title: Metatranscriptome analysis of microbial communities in rice microcosms
title: Metatranskriptomik-Analyse mikrobieller Gemeinschaften an Reismikrokosmen
Creators: name: Kim, Yongkyu
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Metatranskriptomik
Metatranscriptomics
Mikrobiozönose
Biowissenschaften, Biologie

description: Metatranscriptomics is a
      state-of-the-art technique to elucidate the functional
      activities of microbial communities, but its application is
      still limited to marine microbial assemblages. In my PhD
      project, we established the complete approach of soil
      metatranscriptomics, involving RNA extraction, cDNA library
      preparation by random priming, 454-pyrosequencing, and
      bioinformatic data analysis. The approach was tested on
      microbial communities in the oxic surface layer and the
      anoxic bulk soil of flooded rice paddy soil microcosms. Total
      RNA was recovered in high integrity and purity by low-pH
      phenol extraction (pH 5.0) followed by Q-Sepharose column
      chromatography. We were able to enrich mRNA sequences up to
      50-70% in the metatranscriptome libraries using Ribo-Zero™
      rRNA removal kit (Meta-Bacteria). All the 454 reads obtained
      were preprocessed prior to data analysis to minimize sequence
      ambiguities. A total of 10,000 SSU-ribotags (total RNA) were
      analyzed to elucidate community composition in the oxic and
      anoxic zones at three different incubation time points (25,
      45 and 90 days after transplantation of rice seedlings).
      Additionally, about 45,000 and 12,000 mRNA-tags (enriched
      mRNA) were obtained for the analysis of functional activities
      in, respectively, the oxic and anoxic zone of 90-day-old rice
      microcosms. SSU-ribotag data analysis revealed no major
      temporal changes in community composition except for
      Geobacter, Clostridia and methanogens in the anoxic bulk
      soil. However, the taxonomic composition of microbial
      communities was clearly distinct between the oxic and anoxic
      zones, with cyanobacteria being the dominant group in the
      surface layer. Although mRNA-tags related to basic cellular
      functions were most abundant in both mRNA datasets, the
      expression of specific functions in response to different
      oxygen conditions was observed such as, for example, methane
      oxidation in the oxic zone and methanogenesis in the anoxic
      zone. Our metatranscriptomic approach provides a means to
      analyze the composition and functional gene expression of
      complex soil microbial communities while avoiding the
      limitations of PCR-based approaches.
description: Metatranskriptomik ist eine
      ‘state-of-the-art’ Technik um die funktionellen Aktivitäten
      mikrobieller Gemeinschaften aufzuklären. Die Anwendung hat
      sich bis auf wenige Ausnahmen bis jetzt auf marine
      Lebensräume fokussiert. In meiner Doktorarbeit haben wir den
      gesamten Ablauf der Metatranskriptomik, einschließlich RNA
      Extraktion, Vorbereiten von cDNA Bibliotheken mittels
      Zufalls-priming, 454 Pyrosequenzierung und bioinformatische
      Analyse für terrestrische Lebensräume etabliert. Der gesamte,
      entwickelte Ablauf wurde bezogen auf mikrobielle
      Gemeinschaften in oxischer- und anoxischer Erde von
      Reisbodenmikrokosmen umfassend getestet. Gesamt-RNA von hoher
      Integrität und Reinheit konnte bei einem pH Wert von 5
      mittels Phenolextraktion kombiniert mit Q-Sepharose
      Säulenchromatographie gewonnen werden. Durch Anwendung des
      Ribo-Zero ™ rRNA removal kits (Meta-Bacteria) war es uns
      möglich mRNA bis zu einem Grad von 50-70% in unseren
      Metatranskriptombibliotheken anzureichern. Alle erhaltenen
      454 reads sind vor der eigentlichen Datenverarbeitung
      vorverarbeitet worden um potentielle Unklarheiten
      auszuräumen. Insgesamt 10,000 SSU-ribotags (Gesamt-RNA) sind
      analysiert worden um die Gemeinschaftsstruktur in den
      oxischen und anoxischen Zonen an drei unterschiedlichen
      Inkubationszeitpunkten (25, 45 und 90 Tage, nach dem Pflanzen
      von Reiskeimlingen) aufklären zu können. Zusätzlich konnten
      45,000 beziehungsweise 12,000 mRNA-tags (angereicherte mRNA)
      für die Analyse funktioneller Aktivitäten, bezogen auf die
      oxische und anoxische Zone 90 Tage alter Reismikrokosmen
      gewonnen werden. Die Analyse der SSU-ribotags hat keine
      gravierenden Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaften
      gezeigt, mit Ausnahme von Geobacter, Clostridien und
      Methanogenen in der anoxischen Zone. Nichtsdestotrotz konnte
      belegt werden das klare taxonomische Unterschiede zwischen
      der oxischen und anoxischen Zone vorliegen, wobei
      Cyanobakterien die dominierende Gruppe der oxischen Zone
      darstellen. Obwohl mRNA-tags bezogen auf grundlegende
      zelluläre Funktionen das Gros in beiden Datensätzen
      ausmachten, konnten spezifische Funktionen in Abhängigkeit
      zur Verfügbarkeit von Sauerstoff gezeigt werden. So zum
      Beispiel Zusammenfassung VI Methanoxidierung in der oxischen
      Zone und Methanogenese unter anoxischen Bedingungen. Der von
      uns etablierte Ansatz der Metatranskriptomik stellt ein
      nützliches Mittel dar um die Zusammensetznung und
      funktionelle Genexpression von komplexen, terrestrischen
      mikrobiellen Gemeinschaften untersuchen zu können, ohne den
      Beschränkungen PCR-basierter Techniken zu
      unterliegen.