ويرد بالتفصيل، بما في ذلك أساليب تحليل البيانات واستخراج الحمض النووي التنقيب عن جذور النباتات من الحقل وكذلك تجهيز العينات في اندوسفيري، رهيزوسفيري، والتربة. تم تصميم هذه الورقة لتمكين مختبرات أخرى لاستخدام هذه التقنيات لدراسة التربة واندوسفيري وميكروبيوميس رهيزوسفيري.
الدراسات ميكروبيومي النبات والتربة أصبحت متزايدة الأهمية لفهم لعب أدوار الكائنات الحية المجهرية في الإنتاجية الزراعية. والغرض من هذه المخطوطة هو تقديم تفاصيل عن كيفية أخذ عينات التربة، ورهيزوسفيري، واندوسفيري من تجارب ميدانية منسوخة بسرعة وتحليل التغيرات التي قد تحدث في المجتمعات الميكروبية بسبب نوع العينة والعلاج الوراثي النباتي. التجربة المستخدمة لإثبات هذه الأساليب يتكون من قطع المجال المنسوخ نسخاً متماثلاً التي تحتوي على اثنين، نقية، الأعشاب الموسم الحار (دخن عصوي و لحية الرجل) وخليط عشب منخفضة-التنوع () أ (الرجل، سورغاستروم منحنى، و كورتيبيندولا بوتيلوا). بإيجاز، هي المستخرجة من النباتات، وهي قطع مجموعة متنوعة من الجذور ووضعها في المخزن المؤقت للفوسفات، واهتزت ثم جمع في رهيزوسفيري. وجلبت جذور المختبر على الجليد والسطح للتعقيم مع التبييض والايثانول (EtOH). تصفية رهيزوسفيري وتتركز بالطرد المركزي. التربة المستخرجة من جميع أنحاء الكرة الجذر هو وضعها في أكياس من البلاستيك وأحضر إلى المختبر عندما تؤخذ كمية صغيرة من التربة لاستخراج الحمض النووي. الحمض النووي المستخرج من الجذور والتربة رهيزوسفيري وتضخيم ثم مع الإشعال لمنطقة V4 الجينات الرنا الريباسي 16S. أمبليكونس متسلسلة، ثم تحليلها بأدوات المعلوماتية الحيوية الوصول المفتوح. هذه الطرق تسمح للباحثين لاختبار مدى تنوع المجتمع الميكروبي وتكوين يختلف نظراً لنوع العينة، والعلاج، والنباتات التركيب الوراثي. وتبين النتائج الممثل استخدام هذه الأساليب جنبا إلى جنب مع النماذج الإحصائية، هناك اختلافات كبيرة في المجتمعات الميكروبية من الجذور ورهيزوسفيري، والتربة. الأساليب المقدمة هنا تقديم مجموعة كاملة من خطوات لكيفية جمع العينات الميدانية وعزل، استخراج، قياسها كمياً، وتضخيم، وتسلسل الحمض النووي، وتحليل تنوع المجتمع الميكروبي وتكوينها في التجارب الميدانية المنسوخة نسخاً متماثلاً.
البحث ميكروبيومي آثار هامة لفهم ومعالجة عمليات النظام الإيكولوجي مثل المغذيات ركوب الدراجات، ودوران المواد العضوية، وتنمية أو تثبيط للتربة مسببات الأمراض1،2. هذا المجال من البحوث أيضا يحمل إمكانيات كبيرة لفهم آثار جراثيم التربة على الإنتاجية للمجتمعات النباتية الطبيعية والنظم الإيكولوجية الزراعية. وبينما هناك العديد من الدراسات التي ركزت على ميكروبيومي التربة في النظم الإيكولوجية الطبيعية، أقل قد ركزت على الميكروبات رهيزوسفيري واندوسفيري النباتات في النظم الإيكولوجية الزراعية3. ويهيمن على الزراعة في ولاية نبراسكا، المناظر الطبيعية عبر أجزاء كبيرة من الدولة، وإجراء الدراسات الخاصة بهذه التربة حيث تزرع محاصيل هامة زراعياً موضوعا حيويا للبحوث. الهدف من هذه الورقة أساليب تزويد الباحثين بمجموعة موحدة من البروتوكولات لوصف الميكروبات الموجودة في النظم الإيكولوجية الزراعية، لتحديد كيفية تعديل جذور النباتات المجتمعات الميكروبية في رهيزوسفيري واندوسفيري، وفي نهاية المطاف فهم المهام التي تقوم هذه الميكروبات في إنتاجية التربة النباتية والصحة.
