A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region

Atmosferik Poaceae polen DNA miktarını belirlemek için trnT-F cpDNA bölgesini temel alan yeni bir metot

Şenol ALAN, İbrahim ERDOĞAN, Ayşe KAPLAN, Tuğba SARIŞAHİN, Nur Münevver PINAR, Aydan ACAR ŞAHİN

Abstract

Background: Pollen, mold spores, bacteria and viruses arethe main biological substances in the atmosphere causingallergic symptoms and disease. Distinguishing pollen andspores is quite time consuming and requires a trained expert.There is a different approach to identification of these substancessuch as microscopic analysis. However, DNA basedidentification of these is becoming popular recently.Objective: We evaluated the correlation between thequantity of DNA, which was amplified using trnT-F cpDNAspecific primers in samples obtained from a high volumeair sampler (HVAS), and concentration of Poaceae pollencollected with a Burkard trap.Materials and methods: Here, we present a method foridentifying and quantifying airborne Poaceae pollen usinga single step polymerase chain reaction (PCR) technique Forty daily air samples were collected by HVAS. Themethod was optimised using two different methods (M1and M2) and the trnT-F cpDNA region was amplified usinga Poaceae specific primer pair. The correlation betweenthe quantity of DNA and pollen concentration was testedusing R statistical programming language.Results: Although a significant correlation was obtainedbetween the M1 and M2 methods (R2 = 0.655, p < 0.01), theM2 method was more correlated with pollen concentration.The correlation between pollen and DNA contentchanged due to episodes that were observed during thepollen season. DNA concentrations from the PCR datawere significantly correlated with pollen concentrationsdetermined by light microscopy (R2 = 0.767, p < 0.01) inepisode II using the M2 method and during the entireseason (R2 = 0.469, p < 0.01) using M2.Conclusions: The M2 method correctly identified Poaceaepollen in mixed air samples from Zonguldak Province.The non-coding trnT-F cpDNA region was used for the firsttime in aerobiological samples to identify Poaceae pollen.Use of this method that does not require DNA extractionmay be a crucial step for real-time pollen monitoringdevices to be developed in the future. The correlationstrength between pollen and amplified DNA content couldbe improved using a sampler that has a lower absorptionrate, and a more sensitive technique, such as qPCR.

Özet

Amaç: Atmosferdeki polen, küf sporları, bakteriler ve virüsler alerjik semptomlara ve hastalıklara neden olan temel biyolojik maddelerdir. Polen ve sporların ayırt edilmesi oldukça zaman almakta ve eğitimli uzman gerektirmektedir. Bu maddelerin teşhisi için mikroskobik analiz gibi farklı yaklaşımlar bulunmaktadır. Bununla beraber, son zamanlarda bunların DNA temelli teşhisi popüler hale gelmiştir. Bu çalışmada Yüksek hacimli hava örnekleyicisinden (HVAS) elde edilen örneklerde trnT-F cpDNA’ya özgü primerler kullanılarak amplifiye edilen DNA miktarı ile Burkard tuzağı ile toplanan Poaceae polen konsantrasyonu arasındaki korelasyon değerlendirildi. Gereç ve Yöntem: Burada, tek aşamalı polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) tekniği kullanılarak havadaki Poaceae poleni tanımlamak ve ölçmek için bir yöntem sunulmuştur. HVAS tarafından toplanan kırk günlük örneklerde, iki farklı yöntem optimize edildi ve trnT-F cpDNA bölgesi, Poaceae’ye özgü bir primer çifti kullanılarak çoğaltıldı. DNA ve polen konsantrasyonu arasındaki korelasyon, R istatistik programlama dili kullanılarak test edildi. Bulgular: M1 ve M2 yöntemleri arasında anlamlı bir korelasyon olmasına rağmen (R2 = 0,655, p < 0,01), M2 yöntemi polen konsantrasyonu ile daha fazla ilişkiliydi. Polen ve DNA içeriği arasındaki korelasyon, polen mevsiminde gözlenen bölümler nedeniyle değişiklik göstermiştir. M2 yöntemi kullanılarak PCR verilerinden elde edilen DNA konsantrasyonları ile ışık mikroskobu ile belirlenen polen konsantrasyonları arasında hem II. Bölümde (R2 = 0,767, p < 0,01), hem de tüm sezon boyunca (R2 = 0,469, p < 0,01) önemli derecede ilişki bulunmuştur. Sonuç: M2 yöntemi, Zonguldak ili atmosferinden elde edilen karışık örneklerdeki Poaceae polenlerinin doğru bir şekilde belirlemiştir. Kodlanmayan trnT-F cpDNA bölgesi ilk kez aerobiyolojik örneklerdeki Poaceae polenlerini belirlemek için kullanılmıştır. DNA özütlemesi gerektirmeyen bu metodun kullanımı ileride geliştirilecek eş zamanlı polen izleme cihazlarının önemli bir adım olabilir. Polen ve çoğaltılan DNA içeriği arasındaki ilişkinin kuvveti daha düşük emme kapasitesine sahip bir örnekleyici ve qPCR gibi daha hassas bir tekniğin kullanımıyla arttırılabilir