DIO 2 Regulatorni odnos između varijacije kvalitete i okoliša Cistanche Deserticola u tri ekotipa na temelju analize mikrobioma tla
Mar 03, 2022
Za više informacija kontaktirajte:Joanna.jia@wecistanche.com
korelacije između brojnosti ključne mikrobne zajednice, sadržaja PhG-a i ekoloških čimbenika.Redundantna analiza jezgre, obilja mikrobioma biomarkera, sadržaja PhG-a i ekoloških čimbenika provedena je na razini narudžbe, a ponovna analiza na temelju učinaka. Prilagođena interpretacija varijance iznosila je 82,70 posto (Tablica S7). Sphingomonadales objašnjava 45,7 posto sadržaja PhG (p=0.002). Pseudonocardiales objašnjava 22,4 posto sadržaja PhG (p=0.01). 2'-acetilakteozid je bio u značajnoj pozitivnoj korelaciji s Pseudonocardiales i Oceanospirillales te u negativnoj korelaciji sa Sphingomonadales (Sl. 5a). Ehinakozid je bio značajno pozitivan kod Sphingomonadales.
Cistancheekstrakt može spriječitiAlzheimerova bolestbolest
Provedena je korelacijska analiza za obilje biomarkera,PhGsadržaj (Sl. S3 i Tablica S5) i ekološki čimbenici (Tablica S6). Rezultati korelacijskih mreža (Sl. 5b) otkrili su da je 2'-acetilakteozid u značajnoj pozitivnoj korelaciji s Oceanospirillales, Rhizobiales i Thiotrichales, dok je u negativnoj korelaciji s Pseudonocardiales i Nitrosomonadales u svim uzorcima tla. Toplinska karta (sl. 5c–e) otkrila je da je strana stola A bila u negativnoj korelaciji s prosječnim godišnjim tlakom vodene pare u slano-alkalnomkorelacije između brojnosti ključne mikrobne zajednice, sadržaja PhG-a i ekoloških čimbenika.Suvišna analiza jezgre, obilja mikrobioma biomarkera,PhGssadržaja i ekoloških čimbenika provedena je na razini naloga, a reanaliza je napravljena na temelju učinaka. Prilagođena interpretacija varijance iznosila je 82,70 posto (Tablica S7). Sphingomonadales objašnjava 45,7 posto sadržaja PhG (p=0.002). Pseudonocardiales objašnjava 22,4 posto sadržaja PhG (p=0.01). 2'-acetilakteozid je bio u značajnoj pozitivnoj korelaciji s Pseudonocardiales i Oceanospirillales te u negativnoj korelaciji sa Sphingomonadales (Sl. 5a). Ehinakozid je bio značajno pozitivan kod Sphingomonadales.
Korelacijska analiza provedena je za biomarker abun I land. U međuvremenu, cistanozid A bio je u značajnoj pozitivnoj korelaciji s Micrococcales i u negativnoj korelaciji s Rhizobiales u slano-alkalnoj zemlji (Slika 5c). Na travnjacima je 2'-acetilakteozid bio u negativnoj korelaciji s prosječnom godišnjom temperaturom (Sl. 5d). U pjeskovitom tlu, tubulozid A bio je u negativnoj korelaciji s Nitrosomonadales (slika 5e).
prediktivna funkcija bakterijskog mikrobioma u tri ekotipa C. deserticola.Funkcionalni profili bakterijskog mikrobioma predviđeni su na temelju broja kopija gena 16S rRNA dešifriranih bakterijskih taksona pomoću Tax4Funa prema KEGG Ortholog groups (KOs). Rezultati funkcionalnog predviđanja (slika 6) pokazali su da su funkcionalni metabolizmi mikrobioma tla u tri ekotipa C. deserticola identični. Među metabolizmima, ugljikohidrati, aminokiseline, kofaktori te metabolizam vitamina i energije bili su u izobilju. Membranski transport i prijenos signala također su bili zastupljeni u obradi informacija o okolišu.