الطريقة المعروضة هنا يختلف قليلاً عن الأساليب المستخدمة من قبل الآخرين4،5 في أن هذه الورقة تهدف إلى التعلم الميكروبات التي حصرا داخل الجذر وكيف تختلف عن الميكروبات فورا خارج الجذر في رهيزوسفيري. تسلسل amplicon المستخدمة في هذه الدراسة تحدد الأنواع الميكروبية التي وجدت في عينات الحمض النووي، ويسمح للمحققين لتحديد كيفية تغيير المجتمعات المحلية اعتماداً على نوع العينة أو العلاج. أحد الاختلافات الرئيسية بين هذا البروتوكول وبروتوكول مماثل جداً يستخدمها ندبرغ et al. 6 أنه بدلاً من سونيكيشن، يستخدم هذا البروتوكول التعقيم السطحية مع التبييض والايثانول لإزالة رهيزوسفيري من الجذور. آخرون أيضا استخدام التعقيم السطحية فعالية7،،من89،10. هذه الأساليب ليست أكثر فائدة من الأساليب الأخرى، ولكن مختلفة قليلاً. هذه الأساليب مناسبة خاصة لتجارب ميدانية كبيرة مع عدد كاف من الناس أنه من الممكن عملية قطع حقل ما يزيد على 150 يوميا، التي تضيف ما يصل إلى حوالي 450 العينات عند تقسيمه إلى اندوسفيري، رهيزوسفيري، والتربة. هذه المخطوطة يصف بالتفصيل الأساليب المستخدمة في عينة في الميدان وتجهيز المواد في المختبر، واستخراج وتسلسل الحمض النووي، ويقدم عرضاً موجزاً للخطوات اللازمة لتحليل تسلسل البيانات الناتجة.
الأساليب الموصوفة في هذه المخطوطة ينبغي تمكين العلماء من دخول مجال ميتاجينوميكس التربة والنبات بسهولة. على مر السنين، ونحن قد صقل أساليب عملنا منذ إجراء التجربة المبينة في هذه المخطوطة. تغيير واحد هو أن لدينا الآن قبل تسمية أنابيب قبل الذهاب إلى الحقل إلى نموذج. لدينا مختبر يستخدم نظام المتوازية وطابعه تسمية. الطابعة التسمية ليس فقط يوفر الوقت عندما وسم أنابيب، ولكن أيضا يجعل كل شيء أسهل لتعقب وتحديد عينات دون تقلبات كتابة اليد البشرية بشكل صحيح. نقطة هامة أخرى أن نحاول معالجة المواد بعد إعادته إلى الوراء من الميدان بأسرع. ونحن نهدف إلى تجميد التربة المستخدمة لتحليل الحمض النووي وتعقيم وتجميد الجذور، وتصفية وتجميد rhizosphere في غضون 12 إلى 36 ساعة بعد عودته من الميدان. إجراءات استخراج الحمض النووي مطولة مع العديد من الخطوات، خاصة بالنسبة للتربة ورهيزوسفيري، حتى يمكننا شراء روبوت (فليكس الرفراف، ثيرموفيشير) أن يقلل من الأيدي في الوقت المحدد للبروتوكولات استخراج الحمض النووي، ويقلل من الأخطاء البشرية التي قد تكون أدخلت، ويعمل على تحسين الاتساق في طريقة مختلفة تتم معالجة دفعات من التربة أو الجذور rhizosphere. عند العمل مع المواد النباتية من المهم اتخاذ قرار بشأن نوع الجذر لدراستها أو اتخاذ مجموعة متنوعة من أنواع الجذر للحصول على “عينة”. الحفاظ على الجذور ويترك في حالة مجمدة عند إجراء عمليات استخراج الحمض النووي أمر هام، كما هو ضمان وجود لا تلوث الصليب بين نماذج عند ملء لوحات استخراج الحمض النووي 96-جيدا. عامل مهم آخر للنظر هو عدد replicates التي سيتم استخدامها عند تصميم التجارب الميدانية واستخدام كامل العشوائية التصميم حيثما أمكن26. بسبب تقلب الحقل عالية قد يلزم أن يكون عدد كبير من replicates للكشف عن الفروق الصغيرة. وأخيراً، من تجربتنا من الضروري للتأكد من أن لا تكون التربة رطبة جداً عند حفر الجذور. إذا كانت التربة المشبعة بالماء فليس فوضوي للعمل مع، ولكن كما أنها صعبة للغاية لتحديد رهيزوسفيري وإزالة التربة من الجذور.
