同定されている:1ω9:1ω9は腐生真菌において一般的であり、一般的に外菌根C16が含まれています。ジ不飽和C18の存在:ectomycorr2ω6,9が適切に表すことができます。2ω6,9は、多くの場合、C18と連動して発生します。1ω9ともC18があることを示し、真菌のステロールエルゴステロール、とよく相関しますhizaeと腐生菌類38。トリ-不飽和C18:3ω6,9,12-も菌類10のためのバイオマーカーとして使用されてきました。しかし、C18:それは一般的に細菌で発見されていないが3ω6cは、植物や藻類を含む他の真核生物で見つけることができます。土壌原生生物の用語では、C20:他の仕事はC20を検出することができなかった、けれども4ω6cは、原生生物のバイオマーカー39として認識されている:生存可能な原生生物集団は光学顕微鏡40を用いて視覚的に確認されたとしても4ω6c。
多くの研究は、PLFAデータ分析ツールとして多変量な調整技術を利用することによって、全体的な土壌微生物のコミュニティに関連する生態学的問題に対処します。このアプローチを使用するときは、いくつかの著者は、サンプル4の5%未満で存在するPLFAsを除去することにより、データセットの稀PLFAsを除外することを選択しました。通常の飽和C16:0およびC18:0は、原核生物とEUKを含め、すべての土壌微生物で豊富ですaryotes。したがって、一部の研究者は、以前の彼らは土壌微生物コミュニティの組成の敏感な指標ではないかもしれない基づいて統計分析にこれらのPLFAsを削除することを選択した – しかしC16:0およびC18:0のためのすべてのPLFAsを合計するときに含まれるように残っています微生物バイオマスのインデックス。統計分析の用語では、多くの研究者がこの技術として非メートル多次元スケーリング(NMDS)叙階を実施することを選択し、通常、33配布することはできませんデータに適しています。カテゴリ変数に関連する追加の分析は、カテゴリグループに割り当てられた微生物群集の間の類似点や相違点を判断するのに役立つことができ、カテゴリグループとマルチ応答順列手順(MRPP)に固有のPLFAsの発生を関連付けることができる指標種分析を、含めることができます。また、多変量回帰ツリー(MRT)は、特に有用であることができる場合に、複数の実験変数の影響か治療は、潜在的な説明変数5( 例えば、土の質感、水分、埋め立て年齢)として評価する必要があります。
確立されると、PLFAプロトコルは、環境の変化や人為的な外乱土壌微生物応答を定量化する際に非常に有用であることができる比較的簡単な分析方法です。このような遺伝子指紋などの分子技術は、微生物群集の詳細な特性に適していますが、PLFA法は、全微生物バイオマス34の定量的情報を提供するという利点を提供します。私たちの研究室では、1人が快適に4日間で20個のサンプルのセットを処理することができ、私たちはここで紹介するプロトコルは、土壌生物学的品質を評価するための堅牢かつ再現性のある技術であることが判明しています。
PLFA法のパワーが大きく安定同位体解析41、42に結合することによって拡張することができる。具体的には、付加O土壌への13 C標識基質fは個々のPLFAs 41の同位体分析かかわらず土壌微生物への基質の取り込みの定量化を可能にします。さらに、この方法は、土壌、食品ウェブ42における栄養リンクを解明するための非常に有望なツールであると思われます。
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 |