MODERNE METAGENOMANALYSER MIKROBIEL NEDBRYDNING AF MILJØFREMMEDE STOFFER I JORD OG GRUNDVAND

Transkript

1 AARHUS UNIVERSITY DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCE ENVIRONMENTAL MICROBIAL GENOMICS GROUP MODERNE METAGENOMANALYSER MIKROBIEL NEDBRYDNING AF MILJØFREMMEDE STOFFER I JORD OG GRUNDVAND Aarhus Universitet, Institut for Miljøvidenskab, Sektion for Mikrobiel Økologi og Bioteknologi Professor og Institutleder Carsten Suhr Jacobsen KTC 8. Juni

2 AARHUS UNIVERSITY DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCE ENVIRONMENTAL MICROBIAL GENOMICS GROUP Sekventering 2

3 Hvorfor kan vi pludselig mere? 3

4 Metagenom analyser Fra Wiki: Metagenomics is the study of genetic material recovered directly from environmental samples. The broad field may also be referred to as environmental genomics, ecogenomics or community genomics Betegnelsen metagenomics blev første gang brugt i 1998 og dækker over analysen af alle dyrkbare såvel som ikke dyrkbare mikroorganismer i en miljøprøve 16SrRNA gener (bakteriel samfundsanalyse) ITS gener (svampe samfundsanalyse) Funktionelle gener (f.eks vcra, bvca eller tfda) 4

5 16S rrna primer design for MiSeq amplicon pipelinen MiSeq_341F_Index Seq Index-F Adapter-i5 Index-F Seq prim-f 341-F 806-R Seq prim-r Seq Index-R Index-R Adapter-i7 MiSeq_806R_Index 5

6 Illumina sequencing 6

7 Test for sideeffekter af pesticiderne Tridex og Basamid metagenom analyse af 16SrRNA Stor effekt af Basamid på bakterie sammensætningen dag 12. Firmicutes (bla Bacillus sp.)og Proteobacteria (bla Pseudomonas sp.) vokser hurtigt frem efter fumigering

8 Metagenomanalyser i Røde Kro 16SrRNA analyse viser alle bakterier (OTU s) her er givet data fra udvalgte genotyper der normalt udfører forskellige oxidationsprocesser 8

9 Analyse af funktionelle gener I metagenomics defineres funktionelle gener som de gener der udfører en bestemt funktion Eksempler er: Nitrifikationsgener: amoa; phenoxysyreherbicidnedbrydning: tfda; anaerobe dekloreringsgener: vcra eller bvca 9

10 AARHUS UNIVERSITY DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL SCIENCE ENVIRONMENTAL MICROBIAL GENOMICS GROUP Genomer MiSeq 2 x 300 PE 10

11 Nedbrydning af MCPA i byjord Akkumulerede mineraliserings kurver af MCPA sammenstillet med antallet af tfda gener g -1 jord i Østbanegade, Rørrende gård, Hvidovre, Kastrup havn, Nørrebro, Banedanmark og kontrol jorden, Jyndevad. Data fra Nielsen et al 2011.

12 Mobilomer til at nærstudere plasmid poolen i filtrene Sequencing Analysis 12

13 Genetic map of plasmid pcadab1 and composite transposon Tn6228 involved in MCPA degradation Nielsen TK, et al. (2013) Novel Insight into the Genetic Context of the cadab Genes from a 4-chloro-2-methylphenoxyacetic Acid- Degrading Sphingomonas. PLoS ONE 8(12): e doi: /journal.pone

14 RNA-seq Transcriptomics Respiration mobilitet Biofilm og nedbrydning Alene Ingen ændring Sammen med ven Ned-reguleret op-reguleret 14

15 RNA-seq Respiration mobilitet Biofilm og nedbrydning Alene Ingen ændring Sammen med Ven Ned-reguleret op-reguleret 15

16 Analyse af amoa ekspression i jord med forskellige pesticider 16

17 Nedbrydning PESTICIDE METABOLITE CO 2 PESTICIDE CO 2 0,5 M NaOH Sand/ Vand 14C-pesticid

18 Finde hjælpsomme stammer i filtrene til coinnokulering Feld L. et al. Appl. Environ. Microbiol. 2016;82: Mange generationer biofilm- biofilm+ 18

19 Den usynlige verden af mikrober MEMBIO KICK-OFF 19

20 Underworld: Der er en endnu mindre verden af ting der snylter på og dræber mikroorganismer Bestående af selviske molekyler, der fremme deres egen eksistens og evolution. De kaprer bakterier og pattedyr til at beskytte dem, udbrede dem og bære dem rundt. Disse kan betragtes som molekylære parasitter 20

21 Mobile genetiske elementer Molekulære parasitter controllerer evolution promoter promoter IS elementer I R L Transposase gene I R R Plasmider Bakteriofager 21

22 Regulatorer af mikrobiel diversitet i naturlige systemer 22

23 Oprindelse af gener kodende for resistens, virulens og xenobiotikum nedbrydning Udviklingen af gener fra husholdere til resistens faktorer og virulensgener Fra betydende for nedbrydning af naturlige forbindelser, til rensere af fremmedstoffer i miljøet 23

24 Konklusion Metagenomanalyser er baseret på DNA eller RNA isoleret direkte fra miljøet. PCR kvantificering af funktionelle gener giver direkte svar på spørgsmål om funktion (hvis genet er kendt ) HTP-Illumina sekventering af 16SrRNA giver svar om ændringer af bakterielle samfund i prøven men fortæller ikke om andre mikroorganismer 16SrRNA kan tolkes med funktionelle briller på men det kræver en del kendskab til bakteriernes livsform 24