تعديل واحد التي تم إجراؤها في وقت مبكر أثناء تطوير هذه الأساليب كانت موحدة بدلاً من المصافحة بالأنابيب من جهة الإفراج عن رهيزوسفيري نحن بالترقية إلى فورتيكسيرس بواسطة مولد غاز لتسهيل العمل في الميدان، وأكثر من حيث الوقت والطريقة أن كل أنبوب تم تحريكها. واحد الحد من نهج التسلسل أمبليكون هو أن القرار التقسيمي للنتائج في كثير من الأحيان محدودة و OTUs العديد من المعروف غير معروف أو فقط على مستوى الأسرة أو جنس. هذا الحقل من البحث يتطور بسرعة ولذلك فمن المهم أن يكون على بينه من النهج الجديدة والنامية، خاصة بالنسبة لتحليل البيانات التي قد تعزز قرار النتائج.
هذه البروتوكولات فقط لدراسة البكتيريا والعتيقات، وليس من الفطريات. استخدام كبسولة تفجير مختلفة للتضخيم سيسمح لدراسة المجتمعات الفطرية باستخدام عينات الحمض النووي نفسه27،28. هذه الأساليب لا تحتاج إلى شراء كميات كبيرة من المعدات لأنه يمكن تبسيط الأساليب. أساليب يصف لنا هنا هي أساسا لتحديد “من هناك”، ولكن المجال يتطور بسرعة إلى طرح أسئلة هامة عن وظيفة، والتي قد تكون موجهة باستخدام أساليب تسلسل بندقية، والعزلة، واختبار الأداء الوظيفي ل الميكروبات، أو تسلسل الجينوم الميكروبية كلياً.
نتائج الممثل تسليط الضوء على الاختلافات في المجتمعات الميكروبية التي يمكن تحديدها باستخدام الأساليب المذكورة. استخدام نهج تنوع بيتا ل تحليل البيانات22، ظهرت الاختلافات التركيبية بين أنواع العينات. لوحظت هذه الفرق الواضح في معظم الدراسات الأخرى حيث تحتوي على المجتمعات الميكروبية فريدة من نوعها3اندوسفيري، رهيزوسفيري، والتربة. وتم حساب مؤشر التنوع شانون لتحديد وفرة وسيفيد من الأنواع الميكروبية الموجودة داخل كل نوع من الأنواع النباتية في اندوسفيري، رهيزوسفيري، والتربة. كما هو موضح في هذه الدراسة، وفي بلدان أخرى كثيرة، أعلى في التربة، وتناقص قليلاً في رهيزوسفيري وثم تناقص إلى حد كبير في5،3،اندوسفيري29التنوع ألفا. تشير هذه النتائج إلى أن الأساليب الموصوفة هنا مناسبة لتحديد التغييرات التركيبية في اندوسفيري، رهيزوسفيري، والتربة.
