2. DEL Regulativno razmerje med variacijo kakovosti in okoljem Cistanche Deserticola v treh ekotipih na podlagi analize talnega mikrobioma
Mar 03, 2022
Za več informacij se obrnite na:Joanna.jia@wecistanche.com
korelacije med številčnostjo ključne mikrobne skupnosti, vsebnostjo PhG in ekološkimi dejavniki.Redundantna analiza jedra, številčnosti mikrobioma biomarkerjev, vsebnosti PhG in ekoloških dejavnikov je bila izvedena na ravni naročila, ponovna analiza pa je bila izvedena na podlagi učinkov. Prilagojena interpretacija variance je bila 82,70 odstotka (tabela S7). Sphingomonadales je pojasnil 45,7 odstotka vsebnosti PhG (p=0.002). Pseudonocardiales je pojasnil 22,4 odstotka vsebnosti PhG (p=0.01). 2'-acetilakteozid je bil pomembno pozitivno povezan s Pseudonocardiales in Oceanospirillales ter negativno povezan s Sphingomonadales (slika 5a). Ehinakozid je bil izrazito pozitiven pri Sphingomonadales.
Cistancheizvleček lahko preprečiAlzheimerjeva bolezenbolezen
Korelacijska analiza je bila izvedena za številčnost biomarkerjev,PhGvsebine (slika S3 in tabela S5) in ekološki dejavniki (tabela S6). Rezultati korelacijskih mrež (slika 5b) so razkrili, da je bil 2'-acetilakteozid pomembno pozitivno povezan z Oceanospirillales, Rhizobiales in Thiotrichales, medtem ko je bil v negativni korelaciji s Pseudonocardiales in Nitrosomonadales v vseh vzorcih tal. Toplotni zemljevid (sl. 5c–e) je pokazal, da je bila stran mize A v negativni korelaciji s povprečnim letnim tlakom vodne pare v slano-alkalnemkorelacije med številčnostjo ključne mikrobne skupnosti, vsebnostjo PhG in ekološkimi dejavniki.Redundantna analiza številčnosti jedra, biomarkerskega mikrobioma,PhGsvsebine, ekoloških dejavnikov pa je bila izvedena na nivoju naročila, ponovna analiza pa na podlagi učinkov. Prilagojena interpretacija variance je bila 82,70 odstotka (tabela S7). Sphingomonadales je pojasnil 45,7 odstotka vsebnosti PhG (p=0.002). Pseudonocardiales je pojasnil 22,4 odstotka vsebnosti PhG (p=0.01). 2'-acetilakteozid je bil pomembno pozitivno povezan s Pseudonocardiales in Oceanospirillales ter negativno povezan s Sphingomonadales (slika 5a). Ehinakozid je bil izrazito pozitiven pri Sphingomonadales.
Korelacijska analiza je bila izvedena za biomarker abun I land. Medtem je bil cistanozid A pomembno pozitivno koreliran z Micrococcales in negativno koreliran z Rhizobiales v slano-alkalnem zemljišču (slika 5c). Na travinju je bil 2'-acetilakteozid negativno povezan s povprečno letno temperaturo (slika 5d). V peščeni zemlji je bil tubulozid A negativno povezan z Nitrosomonadales (slika 5e).
napovedna funkcija bakterijskega mikrobioma v treh ekotipih C. deserticola.Funkcionalni profili bakterijskega mikrobioma so bili predvideni na podlagi števila kopij gena 16S rRNA dešifriranih bakterijskih taksonov z uporabo Tax4Fun v skladu s skupinami KEGG Ortholog (KO). Rezultati funkcionalne napovedi (slika 6) so pokazali, da so bili funkcionalni metabolizmi talnih mikrobiomov v treh ekotipih C. deserticola enaki. Med metabolizmi je bilo veliko ogljikovih hidratov, aminokislin, kofaktorjev ter vitaminov in energije. Membranski transport in signalna transdukcija sta bila prav tako bogata pri obdelavi okoljskih informacij.
