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Progetto DNA barcode per l'identificazione dei pollini - SNPA - Sistema nazionale protezione ambiente

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Academic year: 2022

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Testo completo

(1)

Development of NGS meta- barcoding for the

characterization of aerobiological samples

Lucia Muggia

Alberto Pallavicini, Elisa Banchi, Claudio G. Ametrano, David

Stankovic, Silvia Ongaro, Enrico Tordoni, Mauro Tretiach

(2)

Dott. Verardo Pierluigi ARPA Friuli Venezia Giulia (Pordenone)

Dott.ssa Tassan Francesca ARPA Friuli Venezia Giulia (Trieste)

Dr.ssa Gabrielli Francesca ARPA Marche Dott.ssa Nadia Trobiani ARPA Marche Dott.ssa Lazzarin Stefania ARPA Veneto Dott.ssa Moretti Olga ARPA Umbria

Dr.ssa Borney Francesca ARPA Valle d’ Aosta

The ARPA collaborators

PROGETTO FRA-2016 (Finanziamento per la

Ricerca di Ateneo, Università di Trieste)

(3)

Pollen monitoring

mainly based on microscopic analyses

identification and quantification and requires well trained personnel procedure is laborious and time consuming

Identification up to genus level, usually higher taxonomic ranks

low sensitivity!!

Fungal spores - AEROMYCOLOGY

huge diversity of morphologies high seasonal variation

difficulties in identifying fungal species using spores alone

(4)

Aim 1. Set up and standardization of DNA extraction, amplification and sequencing of aerobiological samples for routine analyses

Aim 2. Standardization of a methodological and

bioinformatic pipeline for meta-barcoding analysis of aerobiological samples

Aim 3. Establishment of reference sequences database

Project aims

(5)

provides a fast and thorough identification of organisms.

species-specific DNA regions = species-specific tag.

DNA barcode (nuclear, mitochondrial or plastidial DNA):

1) be relatively conserved within species but variable enough to discriminate between them;

2) contain sufficient phylogenetic information;

3) be flanked by highly conserved regions

!!!!! no universal DNA barcode exist !!!!

DNA barcoding

(6)

ü

DNA barcoding

ü

Next generation sequencing (NGS)

rDNA ITS1 5.8S ITS2

Ion Torrent PGM®

DNA Meta-barcoding : in microbiome studies for the characterization of soil and water microbial communities in diverse ecological conditions, or of plants and animal associated microorganisms.

Environmental samples

Minibarcodes that target at 200-300 bp are used.

(7)

total material DNA extraction

PCR amplifications:

trnL (plastidial) for plants others?? nuclear??

ITS2 (nuclear) for fungi

5 localities = cities

Sampling and methodology

March-November 2017

(8)

Metabarcoding standard pipeline:

Experimental design Sampling

DNA extraction Barcoding

NGS sequencing

Raw reads

Molecular biology

Quality filter

Chimera checking OTUs clustering

Normalization Taxonomic assignment

Bioinformatics Statistics

WHO IS THERE???

Rarefaction curves Alpha diversity

Beta diversity Demultiplexing

Library preparation PCoA

(9)

P1

1st PCR

IIIIIII

ITS2 + Tails

Primer F Tail1

IIIIIII

Primer R Tail2

IIIIIII

5’

Primer F

BARCODE

2nd PCR

IIIIIII

Primer R

ITS2

ITS2 + Tails + BARCODE Amplicon (400 bp)

Library preparation

Sample Nr.

MID (Molecular Identifier)

(10)
(11)

Bioinformatic analysis (1)

QIIME Pipeline

(Caporaso et al., 2011)

• file conversion (.fastq to .fna and .qual)

• clean, trim and split the library (-l 150 -s 15 -h 8 -m 3)

ITSx extraction (Bengtsson-palme et al., 2013)

• chimera checking with qiime-usearch 6.1 (UNITE reference dataset)

• 97% similarity OTUs picking (open reference strategy, UNITE database and blast)

• calculate the core taxonomy

• filter out taxonomy the taxa belonging to lichen hosts

• recalculate the core taxonomy to focus only on intrathalline diversity

• statistical analysis (rarefaction curves, reads distribution, alpha and beta

diversity)

(12)

Bioinformatic analysis (2)

MEGAN Pipeline

(Huson et al., 2011)

• blast and taxonomic assignment with MALT and MEGAN

• malt build - download as fasta file the sequences of interest, in ncbi, with an

appropriate query (i.e. “ITS2” OR “ITS” OR “transcribed” AND "Fungi“ OR "uncultured fungus“ OR "fungus” – 96428 seqs)

• malt run (produces .rma files, one per sample) i.e. -id 90

• import .rma files in MEGAN and taxonomic analysis (LCA algorithm)

OUTPUT = reference

sequences databases

for plants and fungi

(13)

The time schedule: 01.01.2017 - 31.12.2018

Collaboration with ARPA, sampling and collection of preliminary

results since July 2016.

(14)

Preliminary study

• 48 samples (2 weeks of sampling)

• ARPA Marche, FVG, Umbria, Veneto ü DNA extraction

ü Amplification with RT-PCR ü Library preparation

ü NGS sequencing with Ion Torrent®

(15)
(16)

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