هيمنة بروتيوباكتيريا استنتاج مشترك في دراسات بشأن اندوسفيري والتربة30،،من3132. وقد اندوسفيري عموما تنوع الأنواع الميكروبية أقل مع وفرة نسبية أعلى من بروتيوباكتيريا. وهذا يؤكد مرة أخرى أن النتائج هنا هي الممثل للنتائج الأخرى في الأدب. آثار العلاج في هذه الدراسة لم تكن تختلف اختلافاً كبيرا، وقد يكون سببان رئيسيان لذلك أن الاختلافات تفرضها العلاجات لم تكن كبيرة بما يكفي لتوليد الاختلاف كافية للكشف عن وأن هذه العينات قد تم في النهاية زراعة الموسم، عندما الحقول قد يكون وقتاً كافياً لرسم أسفل النيتروجين إلى مستويات مماثلة، وما تم قياسه في نهاية الموسم الحالي. في دراسة أخرى باستخدام معدلات التسميد مماثلة على مدى فترة أطول من الزمن، إلا نسبيا كانت التغييرات الصغيرة في تكوين ميكروبيومي قياس33. وأظهرت دراسات أخرى التغييرات في المجتمعات الفطرية والبكتيرية على حد سواء بسبب الأسمدة النيتروجينية34،35.
الأنواع النباتية معروفة للعب دور في تحديد ما ميكروبيوميس3،،من3236 ، وأثبتت الاختلافات الصغيرة حتى في المجتمع الميكروبي الاختلاف بين الأنماط الجينية النباتية المختلفة داخل 37من نوع واحد. في هذه الدراسة، وجد اختلاف كبير في تكوين المجتمع الميكروبي بين الأنواع النباتية. في جميع أنواع عينة يبدو أن switchgrass تكوين الجراثيم الأكثر متميزة، بل كانت الفروق بين الأنواع فقط يعتد به إحصائيا في اندوسفيري. تكوين المجتمع رهيزوسفيري قد أصبحت كبيرة إذا ما توفرت replicates أكثر للتحليل.
الميدان مجتمعة، ومختبر، والبروتوكولات التحليلية المذكورة هنا توفر طريقة فعالة لدراسة تأثير عوامل مختلفة كيف تكوين المجتمعات الميكروبية في التربة، ورهيزوسفيري، واندوسفيري من جذور36. وهناك قدر كبير من العمل يتعين القيام به في مجال دراسة ميكروبيوميس، لا سيما في المجالات الزراعية. أسئلة هامة حول كيف يتم تبديل المحاصيل قبل ميكروبيومي التربة لم يتم توضيحها تماما. حتى الأسئلة الأساسية فيما يتعلق بكيفية تأثير تناوب المحاصيل ميكروبيومي التربة، وكيف يغير توقيت ميكروبيومي، والإجهاد اللاأحيائية كيف يغير ميكروبيومي، كيف نوع التربة ويتفاعل مع هذه العوامل إلى تغيير في ميكروبيومي، وما إذا كانت هناك العالمي الميكروبات في بعض المحاصيل أو مناطق من الولايات المتحدة الأمريكية هي جميع الأسئلة المفتوحة. هذه الأساليب ستكون مفيدة للدراسات الوبائية لتحديد وجود واستمرار وجود البكتيريا المسببة للأمراض ومفيدة أيضا. سوف يكون آخر الأفق المستقبلي لهذه الأساليب لبدء دمج الحمض النووي الأساليب الموصوفة هنا مع النباتات والميكروبات والجيش الملكي النيبالي والبيانات المستقلب. تحسينات إضافية واختبار أكثر المتغيرات ستكون هامة لمزيد من التحسين من هذه البروتوكولات.
The authors have nothing to disclose.
تطوير هذه المخطوطة يدعمه مركز ابسكور مؤسسة العلوم الوطنية للجذر وجائزة الابتكار رهيزوبيومي المكتب-1557417. وأيد عملية جمع البيانات بأموال من جامعة نبراسكا-لينكولن والبحوث الزراعية والتنمية ومنحة هاتش من وزارة الزراعة. ونعترف أيضا الدعم من وزارة الزراعة-جمعية الإغاثة اﻷرمنية وقدمت الدعم الزراعة والأغذية البحوث مبادرة تنافسية منحة رقم 2011-68005-30411 من وزارة الزراعة المعهد الوطني للأغذية والزراعة لإنشاء وإدارة هذه الحقول.
