Simbioze microbiene

Acest articol face parte din subiectul de cercetare

Interacțiuni între diete, microbiota intestinală și metabolismul gazdei Vizualizați toate cele 55 de articole

Editat de
Jie YIN

Colegiul de știință și tehnologie a animalelor, Universitatea Agricolă din Hunan, China

Revizuite de
Woo Jun Sul

Universitatea Chung-Ang, Coreea de Sud

Weida Gong

Universitatea din Carolina de Nord la Chapel Hill, Statele Unite

Afilierile editorului și ale recenzenților sunt cele mai recente oferite în profilurile lor de cercetare Loop și este posibil să nu reflecte situația lor în momentul examinării.

asupra

  • Descărcați articolul
    • Descărcați PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Suplimentar
      Material
  • Citarea exportului
    • Notă finală
    • Manager de referință
    • Fișier TEXT simplu
    • BibTex
DISTRIBUIE PE

Cercetare originală ARTICOL

  • 1 Departamentul de Științe Biologice, Universitatea din Maryland, județul Baltimore, Baltimore, MD, Statele Unite
  • 2 Departamentul de Științe Biologice, Universitatea din Portsmouth, Portsmouth, Regatul Unit
  • 3 Departamentul de biotehnologie marină, Universitatea din Maryland, județul Baltimore, Baltimore, MD, Statele Unite

Introducere

Somnul amazonian Panaque nigrolineatus consumă cantități mari de lemn ca parte a dietei sale, trăsătură împărtășită unui număr limitat de specii de pești înrudite (Schaefer și Stewart, 1993). În funcție de condițiile de mediu, P. nigrolineatus își poate regla comportamentul de hrănire, comutând între comportamentele de hrănire xilivor („care mănâncă lemnul”), detritivor și erbivor. În timp ce morfologiile maxilarului și ale dinților par a fi bine adaptate pentru consumul de lemn (Geerinckx și colab., 2007; Adriaens și colab., 2008), alte caracteristici, cum ar fi lungimea tractului gastrointestinal, suprafața microviliștilor și timpul de retenție a intestinului sunt incompatibile cu dieta dependentă în primul rând de consumul de lemn (German, 2009; German și colab., 2010). S-a emis ipoteza că aportul de lemn poate avea un avantaj selectiv în timpul sezonului uscat amazonian (Araujo-Lima și colab., 1986) sau o consecință a consumului de epifite sau hife fungice. Beneficiile nutriționale ale hrănirii lemnului și ale digestiei ulterioare de către P. nigrolineatus sunt, încă, necunoscute.

Consumul de lemn ca sursă primară de hrană reprezintă multe provocări. Proprietățile fizice și chimice ale majorității pădurilor le fac extrem de recalcitrante și de o valoare nutritivă slabă (Pu et al., 2011). Deși sunt bogate în carbohidrați, acești compuși sunt în mare parte inaccesibili datorită încorporării lor în polizaharide structurale, cum ar fi celuloza și hemicelulozele (Cosgrove, 2005). Natura cristalină a celulozei și prezența altor polimeri structurali ai pereților celulari ai plantelor, cum ar fi lignina, limitează infiltrarea microbiană și exclud apa, făcând mediul nepropice hidrolizei enzimatice (Cosgrove, 2005; Grabber, 2005). Pe lângă aceste provocări, lemnul are și un deficit de azot; conținutul de azot din pădurile amazoniene este în mod regulat sub 0,5% (Martius, 1992). Pentru a depăși această deficiență, multe organisme care hrănesc lemnul vor consuma, de asemenea, surse de nutrienți care nu sunt din lemn sau se vor baza pe activitatea microorganismelor enterice pentru a furniza compuși reduși de azot (Raychoudhury și colab., 2013; Gruninger și colab., 2016; Mikaelyan și colab., 2017). Cu câteva excepții, achiziția de nutrienți de către consumatorii de lemne este mediată de comunitatea lor microbiană enterică, care eliberează zaharuri asimilatoare și generează compuși azotați (Tokuda și colab., 2014; Cragg și colab., 2015).