Cistancheizvleček imaprotivnetnolastnosti
Diskusija
Naše prejšnje delo je pokazalo, da se lahko psbA-turn sekvenca in 2'-acetilakteozid uporabita kot molekularna in kemična markerja za razlikovanjeC. deserticaiz Xinjianga in Notranje Mongolije27. S terenskimi raziskavami smo ugotovili, da C. desertica naseljuje predvsem tri vrste habitatov, vključno s slano-alkalnimi zemljišči ob jezeru Ebinur, peščenimi zemljišči okoli lige Alexa in vmesnimi puščavskimi travišči. Presnovni profili treh ekotipov C. desertica so tudi pokazali, da se lahko 2'-acetilakteozid uporablja kot kemični marker za razlikovanje treh ekotipov1. Razpravljali smo o variaciji kakovosti C. deserticola in mehanizmu njenega nastajanja glede na dimenzije dednosti, metabolizma in podnebnih dejavnikov. Zato je z mikro perspektive analiza korelacijske mreže
številčnost mikrobioma,PhGsVsebnost in ekološki dejavniki so bili izvedeni, da bi pojasnili značilnosti talne mikrobne skupnosti treh ekotipovC. deserticolain njihov odnos z variacijo kakovosti.
vodo. Poleg tega Bacillalescan proizvaja bogate presnovne produkte za sintetiziranje različnih organskih kislin, encimov, fizioloških aktivnosti in drugih snovi ter različnih drugih hranil, ki jih je mogoče enostavno uporabiti33. Skupne okoljske značilnosti treh ekotipov C. deserticolasta suša in dezertifikacija tal. Tla okoli jezera Ebinur spremljajo tudi slano-alkalne obremenitve. To je lahko razlog, da imajo osrednje talne mikrobne skupnosti treh ekotipov določene značilnosti suše, tolerance na sol, odpornosti na alkalije in odpornosti na stres.
Cistancheekstrakt se lahko upresevanje
Mikrobni dejavniki, ki vplivajo na variacijo PhG v treh ekotipih C. deserticola.Slika S3 prikazuje okvirni diagram vsebnosti PhG treh ekotipov C. deserticola. Slika razkriva, da je vsebnost 2′-acetilakteozida višja v slano-alkalnem zemljišču kot v travnatih in peščenih zemljiščih, kar je skladno s prejšnjimi rezultati1. Redundantna analiza in rezultati asociacijske mreže kažejo, da je Oceanospirillales pomembno pozitivno povezan z 2'-acetilakteozidom. Oceanospirillales, najvišji biomarker v smislu ocene LDA v slano-alkalnem zemljišču, so posebej obogateni. Te bakterije so presnovno in morfološko raznolike, nekatere od njih lahko rastejo v prisotnosti kisika, druge pa potrebujejo anaerobno okolje34. Oceanospirillales so red proteobakterij, ki obsega dve družini. Morski spiril je pogosto endosimbiont črvov, ki jedo kosti (Osedax)35. Večina Oceanospirillales raje ali potrebuje visoke koncentracije soli za rast. Kljub svoji rasti v različnih nišah Oceanospirillales črpajo energijo iz razgradnje različnih organskih produktov. Zato sta visoka slanost in alkalnost glavni razlog za obogatitev Oceanospirillales v slano-alkalnih kopnih tleh. Ta rezultat močno nakazuje, da je najvišja vsebnost 2′-acetilakteozida v fiziološki raztopini-alkaliji povezana z obogatitvijo Oceanospirillales. Vendar je regulativni odnos med Oceanospirillales in 2'-acetilakteozidom še vedno prazen in potrebne so nadaljnje raziskave.