Cistancheekstrakt imaprotuupalnoSvojstva
Rasprava
Naš prethodni rad pokazao je da se psbA-turn sekvenca i 2'-acetilakteozid mogu koristiti kao molekularni i kemijski markeri za razlikovanjeC. deserticaiz Xinjianga i unutarnje Mongolije27. Istraživanjem na terenu otkrili smo da C. desertica nastanjuje uglavnom tri vrste staništa, uključujući slano-lužnato zemljište uz jezero Ebinur, pješčano zemljište oko Alexa lige i srednje pustinjske travnjake. Metabolički profili tri ekotipa C. desertica također su pokazali da se 2'-acetilakteozid može koristiti kao kemijski marker za razlikovanje tri ekotipa1. Raspravljali smo o varijacijama kvalitete C. deserticola i mehanizmu njezinog formiranja s obzirom na nasljeđe, metabolizam i klimatske čimbenike. Stoga, iz mikro perspektive, analiza korelacijske mreže
obilje mikrobioma,PhGsSadržaji i ekološki čimbenici provedeni su kako bi se razjasnila značajka mikrobne zajednice tla tri ekotipaC. deserticolai njihov odnos s varijacijom kvalitete.
voda. Štoviše, Bacillalescan proizvodi bogate metaboličke proizvode za sintetiziranje raznih organskih kiselina, enzima, fizioloških aktivnosti i drugih tvari, kao i raznih drugih hranjivih tvari koje se lako mogu iskoristiti33. Zajedničke karakteristike okoliša triju ekotipa C. deserticolasu suša i dezertifikacija tla. Tlo oko jezera Ebinur također je praćeno slano-alkalnim stresom. To bi mogao biti razlog zašto osnovne mikrobne zajednice triju ekotipa tla imaju određene karakteristike suše, otpornosti na sol, otpornosti na alkalije i otpornosti na stres.
Cistancheekstrakt može odoljetiradijacija
Mikrobni čimbenici koji utječu na varijaciju PhG u tri ekotipa C. deserticola.Slika S3 prikazuje okvirni dijagram PhG sadržaja tri ekotipa C. deserticola. Slika otkriva da je sadržaj 2′-acetilakteozida viši u slano-alkalnom zemljištu nego u travnjacima i pjeskovitom zemljištu, što je u skladu s prethodnim rezultatima1. Suvišna analiza i rezultati mreže asocijacija pokazuju da je Oceanospirillales u značajnoj pozitivnoj korelaciji s 2'-acetilakteozidom. Oceanospirillales, najviši biomarker u smislu LDA rezultata u slano-alkalnom zemljištu, posebno su obogaćeni. Ove su bakterije metabolički i morfološki raznolike, od kojih neke mogu rasti u prisutnosti kisika, dok druge zahtijevaju anaerobno okruženje34. Oceanospirillales su red Proteobacteria koji se sastoji od dvije porodice. Morski spirilum često je endosimbiont crva koji jedu kosti (Osedax)35. Većina Oceanospirillales preferira ili zahtijeva visoku koncentraciju soli za rast. Unatoč njihovom rastu u različitim nišama, Oceanospirillales crpe energiju iz razgradnje raznih organskih proizvoda. Stoga su visoki salinitet i alkalnost glavni razlozi za obogaćivanje Oceanospirillales u slano-alkalnom kopnenom tlu. Ovaj rezultat snažno sugerira da je najveći sadržaj 2'-acetilakteozida u slanoj lužini povezan s obogaćivanjem Oceanospirillales. Međutim, regulatorni odnos između Oceanospirillales i 2'-acetilakteozida je još uvijek prazan i potrebna su daljnja istraživanja.
