Stable isotope probing analysis of the diversity and activity of methanotrophic bacteria in soils from the Canadian High Arctic

• Published in: Applied and Environmental Microbiology
• Main Authors: Martineau, Christine, Whyte, Lyle G., Greer, Charles W.
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: 2010
• Subjects: Arctic; Ellesmere Island; Arctique*; Global warming; permafrost; pergélisol
• Online Access: https://doi.org/10.1128/AEM.03094-09; https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/accepted/?id=29ef9d68-ed99-41e9-b5c8-fca2fda47be3; https://nrc-publications.canada.ca/eng/view/object/?id=29ef9d68-ed99-41e9-b5c8-fca2fda47be3; https://nrc-publications.canada.ca/fra/voir/objet/?id=29ef9d68-ed99-41e9-b5c8-fca2fda47be3

The melting of permafrost and its potential impact on CH4 emissions are major concerns in the context of global warming. Methanotrophic bacteria have the capacity to mitigate CH4 emissions from melting permafrost. Here, we used quantitative PCR (qPCR), stable isotope probing (SIP) of DNA, denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) fingerprinting, and sequencing of the 16S rRNA and pmoA genes to study the activity and diversity of methanotrophic bacteria in active-layer soils from Ellesmere Island in the Canadian high Arctic. Results showed that most of the soils had the capacity to oxidize CH4 at 4°C and at room temperature (RT), but the oxidation rates were greater at RT than at 4°C and were significantly enhanced by nutrient amendment. The DGGE banding patterns associated with active methanotrophic bacterial populations were also different depending on the temperature of incubation and the addition of nutrients. Sequencing of the 16S rRNA and pmoA genes indicated a low diversity of the active methanotrophic bacteria, with all methanotroph 16S rRNA and pmoA gene sequences being related to type I methanotrophs from Methylobacter and Methylosarcina. The dominance of type I methanotrophs over type II methanotrophs in the native soil samples was confirmed by qPCR of the 16S rRNA gene with primers specific for these two groups of bacteria. The 16S rRNA and pmoA gene sequences related to those of Methylobacter tundripaludum were found in all soils, regardless of the incubation conditions, and they might therefore play a role in CH4 degradation in situ. This work is providing new information supporting the potential importance of Methylobacter spp. in Arctic soils found in previous studies and contributes to the limited body of knowledge on methanotrophic activity and diversity in this extreme environment. La fonte du pergélisol et ses répercussions potentielles sur les émissions de CH4 constituent des préoccupations importantes dans le contexte du réchauffement planétaire. Les bactéries méthanotrophes ont la capacité d’atténuer les émissions de CH4 provenant de la fonte du pergélisol. Dans la présente étude, nous utilisons la PCR quantitative, la technique appelée « stable isotope probing of DNA », la cartographie peptidique par électrophorèse en gel de gradient dénaturant (denaturing gradient gel electrophoresis ou DGGE) et le séquençage des gènes codant l’ARNr 16S et la sous-unité A de la méthane mono oxygénase particulaire (particulate methane monooxygenase ou pmoA) pour étudier l’activité et la diversité des bactéries méthanotrophes dans le mollisol de l’île d’Ellesmere dans l’Extrême-Arctique canadien. Les résultats montrent que la plupart des sols prélevés ont la capacité d’oxyder le CH4 à 4 °C et à température ambiante (TA), mais ces taux d’oxydation sont plus élevés à la TA et augmentent considérablement lorsque l’on ajoute des nutriments. Les profils de bandes des DGGE associés aux populations des bactéries méthanotrophes actives montrent également des différences en fonction de la température d’incubation et de l’ajout de nutriments. Le séquençage des gènes codant l’ARNr 16S et la pmoA indique une faible diversité des bactéries méthanotrophes actives, car toutes les séquences des gènes codant l’ARNr 16S et la pmoA méthanotrophes sont apparentées aux méthanotrophes de type I des genres Methylobacter et Methylosarcina. Cette dominance des méthanotrophes de type I par rapport à ceux de type II dans les échantillons de sol en place est confirmée par la PCR quantitative du gène codant l’ARNr 16S en utilisant les amorces propres à ces deux groupes de bactéries. La séquence des gènes codant l’ARNr 16S et la pmoA liés à Methylobacter tundripaludum se trouve dans tous les sols, peu importe les conditions d’incubation. Cette bactérie pourrait donc jouer un rôle dans la dégradation in situ du CH4. Ces travaux apportent de nouveaux renseignements qui viennent appuyer l’importance potentielle de Methylobacter spp. dans les sols arctiques, mise en évidence par des travaux antérieurs, et enrichir l’ensemble des connaissances encore limitées sur l’activité et la diversité méthanotrophes dans cet environnement extrême. Peer reviewed: Yes NRC publication: Yes