Skupna vsebnost sedmih PhG je najvišja na travinju, med katerimi prevladuje ehinakozid. Echinacoside je pomembno pozitivno povezan s Sphingomonadales, ki je zaporedje znotraj alfa-proteusa in sestavlja družino Erythrobacteraceae in Sphingomonadaceae. Obe družini sta pogosti v naravi, zlasti v tleh, oceanih in sladki vodi36. Sphingomonadales ima široko paleto presnovnih zmogljivosti za aromatične spojine in nekateri sevi lahko sintetizirajo dragocene zunajcelične biopolimere37. Vsi prej znani člani razreda Sphingomonas so aerobni in kemično organski. Edina izjema je fakultativni anaerobni etanolni fermentor, ki se uporablja za proizvodnjo fermentirane pulpe pijač. Določene vrste iz rodu Rhodobacter, porfirin in Staphylococcus aureus ter nekatere vrste iz rodu Sphingomonas imajo klorofil a in so zato neobvezni fotoorganotrofi (energija, ustvarjena s fotosintezo)38. Najboljša kakovost C. deserticola na travinju je morda posledica bogate raznolikosti mikrobne skupnosti in funkcij biomarkerja (Sphingomonadales), povezanih s presnovo. Ta ugotovitev zagotavlja nov vpogled v študijo o variaciji kakovosti C. deserticola v različnih ekotipih.
Profili napovedi presnovne funkcije talnih mikrobiomov treh ekotipov C. deserticola.V tej študiji so bili prvič prikazani profili presnovne funkcije (slika 6 in datoteka S1) talnih mikrobiomov C. deserticola v treh ekotipih. Kar zadeva presnovo, sta presnova ogljikovih hidratov (presnova škroba in saharoze, ko00500; presnova aminosladkorja in nukleotidnega sladkorja, ko00520) in presnova aminokislin (presnova arginina in prolina, ko00330; presnova glicina, serina in treonina, ko00260) zelo bogata z mikrobiomov. Presnova ogljikovih hidratov je odgovorna za nastanek, razgradnjo in pretvorbo ogljikovih hidratov v telesu. Ogljikovi hidrati so osnova številnih pomembnih presnovnih poti39. Ogljikovi hidrati, kot je glukoza, so del več presnovnih poti pri vrstah. Ogljikove hidrate sintetizirajo rastline iz ozračja s fotosintezo in se lahko uporabljajo kot substrati za celično dihanje40. Rastline in mikroorganizmi absorbirajo amoniak, amonijevo sol, nitrit, nitrat in drug anorganski dušik iz okolja, da sintetizirajo beljakovine in snovi, ki vsebujejo dušik. Nekateri mikrobi lahko pretvorijo N2 iz zraka v dušik iz amonijaka, da sintetizirajo aminokisline41. Presnovna funkcija talnih mikrobiomov je bila obogatena s primarnim metabolizmom. Ta obogatitev nakazuje, da lahko mikrobiomi zagotovijo prehrano rastlinam in spodbujajo njihovo rast v suši in drugih stresih.
Profili presnovne funkcije so tudi pokazali, da sta pri obdelavi okoljskih informacij membranski transport (transporterji ABC, ko02010) in transdukcija signala (dvokomponentni sistem, ko02020) zelo obogatena z mikrobiomi. Membranski transport je skupek mehanizmov, ki uravnavajo prehod raztopljenih snovi, kot so ioni in majhne molekule, skozi biofilm, ki je dvosloj lipidov, vgrajenih v beljakovine. Regulacijo prehajanja membran pripisujemo prepustnosti selektivnih membran, lastnosti biofilmov, ki omogoča ločevanje snovi z različnimi kemijskimi lastnostmi. Z drugimi besedami, te membrane so lahko prepustne za nekatere snovi, za druge pa ne42. Med temi membranami je bila transportna pot ABC zelo obogatena z mikrobiomi v tleh. Transporterji ATP-binding box (ABC) so povsod prisotni v mikroorganizmih, kot so bakterije, in so ena največjih beljakovinskih družin, ki so danes znane. Ti prenašalci vežejo hidrolizo ATP, da sodelujejo pri aktivnem transportu različnih substratov, kot so ioni, peptidi, lipidi, zdravila, sladkorji, beljakovine in steroli. Struktura transporterjev ABC pri prokariontih je običajno sestavljena iz treh delov. Na splošno imata dva nedotaknjena membranska proteina vsak šest transmembranskih fragmentov: dva periferna proteina, ki vežeta in hidrolizirata ATP, in en periferni (ali lipoproteinski) substrat veznega proteina. Kot opažamo v genomih mnogih bakterij in arhej, številni geni teh treh komponent tvorijo operone43. Suša, slanost in alkalijski stres so spodbujali membransko transportno funkcijo, zlasti izboljšanje aktivne transportne funkcije talnih mikrobiomov.