Ukupni sadržaji sedam PhG-ova najviši su na travnjacima, među kojima je ehinakozid dominantan PhG-ov. Ehinakozid je u značajnoj pozitivnoj korelaciji sa Sphingomonadales, koji je niz unutar alfa-proteusa i čini obitelj Erythrobacteraceae i Sphingomonadaceae. Obje su porodice česte u prirodi, posebno u tlu, oceanima i slatkoj vodi36. Sphingomonadales ima širok raspon metaboličkih kapaciteta za aromatske spojeve, a neki sojevi mogu sintetizirati vrijedne izvanstanične biopolimere37. Svi dosad poznati članovi klase Sphingomonas su aerobni i kemijski organski. Jedina iznimka je fakultativni anaerobni fermentor etanola, koji se koristi za proizvodnju fermentirane pulpe pića. Određene vrste iz roda Rhodobacter, porphyrin i Staphylococcus aureus, kao i određene vrste iz roda Sphingomonas, imaju klorofil a i stoga su izborni foto-organotrofi (energija generirana fotosintezom)38. Najbolja kvaliteta C. deserticola na travnjacima može se zahvaliti bogatoj raznolikosti mikrobne zajednice i metaboličkim funkcijama biomarkera (Sphingomonadales). Ovo otkriće daje novi uvid u studiju o varijacijama kvalitete C. deserticola u različitim ekotipovima.
Predviđanje profila metaboličke funkcije mikrobioma tla triju ekotipa C. deserticola.Profili metaboličke funkcije (slika 6 i datoteka S1) mikrobioma tla C. deserticola u tri ekotipa prikazani su po prvi put u ovoj studiji. Što se tiče metabolizma, metabolizam ugljikohidrata (metabolizam škroba i saharoze, ko00500; metabolizam amino šećera i nukleotidnih šećera, ko00520) i metabolizam aminokiselina (metabolizam arginina i prolina, ko00330; metabolizam glicina, serina i treonina, ko00260) visoko su obogaćeni mikrobiomima. Metabolizam ugljikohidrata odgovoran je za stvaranje, razgradnju i pretvorbu ugljikohidrata u tijelu. Ugljikohidrati su osnova mnogih važnih metaboličkih putova39. Ugljikohidrati poput glukoze dio su višestrukih metaboličkih putova među vrstama. Ugljikohidrate sintetiziraju biljke iz atmosfere fotosintezom i mogu se koristiti kao supstrati za stanično disanje40. Biljke i mikroorganizmi apsorbiraju amonijak, amonijevu sol, nitrit, nitrat i drugi anorganski dušik iz okoliša kako bi sintetizirali proteine i tvari koje sadrže dušik. Neki mikrobi mogu pretvoriti N2 iz zraka u amonijačni dušik za sintetiziranje aminokiselina41. Metabolička funkcija mikrobioma tla obogaćena je primarnim metabolizmom. Ovo obogaćivanje sugerira da mikrobiomi mogu osigurati prehranu biljkama i pospješiti njihov rast tijekom suše i drugih stresova.
Profili metaboličke funkcije također su pokazali da su u obradi informacija o okolišu membranski transport (ABC transporteri, ko02010) i prijenos signala (dvokomponentni sustav, ko02020) visoko obogaćeni mikrobiomima. Membranski transport skup je mehanizama koji reguliraju prolaz otopljenih tvari, poput iona i malih molekula, kroz biofilm, koji je dvosloj lipida ugrađenih u proteine. Regulacija prolaska kroz membrane pripisuje se propusnosti selektivnih membrana, svojstvu biofilmova koja omogućuje odvajanje tvari različitih kemijskih svojstava. Drugim riječima, ove membrane mogu biti propusne za neke tvari, ali ne i za druge42. Među tim membranama, put transportera ABC bio je visoko obogaćen mikrobiomima tla. Transporteri ATP-vezne kutije (ABC) univerzalno postoje u mikroorganizmima kao što su bakterije i jedna su od najvećih obitelji proteina danas poznatih. Ovi transporteri vežu ATP hidrolizu za sudjelovanje u aktivnom transportu raznih supstrata kao što su ioni, peptidi, lipidi, lijekovi, šećeri, proteini i steroli. Struktura ABC transportera u prokariota obično se sastoji od tri dijela. Općenito, svaki od dva netaknuta membranska proteina ima šest transmembranskih fragmenata: dva periferna proteina koji vežu i hidroliziraju ATP i jedan periferni (ili lipoproteinski) supstrat veznog proteina. Kao što je uočeno u genomima mnogih bakterija i arheja, mnogi geni ove tri komponente tvore operone43. Suša, salinitet i lužnati stres promicali su membransku transportnu funkciju, posebice poboljšanje aktivne transportne funkcije mikrobioma tla.
