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

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

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

Şenol ALAN, (Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi)

Tuğba SARIŞAHİN, (Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi)

Aydan ACAR ŞAHİN, (Ankara Üniversitesi)

Ayşe KAPLAN, (Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi)

İbrahim ERDOĞAN, (Ahi Evran Üniversitesi)

Nur Münevver PINAR (Ankara Üniversitesi)

Türk Biyokimya Dergisi

1 1

Yıl: 2019 Cilt: 44 Sayı: 3 Sayfa Aralığı: 248 - 253 Metin Dili: İngilizce İndeks Tarihi: 05-05-2020

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

Öz:

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.

Anahtar Kelime:

Konular: Diş Hekimliği Toksikoloji Biyokimya ve Moleküler Biyoloji Farmakoloji ve Eczacılık

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

Öz:

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

Anahtar Kelime:

Konular: Diş Hekimliği Toksikoloji Biyokimya ve Moleküler Biyoloji Farmakoloji ve Eczacılık

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

1. Ceter T, Pınar NM, Alan Ş, Yıldırım Ö. Polen ve sporların haricinde atmosferde bulunan allerjen biyolojik partiküller. Asthma Allergy Immunol 2008;6:5–10.
2. Horak F, Jaeger S, Worm M, Melac M, Didier A. Implementation of pre-seasonal sublingual immunotherapy with a five-grass pollen tablet during optimal dosage assessment. Clin Exp Allergy 2009;39:394–400.
3. Creticos PS, Esch RE, Couroux P, Gentile D, D’angelo P, Whitlow B, et al. Randomized, double-blind, placebo-controlled trial of standardized ragweed sublingual-liquid immunotherapy for allergic rhinoconjunctivitis. J Allergy Clin Immunol 2014;133:751–8.
4. del Pozo-Baños M, Ticay-Rivas JR, Cabrera-Falcón J, Arroyo J, Travieso-González CM, Sánchez-Chavez L, et al. Image processing for pollen classification. In: Biodiversity Enrichment in a Diverse World. Intech 2012.
5. Buters JT, Thibaudon M, Smith M, Kennedy R, Rantio-Lehtimäki A, Albertini R, et al. Release of Bet v 1 from birch pollen from
5 European countries. Results from the HIALINE study. Atmos Environ 2012;55:496–505.
6. Suphioglu C. Thunderstorm asthma due to grass pollen. Int Arch Allergy Immunol 1998;116:253–60.
7. Plaza MP, Alcázar P, Hernández-Ceballos MA, Galán C. Mismatch in aeroallergens and airborne grass pollen concentrations. Atmos Environ 2016;144:361–9.
8. Müller-Germann I, Vogel B, Vogel H, Pauling A, Fröhlich-Nowoisky J, Pöschl U, et al. Quantitative DNA analyses for airborne birch pollen. PLoS One 2015;10:e0140949.
9. Mohanty RP, Buchheim MA, Levetin E. Molecular approaches for the analysis of airborne pollen: a case study of Juniperus pollen. Ann Allergy Asthma Immunol 2017;118:204–11. e2.
10. Müller-Germann I, Pickersgill DA, Paulsen H, Alberternst B, Pöschl U, Fröhlich-Nowoisky J, et al. Allergenic Asteraceae in air particulate matter: quantitative DNA analysis of mugwort and ragweed. Aerobiologia 2017;33:493–506.
11. Mohanty RP, Buchheim MA, Anderson J, Levetin E. Molecular analysis confirms the long-distance transport of Juniperus ashei pollen. PLoS One 2017;12:e0173465.
12. Leontidou K, Vernesi C, De Groeve J, Cristofolini F, Vokou D, Cristofori A. DNA metabarcoding of airborne pollen: new protocols for improved taxonomic identification of environmental samples. Aerobiologia 2018;34:63–74.
13. Ebner C, Hirschwehr R, Bauer L, Breiteneder H, Valenta R, Ebner H, et al. Identification of allergens in fruits and vegetables: IgE cross-reactivities with the important birch pollen allergens Bet v 1 and Bet v 2 (birch profilin). J Allergy Clin Immunol 1995;95:962–9.
14. Borsch T, Hilu KW, Quandt D, Wilde V, Neinhuis C, Barthlott W. Noncoding plastid trnT-trnF sequences reveal a well resolved phylogeny of basal angiosperms. J Evol Biol 2003;16: 558–76.
15. Okaura T, Harada K. Phylogeographical structure revealed by chloroplast DNA variation in Japanese beech (Fagus crenata Blume). Heredity 2002;88:322–9.
16. Bayer RJ, Starr JR. Tribal phylogeny of the Asteraceae based on two non-coding chloroplast sequences, the trnL intron and trnL/trnF intergenic spacer. Ann Mo Bot Gard 1998;85: 242–56.
17. Sauquet H, Doyle JA, Scharaschkin T, Borsch T, Hilu KW, Chatrou LW, et al. Phylogenetic analysis of Magnoliales and Myristicaceae based on multiple data sets: implications for character evolution. Bot J Linn Soc 2003;142:125–86.
18. Müller KF, Borsch T, Hilu KW. Phylogenetic utility of rapidly evolving DNA at high taxonomical levels: contrasting matK, trnT-F, and rbcL in basal angiosperms. Mol Phylogenet Evol 2006;41:99–117.
19. Wallinger C, Juen A, Staudacher K, Schallhart N, Mitterrutzner E, Steiner E-M, et al. Rapid plant identification using species-and group-specific primers targeting chloroplast DNA. PLoS One 2012;7:e29473.
20. R Core Team. R: a language and environment for statistical computing. Vienna, Austria: R Foundation for Statistical Computing, 2013. http://www.R-project.org/. Accesssed: 26 December 2017.
21. Núñez A, de Paz GA, Ferencova Z, Rastrojo A, Guantes R, García AM, et al. Validation of the hirst-type spore trap for simultaneous monitoring of prokaryotic and eukaryotic biodiversities in urban air samples by next-generation sequencing. Appl Environ Microbiol 2017;83:e00472–17.
22. Kraaijeveld K, Weger LA, Ventayol García M, Buermans H, Frank J, Hiemstra PS, et al. Efficient and sensitive identification and quantification of airborne pollen using next-generation DNA sequencing. Mol Ecol Resour 2015;15:8–16.
23. Erkara IP, Cingi C, Ayranci U, Gurbuz KM, Pehlivan S, Tokur S. Skin prick test reactivity in allergic rhinitis patients to airborne pollens. Environ Monit Assess 2009;151:401–12.