Transdukcija signala je proces, pri katerem se kemični ali fizični signal prenaša skozi celico kot niz molekularnih dogodkov. Najpogostejša je fosforilacija proteinov, katalizirana s protein kinazo. Dvokomponentni sistem je signalna pot, ki uravnava številne značilnosti bakterij, kot so toksičnost, patogenost, simbioza, gibljivost, absorpcija hranil, proizvodnja sekundarnih metabolitov, presnovna regulacija in delitev celic. Ti sistemi uravnavajo fiziološke procese na podlagi okoljskih ali celičnih parametrov, kar jim omogoča prilagajanje spreminjajočim se razmeram44. Transdukcijo signala talnih mikrobiomov je spodbujala suša ali slano-alkalni stres.
CistancheIzvleček Canantioksidant
sklep
Ta študija je prva, ki predstavlja mikrobiome tal treh ekotipov C. deserticola. Pridobljeni so naslednji zaključki: (1) združba talnih mikrobov na travinju je najštevilčnejša med tremi habitati. (2) Določeni so bili tudi biomarkerji treh ekotipov: Oceanospirillales (slano-alkalna zemljišča), Sphingomonadales (travniki) in Propionibacteriales (peščena zemljišča). (3) Analiza jedra mikrobioma je pokazala, da so mikrobne skupnosti C. deserticola v tleh večinoma imele sušo, toleranco na sol, odpornost na alkalije in odpornost na stres, kot sta Micrococcales in Bacillales. (4) Korelacijska analiza je pokazala, da je 2′-acetilakteozid v pozitivni korelaciji z Oceanospirillales in da je ehinakozid v pomembni pozitivni korelaciji s Sphingomonadales. (5) Tax4Fun napoveduje, da so profili presnovnih funkcij treh ekotipov talnega mikrobioma obogateni s presnovo in obdelavo informacij o okolju.
Reference
1. Zheng, S., Jiang, X., Wu, L., Wang, Z. & Huang, L. Kemična in genetska diskriminacija cistanches herba na podlagi UPLC-QTOF/MS in črtnega kodiranja DNK. Plus ena 9, e98061 (2014).
2. Li, Z. et al. Ekološko modeliranje Cistanche deserticola YC Ma v Alxi na Kitajskem. Znanstvena poročila 9, 13134, https://doi.org/10.1038/ s41598-019-48397-6 (2019).
3. Joseph, E. et al. Struktura, variacije in sestava mikrobiomov riža, povezanih s koreninami. Zbornik Nacionalne akademije znanosti Združenih držav Amerike 112, E911 (2015).
4. Jansson, JK & Hofmockel, KS Mikrobiom tal in podnebne spremembe. Pregledi narave. Mikrobiologija, https://doi.org/10.1038/ s41579-019-0265-7 (2019).
5. Wang, X. et al. Primerjava kemijskih profilov in antioksidativnih aktivnosti različnih delov kultivirane Cistanche deserticola z ultra zmogljivo tekočinsko kromatografijo-kvadrupolno časovno-preletno masno spektrometrijo in testom na osnovi 1,1-difenil-2- pikrilhidrazila. Molekule 22, 2011 (2017).
6. Yang, L. et al. Koristni učinki skupne frakcije feniletanoidnega glikozida, izolirane iz Cistanche deserticola, na mikrostrukturo kosti pri podganah z ovariektomijo. Oksidativna medicina in celična dolgoživost 2019, 2370862, https://doi. org/10.1155/2019/2370862 (2019).
7. Liu, W. et al. Od neciljane strategije na osnovi (1)H NMR do ciljane strategije metabolomike na osnovi LC-MS za poglobljene primerjave kamilice med štirimi vrstami Cistanche. Časopis za farmacevtsko in biomedicinsko analizo 162, 16–27, https://doi.org/10.1016/j. jpba.2018.09.013 (2019).