Transdukcija signala je proces u kojem se kemijski ili fizički signal prenosi kroz stanicu kao niz molekularnih događaja. Najčešća je fosforilacija proteina katalizirana protein kinazom. Dvokomponentni sustav je signalni put koji regulira mnoge karakteristike bakterija, kao što su toksičnost, patogenost, simbioza, pokretljivost, apsorpcija hranjivih tvari, proizvodnja sekundarnih metabolita, metabolička regulacija i dioba stanica. Ovi sustavi reguliraju fiziološke procese na temelju okolišnih ili staničnih parametara, omogućujući im prilagodbu promjenjivim uvjetima44. Transdukciju signala mikrobioma tla pospješila je suša ili slano-alkalijski stres.
CistancheEkstrakt možeAntioksidans
zaključak
Ovo istraživanje je prvo koje predstavlja mikrobiome tla tri ekotipa C. deserticola. Dobiveni su sljedeći zaključci: (1) mikrobna zajednica tla na travnjacima je najzastupljenija među sva tri staništa. (2) Također su određeni biomarkeri triju ekotipa: Oceanospirillales (slano-alkalno zemljište), Sphingomonadales (travnjaci) i Propionibacteriales (pješkovita tla). (3) Analiza jezgre mikrobioma pokazala je da su mikrobne zajednice C. deserticola u tlu uglavnom imale sušu, otpornost na sol, otpornost na alkalije i otpornost na stres, kao što su Micrococcales i Bacillales. (4) Analiza korelacije pokazala je da je 2'-acetilakteozid u pozitivnoj korelaciji s Oceanospirillales, a ehinakozid u značajnoj pozitivnoj korelaciji s Sphingomonadales. (5) Tax4Fun predviđa da su profili metaboličkih funkcija triju ekotipa mikrobioma tla obogaćeni metabolizmom i obradom informacija o okolišu.
Reference
1. Zheng, S., Jiang, X., Wu, L., Wang, Z. i Huang, L. Kemijska i genetska diskriminacija cistanches herba na temelju UPLC-QTOF/MS i DNA barkodiranja. Plus One 9, e98061 (2014).
2. Li, Z. i sur. Ekološko modeliranje Cistanche deserticola YC Ma u Alxa, Kina. Znanstvena izvješća 9, 13134, https://doi.org/10.1038/ s41598-019-48397-6 (2019).
3. Joseph, E. et al. Struktura, varijacije i sklop mikrobioma riže povezanih s korijenom. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112, E911 (2015).
4. Jansson, JK & Hofmockel, KS Mikrobiom tla i klimatske promjene. Recenzije prirode. Mikrobiologija, https://doi.org/10.1038/ s41579-019-0265-7 (2019).
5. Wang, X. i sur. Usporedba kemijskih profila i antioksidativnih aktivnosti različitih dijelova kultivirane Cistanche deserticola korištenjem ultraučinkovite tekućinske kromatografije-kvadrupolne Time-of-Flight masene spektrometrije i testa na bazi 1,1-difenil-2- pikrilhidrazila. Molecules 22, 2011 (2017).
6. Yang, L. i sur. Povoljni učinci ukupne frakcije feniletanoidnog glikozida izolirane iz Cistanche deserticola na mikrostrukturu kostiju u ovarijektomiranih štakora. Oksidativna medicina i stanična dugovječnost 2019, 2370862, https://doi. org/10.1155/2019/2370862 (2019).
7. Liu, W. i sur. Od neciljane strategije zasnovane na (1)H NMR-u do ciljane strategije metabolomike zasnovane na LC-MS za dubinske usporedbe kamilice između četiri vrste Cistanche. Časopis za farmaceutsku i biomedicinsku analizu 162, 16–27, https://doi.org/10.1016/j. jpba.2018.09.013 (2019).
8. Chen, H. i sur. Osnovni mikrobiom sjemena ljekovite biljke Salvia miltiorrhiza: bogat rezervoar korisnih mikroba za sekundarni metabolizam? International Journal of Molecular Sciences 19, 672 (2018).