Comunitatea bacteriană enterică a P. nigrolineatus s-a dovedit că posedă un microbiom unic, cu potențialul de a ajuta degradarea lignocelulozei și de a efectua fixarea biologică a azotului (McDonald și colab., 2012). În aceste comunități sunt incluse mai multe specii de Rhizobiales, Flavobacteriales, Legionellales, Burkholderiales și Clostridiales. Au fost identificate comunități distincte în partea din față, mijlocie și posterioară a peștilor, în ciuda oricăror caracteristici anatomice bine definite (de exemplu, sfinctere sau cecum) care delimitează aceste regiuni. O comunitate fungică diversă și distinctă locuiește și este asociată cu degradarea celulozei din tractul gastrointestinal (Marden și colab., 2017). Analizele bazate pe cultură și testele biochimice au confirmat prezența unei comunități lignocelulozolitice și diazotrofice (Watts și colab., 2013; McDonald și colab., 2015). Aceste analize sugerează că o cantitate considerabilă de hrănire metabolică microbiană poate apărea în tractul gastro-intestinal al peștilor, unde carbohidrații sunt eliberați de speciile celulolitice și consumați de utilizatorii necelulozici. În comparație cu comunitatea celulolitică, comunitatea diazotrofică enterică era mai puțin diversă și era formată din Rhizobiales și fixatori de azot cunoscuți Clostridium (McDonald și colab., 2015).

S-a demonstrat că dieta are un impact major asupra comunităților microbiene enterice de animale (David și colab., 2014; Ringø și colab., 2016). Mulți xilivori sunt foarte adaptați pentru consumul de lemn, dar păstrează o anumită capacitate de a supraviețui cu diete mai puțin refractare (Tanaka și colab., 2006; Miyata și colab., 2014). Cu toate acestea, comunitățile enterice sunt specializate și necesare procesării digestei; manipularea lor are adesea efecte dăunătoare asupra gazdei (Rosengaus și colab., 2011). Pentru unele organisme care hrănesc lemnul, comunitățile enterice par foarte stabile, unde modificările dietetice au un impact minim asupra compoziției comunității (Boucias și colab., 2013; Wang și colab., 2016). Comportamentul dublu de hrănire la peștii adulți nu este unic pentru P. nigrolineatus, dar mult mai puțin frecvente schimbărilor de dietă ontogenetică observate la alte specii de pești (Bledsoe și colab., 2016; Sánchez-Hernández și colab., 2019). Pentru a examina efectele dietei asupra unei specii de pești în principal hrănitoare cu lemn, am caracterizat microbiomii enterici ai animalelor hrănite fie cu o dietă lemnoasă, fie mixtă.

Materiale și metode

Animale, proiectare experimentală și eșantionare de țesuturi

Panaque nigrolineatus (L190) au fost achiziționate prin intermediul angrosistilor de acvariu. Peștii au fost repartizați aleatoriu în tancuri aerate, filtrate (29 ± 1 ° C) și aclimatizate timp de 3 săptămâni pe un ad libitum dieta mixta de palmier rosu (Cocos nucifera), inimi de palmier (Euterpe precatoria) și napolitane cu alge scufundate (Hikari, Hayward, CA). După aclimatizare, peștii au fost repartizați în mod aleatoriu, fie pentru o dietă mixtă, fie pentru lemn timp de 6 săptămâni. Peștelui cu dietă mixtă li s-a oferit zilnic napolitane cu alge și inimi de palmier cu acces continuu la lemn. Peștii hrăniți cu lemn au fost furnizați exclusiv cu lemn. Toate lemnele au fost autoclavizate de două ori înainte de a fi introduse în tancuri. Pentru a inhiba creșterea algelor, toți peștii au fost crescuți în condiții de lumină scăzută/fără lumină. Luminile au fost aprinse aproximativ 30 de minute în fiecare zi pentru întreținerea și alimentarea rezervorului. Au fost efectuate două studii de hrănire independente, studiul de hrănire desemnat 1 (doi pești, desemnați 1X și 1W, pentru dietele mixte (X) și respectiv lemn (W), respectiv) și studiul de hrănire 2 (șase pești, desemnați 2X, 2W, 3X, 3W, 4X și 4W). Ambele studii de hrănire au fost efectuate în condiții experimentale identice.