8. Chen, H. et al. Osnovni mikrobiom semena zdravilne rastline Salvia miltiorrhiza: Bogat rezervoar koristnih mikrobov za sekundarni metabolizem? International Journal of Molecular Sciences 19, 672 (2018).
9. Sonnenburg, JL & Backhed, F. Interakcije med prehrano in mikrobioto kot moderatorji človeškega metabolizma. Narava 535, 56–64, https://doi. org/10.1038/nature18846 (2016).
10. Ju, F. & Zhang, T. Rudarjenje podatkov mikrobne raznolikosti in interakcij z visoko zmogljivim sekvenciranjem gena 16S rRNA. Uporabna mikrobiologija in biotehnologija 99, 4119–4129 (2015).
11. Cui, J.-L., Vijayakumar, V. & Zhang, G. Razdelitev združb glivičnih endofitov v koreninski parazitski rastlini Cynomorium songaricum in njenem gostitelju Nitraria tangutorum. Meje v mikrobiologiji 9, 666 (2018).
12. Fan, P., Liu, P., Song, P., Chen, X. & Ma, X. Zmerna omejitev prehranskih beljakovin spremeni sestavo črevesne mikrobiote in izboljša funkcijo ilealne pregrade pri modelu odraslih prašičev. Znanstvena poročila 7, 43412 (2017).
13. Munyaka, PM et al. Mo1774 Prenatalno antibiotično zdravljenje poveča dovzetnost potomcev za eksperimentalni kolitis: vloga črevesne mikrobiote. Plus ena 10, e0142536 (2015).
14. Zhao, Y. et al. Vpliv intenzivnosti mešanja na delovanje in mikrobno dinamiko enega samega navpičnega reaktorja, ki združuje acidogene in metanogene faze pri presnovi lignocelulozne biomase. Tehnologija bioloških virov 238, 542–551 (2017).
15. Cole, JR et al. Projekt ribosomske baze podatkov: izboljšane poravnave in nova orodja za analizo rRNA. (2009).
16. Edgar, RC UPARSE: zelo natančne sekvence OTU iz odčitkov mikrobnih pomnožev. Nature Methods 10, 996 (2013).
17. Yu, W. et al. Primerjava stopenj bakterijske raznovrstnosti v sladki vodi, medplimskih mokriščih in morskih usedlinah z uporabo milijonov oznak Illumina. Applied & Environmental Microbiology 78, 8264 (2012).
18. Jiang, XT et al. Sekvenciranje oznake 16S rRNA Illumina je razkrilo prostorske variacije bakterijskih skupnosti v mokrišču mangrov. Mikrobna ekologija 66, 96–104 (2013).
19. Sanner, MF Python: programski jezik za integracijo in razvoj programske opreme. Journal of Molecular Graphics & Modeling
17, 57–61 (1999).
20. Caporaso, JG et al. QIIME omogoča analizo visoko zmogljivih podatkov o zaporedju skupnosti. Nat Methods 7, 335–336, https://doi. org/10.1038/nmeth.f.303 (2010).
21. Chong, J., Liu, P., Zhou, G. & Xia, J. Uporaba MicrobiomeAnalyst za celovito statistično, funkcionalno in meta-analizo podatkov mikrobioma. Nature Protocols, 1–23 (2020).
22. Dhariwal, A. et al. MicrobiomeAnalyst: spletno orodje za celovito statistično, vizualno in metaanalizo podatkov mikrobioma. Raziskave nukleinskih kislin 45, W180–W188 (2017).
23. Šmilauer, P. & Lepš, J. Multivariatna analiza ekoloških podatkov z uporabo CANOCO 5. (Cambridge university press (2014).
24. Shannon, P. et al. Cytoscape: programsko okolje za integrirane modele biomolekularnih interakcijskih mrež. Genome Research 13, 2498–2504 (2003).
25. Asshauer, KP, Wemheuer, B., Daniel, R. & Meinicke, P. Tax4Fun: napovedovanje funkcionalnih profilov iz metagenomskih podatkov 16S rRNA. Bioinformatika (Oxford, Anglija) 31, 2882–2884, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv287 (2015).