APA	ALAN Ş, SARIŞAHİN T, ACAR ŞAHİN A, KAPLAN A, ERDOĞAN İ, PINAR N (2019). A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. , 248 - 253.
Chicago	ALAN Şenol,SARIŞAHİN Tuğba,ACAR ŞAHİN Aydan,KAPLAN Ayşe,ERDOĞAN İbrahim,PINAR Nur Münevver A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. (2019): 248 - 253.
MLA	ALAN Şenol,SARIŞAHİN Tuğba,ACAR ŞAHİN Aydan,KAPLAN Ayşe,ERDOĞAN İbrahim,PINAR Nur Münevver A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. , 2019, ss.248 - 253.
AMA	ALAN Ş,SARIŞAHİN T,ACAR ŞAHİN A,KAPLAN A,ERDOĞAN İ,PINAR N A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. . 2019; 248 - 253.
Vancouver	ALAN Ş,SARIŞAHİN T,ACAR ŞAHİN A,KAPLAN A,ERDOĞAN İ,PINAR N A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. . 2019; 248 - 253.
IEEE	ALAN Ş,SARIŞAHİN T,ACAR ŞAHİN A,KAPLAN A,ERDOĞAN İ,PINAR N "A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region." , ss.248 - 253, 2019.
ISNAD	ALAN, Şenol vd. "A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region". (2019), 248-253.

APA	ALAN Ş, SARIŞAHİN T, ACAR ŞAHİN A, KAPLAN A, ERDOĞAN İ, PINAR N (2019). A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. Türk Biyokimya Dergisi, 44(3), 248 - 253.
Chicago	ALAN Şenol,SARIŞAHİN Tuğba,ACAR ŞAHİN Aydan,KAPLAN Ayşe,ERDOĞAN İbrahim,PINAR Nur Münevver A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. Türk Biyokimya Dergisi 44, no.3 (2019): 248 - 253.
MLA	ALAN Şenol,SARIŞAHİN Tuğba,ACAR ŞAHİN Aydan,KAPLAN Ayşe,ERDOĞAN İbrahim,PINAR Nur Münevver A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. Türk Biyokimya Dergisi, vol.44, no.3, 2019, ss.248 - 253.
AMA	ALAN Ş,SARIŞAHİN T,ACAR ŞAHİN A,KAPLAN A,ERDOĞAN İ,PINAR N A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. Türk Biyokimya Dergisi. 2019; 44(3): 248 - 253.
Vancouver	ALAN Ş,SARIŞAHİN T,ACAR ŞAHİN A,KAPLAN A,ERDOĞAN İ,PINAR N A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region. Türk Biyokimya Dergisi. 2019; 44(3): 248 - 253.
IEEE	ALAN Ş,SARIŞAHİN T,ACAR ŞAHİN A,KAPLAN A,ERDOĞAN İ,PINAR N "A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region." Türk Biyokimya Dergisi, 44, ss.248 - 253, 2019.
ISNAD	ALAN, Şenol vd. "A new method to quantify atmospheric Poaceae pollen DNA based on the trnT-F cpDNA region". Türk Biyokimya Dergisi 44/3 (2019), 248-253.