9. Sonnenburg, JL & Backhed, F. Interakcije prehrane i mikrobiote kao moderatori ljudskog metabolizma. Nature 535, 56–64, https://doi. org/10.1038/nature18846 (2016).
10. Ju, F. & Zhang, T. 16S rRNA gen visoko propusno sekvenciranje podataka rudarenja mikrobne raznolikosti i interakcija. Primijenjena mikrobiologija i biotehnologija 99, 4119–4129 (2015).
11. Cui, J.-L., Vijayakumar, V. & Zhang, G. Podjela skupova gljivičnih endofita u korijenskoj parazitskoj biljci Cynomorium songaricum i njenom domaćinu Nitraria tangutorum. Frontiers in microbiology 9, 666 (2018).
12. Fan, P., Liu, P., Song, P., Chen, X. i Ma, X. Umjerena restrikcija proteina u prehrani mijenja sastav crijevne mikrobiote i poboljšava funkciju ilealne barijere u modelu odrasle svinje. Znanstvena izvješća 7, 43412 (2017).
13. Munyaka, PM i sur. Mo1774 Prenatalno liječenje antibioticima povećava osjetljivost potomaka na eksperimentalni kolitis: uloga crijevne mikrobiote. Plus jedan 10, e0142536 (2015).
14. Zhao, Y. i sur. Učinak intenziteta miješanja na performanse i mikrobnu dinamiku jednog vertikalnog reaktora koji integrira acidogene i metanogene faze u digestiji lignocelulozne biomase. Tehnologija bioresursa 238, 542–551 (2017).
15. Cole, JR i sur. Projekt ribosomske baze podataka: poboljšana usklađivanja i novi alati za analizu rRNA. (2009).
16. Edgar, RC UPARSE: vrlo precizne OTU sekvence iz mikrobnih amplikona čitanja. Nature Methods 10, 996 (2013).
17. Yu, W. i sur. Usporedba razina bakterijske raznolikosti u slatkoj vodi, međuplimnim močvarama i morskim sedimentima korištenjem milijuna Illumina oznaka. Applied & Environmental Microbiology 78, 8264 (2012).
18. Jiang, XT i sur. Illumina sekvenciranje 16S rRNA oznake otkrilo je prostorne varijacije bakterijskih zajednica u močvarnom području mangrova. Microbial Ecology 66, 96–104 (2013).
19. Sanner, MF Python: programski jezik za integraciju i razvoj softvera. Časopis za molekularnu grafiku i modeliranje
17, 57–61 (1999).
20. Caporaso, JG i sur. QIIME omogućuje analizu podataka sekvenciranja zajednice visoke propusnosti. Nat Methods 7, 335–336, https://doi. org/10.1038/nmeth.f.303 (2010).
21. Chong, J., Liu, P., Zhou, G. & Xia, J. Korištenje MicrobiomeAnalysta za sveobuhvatnu statističku, funkcionalnu i meta-analizu podataka mikrobioma. Protokoli prirode, 1–23 (2020.).
22. Dhariwal, A. et al. MicrobiomeAnalyst: web-bazirani alat za sveobuhvatnu statističku, vizualnu i meta-analizu podataka mikrobioma. Istraživanje nukleinskih kiselina 45, W180-W188 (2017).
23. Šmilauer, P. & Lepš, J. Multivarijatna analiza ekoloških podataka korištenjem CANOCO 5. (Cambridge university press (2014).
24. Shannon, P. et al. Cytoscape: softversko okruženje za integrirane modele biomolekularnih interakcijskih mreža. Istraživanje genoma 13, 2498-2504 (2003).
25. Asshauer, KP, Wemheuer, B., Daniel, R. & Meinicke, P. Tax4Fun: predviđanje funkcionalnih profila iz metagenomskih podataka 16S rRNA. Bioinformatics (Oxford, Engleska) 31, 2882–2884, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv287 (2015).