26. Koo, H. et al. Primerjava dveh orodij za bioinformatiko, uporabljenih za karakterizacijo mikrobne raznolikosti in napovednih funkcionalnih lastnosti mikrobnih preprog iz jezera Obersee na Antarktiki. Revija za mikrobiološke metode 140, 15–22 (2017).
27. Huang, L., Zheng, S., Wu, L., Jiang, X. in Chen, S. Ekotipi Cistanche deserticola na podlagi kemične sestave in molekularnih lastnosti. Scientia Sinica Vitae 44, 318–328 (2014).
28. Gabriele, B. & Kornelia, S. Rastlinske vrste in vrsta prsti skupaj oblikujejo strukturo in delovanje mikrobnih skupnosti v rizosferi. Fems Microbiology Ecology 68, 1–13 (2010).
29. Parte, AC LPSN–seznam prokariontskih imen z veljavnostjo v nomenklaturi. Raziskave nukleinskih kislin 42, 613–616 (2014).
30. Pirog, T., Grinberg, T. & Malashenko, YR Zaščitne funkcije eksopolisaharidov, ki jih proizvaja Acinetobacter sp. Microbiology (New York, NY) 66, 279–283 (1997).
31. Liu, Y.-H. et al. Raznolikost, distribucija skupnosti in aktivnosti spodbujanja rasti endofitov, povezanih s halofitom Lycium ruthenicum Murr. 3 Biotech 9, 144 (2019).
32. Staley, Bryant, Pfennig, Holt & JG Bergeyjev priročnik za sistematično bakteriologijo - zvezek 4. Bergeysov priročnik za sistematično bakteriologijo 38, 89–100 (1989).
33. Pasqua, RD et al. Vpliv različnih virov lignoceluloze na ekspresijo gena endo-1,4- -glukanaze in encimsko aktivnost Bacillus amyloliquefaciens B31C. Biološki viri 9 (2014).
34. Pot, B. & Gillis, M. Oceanospirillum. (2015).
35. Euzeby, JP Seznam bakterijskih imen s statusom v nomenklaturi: mapa, ki je na voljo na internetu. Mednarodni časopis za sistematično bakteriologijo 47, 590–592, https://doi.org/10.1099/00207713-47-2-590 (1997).
36. Balkwill, DL, Fredrickson, JK & Romine, MF Sphingomonas in sorodni rodovi. Prokarioti 7, 605–629 (2003).
37. Takeuchi, M., Hamana, K. & Hiraishi, A. Predlog rodu Sphingomonas sensu stricto in treh novih rodov, Sphingobium, Novosphingobium in Sphingopyxis, na podlagi filogenetskih in kemotaksonomskih analiz. International Journal of Systematic & Evolutionary Microbiology 51, 1405–1417 (2001).
38. Saori, S. in Akira, H. Novosphingobium naphthalenivorans sp. nov., bakterija, ki razgrajuje naftalen, izolirana iz okolij, onesnaženih s polikloriranimi dioksini. Journal of General & Applied Microbiology 53, 221–228 (2007).
39. Alánt, O., Pulay, I., Esztergályos, J. & Bodnár, A. Vpliv operacije na presnovo ogljikovih hidratov. Acta Chirurgica Academiae Scientiarum Hungaricae 16, 307 (1975).
40. Gray, GM Prebava in absorpcija ogljikovih hidratov. Enciklopedija gastroenterologije 58, 275–278 (2004).
41. Coon, MJ & Robinson, WG Presnova aminokislin. (2003).
42. Purves, WK, Orians, G., Heller, C. & Sadava, D. Vida, LaCiencia de la Biologia. 8ª izdaja. Panamericana (2009).
43. Schneider, E. & Hunke, S. Transportni sistemi kasete, ki veže ATP (ABC): Funkcionalni in strukturni vidiki podenot/domen, ki hidrolizirajo ATP. Fems Microbiology Reviews 22, 1–20 (1998).
44. Kleerebezem, M., Quadri, LE, Kuipers, OP & Vos, WM De. Zaznavanje kvoruma s peptidnimi feromoni in dvokomponentnimi sistemi za prenos signala v gram-pozitivnih bakterijah. Molecular Microbiology 24, 895–904 (2010).