Dneasy PowerSoil HTP 96 Kit | Qiagen/MoBio | 12955-4 | Extraction kit for soil and rhizosphere |
Dneasy PowerPlant HTP 96 Kit | Qiagen/MoBio | 13496-4 | Extraction kit for roots |
D-Handle Digging shovel, 101 cm L | Fiskars | 9669 | |
Rapid Tiller, 40 cm L | Truper | 34316 | |
Ziploc Bags, 17.7 cm x 19.5 cm | Ziploc | NA | |
Cooler | Any | NA | |
Wash pan | Any | NA | |
Plastic bucket | Any | NA | |
Gloves (work and lab) | Any | NA | |
20 cm diameter Soil sieve #8, 2360 μm mesh size | Dual Manufacturing Co., Chicago IL | US8-8FS | |
20 cm diameter Soil Sieve #4, 4750 μm mesh size | Dual Manufacturing Co., Chicago IL | US8-4FS | |
portable generator | Honda brand works well | NA | |
Sterile cell strainers 100 μm mesh size | Fisher Scientific | 22-363-549 | |
NaH2PO4·H2O | VWR | 0823 | |
Na2HPO4 | VWR | 0404 | |
Silwet L-77 | Lehman Seeds | VIS-30 | Surfactant |
Autoclaves | Any | NA | |
Drying Oven | Any | NA | |
Scale | Any | Any | |
Bleach | CLOROX – household strength | NA | |
Tween 20 | Any | NA | |
Liquid Nitrogen | Any | NA | |
Dry Ice pellets | Any | NA | |
Ethanol | Any | NA | |
11 cm precision fine point tweezers | Fisher | 17456209 | |
18 cm Straight point specimen forceps | VWR | 82027-436 | |
13.5 cm Pruning Scissors | Fiskars | 9921 | |
2 mL tube | Any | NA | |
15 mL PP conical tube | MIDSCI | C15B | |
50 mL PP conical tube | MIDSCI | C50B | |
Ultrapure water | Millipore-sigma | Milli-Q Integral, Q-POD | |
Qubit 2.0 fluorometer | Invitrogen | Q32866 | |
Qubit dsDNA HS Assay Kit | Invitrogen | Q32854 | For DNA quantification of removed samples |
QuantiFluor dsDNA System | Promega | E2670 | For DNA quantification |
96-Well Black with Clear Flat Bottom Plates | Corning | 3631 | |
pPNA PCR Blocker | PNA Bio | PP01-50 | |
mPNA PCR Blocker | PNA Bio | MP01-50 | |
Genomic DNA from Microbial Mock Community B (Even Low Concentration) v5.1L, for 16s rRNA Gene sequencing | BEI Resources | HM782D | |
Adhesive 8 well-strips for plates | VWR | 89134-434 | |
Stainless steel beads, 3.2 mm dia | Next Advance | SSB32 | |
1 ml Assay block (DNA extraction plate for the Qiagen/MoBio Dneasy PowerPlant HTP Kit) | CoStar | 3959 | |
antistatic PP weighing funnel, size small for soil/rhizosphere | TWD Tradewinds, INC | ASWF1SPK | |
antistatic PP weighing funnel, size x-small for root/leaf | TWD Tradewinds, INC | ASWFXSCS | |
Genie 2 Digital Vortex | Scientific Industries | SI-0236 | |
Vortex adapter for 50 mL tubes | Scientific Industries | SI-H506 | |
Mortar (100 mL) and pestle | Any | NA | |
Metal micro-spatula | VWR | 80071-672 | |
Disposable antistatic microspatulas | VWR | 231-0106 | |
Brown Paper bag 2# (10.95 cm x 6.19 cm x 20 cm) | Duro | 18402 | |
5424 Centrifuge for 2 mL tube | Eppendorf | 22620461 | |
Centrifuge for 96-well plate | Sigma4-16S | 81510 | |
Centrifuge rotor for 50 mL tubes | Sigma4-16S | 12269 – Biosafe | |
KAPA HiFi DNA polymerase | Kapa Biosystems |