26. Koo, H. i sur. Usporedba dvaju bioinformatičkih alata korištenih za karakterizaciju mikrobne raznolikosti i prediktivnih funkcionalnih svojstava mikrobnih prostirki iz jezera Obersee, Antarktika. Časopis za mikrobiološke metode 140, 15–22 (2017).
27. Huang, L., Zheng, S., Wu, L., Jiang, X. i Chen, S. Ekotipovi Cistanche deserticola na temelju kemijskog sastava i molekularnih svojstava. Scientia Sinica Vitae 44, 318–328 (2014).
28. Gabriele, B. & Kornelia, S. Biljne vrste i tip tla zajednički oblikuju strukturu i funkciju mikrobnih zajednica u rizosferi. Fems Microbiology Ecology 68, 1–13 (2010).
29. Parte, AC LPSN–popis prokariotskih imena s mjestom u nomenklaturi. Istraživanje nukleinskih kiselina 42, 613–616 (2014).
30. Pirog, T., Grinberg, T. & Malashenko, YR Zaštitne funkcije egzopolisaharida koje proizvodi Acinetobacter sp. Microbiology (New York, NY) 66, 279-283 (1997).
31. Liu, Y.-H. et al. Raznolikost, distribucija zajednice i aktivnosti poticanja rasta endofita povezanih s halofitom Lycium ruthenicum Murr. 3 Biotech 9, 144 (2019).
32. Staley, Bryant, Pfennig, Holt & JG Bergeyjev priručnik za sustavnu bakteriologiju - svezak 4. Bergeysov priručnik za sustavnu bakteriologiju 38, 89–100 (1989).
33. Pasqua, RD i sur. Utjecaj različitih izvora lignoceluloze na ekspresiju gena endo-1,4- -glukanaze i enzimatsku aktivnost Bacillus amyloliquefaciens B31C. Bioresursi 9 (2014).
34. Pot, B. & Gillis, M. Oceanospirillum. (2015).
35. Euzeby, JP Popis bakterijskih naziva sa stajalištem u nomenklaturi: mapa dostupna na internetu. International journal of systematic bacteriology 47, 590–592, https://doi.org/10.1099/00207713-47-2-590 (1997).
36. Balkwill, DL, Fredrickson, JK & Romine, MF Sphingomonas i srodni rodovi. Prokarioti 7, 605-629 (2003).
37. Takeuchi, M., Hamana, K. & Hiraishi, A. Prijedlog roda Sphingomonas sensu stricto i tri nova roda, Sphingobium, Novosphingobium i Sphingopyxis, na temelju filogenetske i kemotaksonomske analize. Međunarodni časopis za sustavnu i evolucijsku mikrobiologiju 51, 1405–1417 (2001).
38. Saori, S. i Akira, H. Novosphingobium naphthalenivorans sp. nov., bakterija koja razgrađuje naftalen izolirana iz okoliša kontaminiranih polikloriranim dioksinom. Journal of General & Applied Microbiology 53, 221-228 (2007).
39. Alánt, O., Pulay, I., Esztergályos, J. & Bodnár, A. Učinak operacije na metabolizam ugljikohidrata. Acta Chirurgica Academiae Scientiarum Hungaricae 16, 307 (1975).
40. Gray, GM Probava i apsorpcija ugljikohidrata. Encyclopedia of Gastroenterology 58, 275–278 (2004).
41. Coon, MJ & Robinson, WG Metabolizam aminokiselina. (2003).
42. Purves, WK, Orians, G., Heller, C. i Sadava, D. Vida, LaCiencia de la Biología. 8ª izdanje. Panamericana (2009).
43. Schneider, E. & Hunke, S. ATP-vezujući kazeta (ABC) transportni sustavi: Funkcionalni i strukturni aspekti ATP-hidrolizirajućih podjedinica/domena. Fems Microbiology Reviews 22, 1-20 (1998).
44. Kleerebezem, M., Quadri, LE, Kuipers, OP & Vos, WM De. Osjećaj kvoruma pomoću peptidnih feromona i dvokomponentnih sustava za prijenos signala u Gram-pozitivnih bakterija. Molecular Microbiology 24, 895–904 (2010).