La încheierea experimentelor de hrănire, peștii au fost eutanasiați prin intermediul o supradoză de ester etilic al acidului 3-aminobenzoic anestezic (MS-222, 50 mg/L) și au fost imediat transferate într-o tavă de disecție răcită, unde placa corpului ventral a fost îndepărtată. Cavitatea corpului a fost umplută cu soluție salină tamponată cu fosfat steril rece (PBS) pentru a facilita îndepărtarea tractului GI. Odată ce au fost înfășurate, intestinele au fost deconectate prin tăierea la anus și chiar posterioară stomacului și măsurate pentru lungime. Intestinul a fost împărțit în trei lungimi egale care delimitează anterioară (F), mijlocie (M) și intestinală (H).

Extracția, amplificarea și secvențierea ADN-ului

tabelul 1. Lista primerilor Illumina V3-V4 modificată și numărul de citiri rezultate din cel de-al doilea studiu de hrănire 16S studiu genei ARNr.

Procesarea secvenței ADN și analiza comunității

Profilarea funcțională predictivă a comunităților microbiene

Profilarea funcțională predictivă a fost efectuată utilizând Investigația filogenetică a comunităților prin reconstrucția statelor neobservate (PICRUSt) (Langille și colab., 2013). Pentru analiza PICRUSt, toate probele au fost normalizate la 80.000 de citiri/probă înainte de preluarea OTU. OTU-urile au fost selectate folosind metoda de referință închisă împotriva gg_13_8 (dimensiunea minimă a clusterului OTU = 2; similitudinea OTU = 0,94). Tabelul BIOM rezultat a fost normalizat pentru numărul de copii ale genei ARNr 16S înainte de prezicerea funcțiilor pentru metagenomi. Pentru această analiză, s-au înregistrat ortologii KEGG (KO). KO-urile au fost prăbușite în căi (L1-L3) folosind categorize_by_function.py scenariu. Rezultatele au fost vizualizate în Rstudio (v 0.98.1083) folosind funcția heatmap.2 a pachetului gplots. Pentru a determina care OTU și eșantioane au contribuit la funcții speciale, metagenome_contributions.py a fost, de asemenea, rulat. Pentru a determina dacă profilurile funcționale diferă în funcție de regiunea țesutului sau de dietă, analiza componentelor principale (PCA) a fost efectuată pe metagenomul prezis (care nu a fost prăbușit în ierarhia KEGG) folosind pachetul ggplot2 din Rstudio.

Rezultate

Caracterizarea comunității microbiene

Comunitățile microbiene au fost analizate din regiunile tractului GI ale peștilor hrăniți cu lemn și amestecați cu diete mixte prin următoarea generație de secvențiere de amplicon 16S rRNA, iar profilurile genetice funcționale au fost apoi extrapolate folosind in Silicon metode. Cu excepția eșantioanelor foregut de la doi pești crescuți în lemn și unul pe bază de diete mixte, care nu au putut fi amplificate prin PCR, s-au generat peste 1,2 × 106 citiri de înaltă calitate pentru toate eșantioanele, iar redistribuțiile sunt prezentate în tabelul 1. Analiza rarefactiei (suplimentar Figura S1) și măsurile de diversitate alfa (Tabelul 2) au arătat că comunitățile bacteriene au fost suficient prelevate, iar secvențierea ulterioară ar fi puțin probabil să crească semnificativ diversitatea microbiană observată detectată. Bogăția speciilor a variat foarte mult între replicile studiului de hrănire, cu o reducere marcată a diversității observată în al doilea experiment de hrănire. Cu toate acestea, estimările acoperirii Good au rămas ridicate (> 0,95 pentru toate eșantioanele).

masa 2. Valorile de acoperire observate OTU, Chao1 și Good au fost calculate pentru a compara diversitatea bacteriană între diete și regiuni tisulare.