ЧАСТ 2 Регулаторна връзка между вариациите в качеството и околната среда на Cistanche Deserticola в три екотипа на базата на анализ на микробиома на почвата
Mar 03, 2022
За повече информация моля свържете се с:Joanna.jia@wecistanche.com
корелации между изобилието на ключова микробна общност, съдържанието на PhGs и екологичните фактори.Излишният анализ на сърцевината, изобилието на микробиома на биомаркера, съдържанието на PhGs и екологичните фактори беше извършен на ниво поръчка, а повторният анализ беше извършен въз основа на ефектите. Коригираната интерпретация на дисперсията беше 82,70 процента (Таблица S7). Sphingomonadales обясняват 45,7 процента от съдържанието на PhGs (p=0.002). Pseudonocardiales обясняват 22,4 процента от съдържанието на PhGs (p=0.01). 2'-ацетилактеозидът е значително положително корелиран с Pseudonocardiales и Oceanospirillales и отрицателно корелиран със Sphingomonadales (фиг. 5а). Ехинакозидът е значително положителен при Sphingomonadales.
Цистанчеекстракт може да предотвратиАлцхаймерзаболяване
Проведен е корелационен анализ за изобилието на биомаркери,PhGсъдържание (фиг. S3 и таблица S5) и екологични фактори (таблица S6). Резултатите от корелационните мрежи (фиг. 5b) разкриват, че 2'-ацетилактеозидът е значително положително корелиран с Oceanospirillales, Rhizobiales и Thiotrichales, докато е отрицателно корелиран с Pseudonocardiales и Nitrosomonadales във всички почвени проби. Топлинната карта (Фиг. 5c–e) разкрива, че страната на масата A е отрицателно корелирана със средното годишно налягане на водните пари във физиологичен разтвор-алкалкорелации между изобилието на ключова микробна общност, съдържанието на PhGs и екологичните фактори.Излишният анализ на изобилието на сърцевината, биомаркерния микробиом,PhGsсъдържанието и екологичните фактори бяха извършени на ниво поръчка, а повторният анализ беше извършен на базата на ефектите. Коригираната интерпретация на дисперсията беше 82,70 процента (Таблица S7). Sphingomonadales обясняват 45,7 процента от съдържанието на PhGs (p=0.002). Pseudonocardiales обясняват 22,4 процента от съдържанието на PhGs (p=0.01). 2'-ацетилактеозидът е значително положително корелиран с Pseudonocardiales и Oceanospirillales и отрицателно корелиран със Sphingomonadales (фиг. 5а). Ехинакозидът е значително положителен при Sphingomonadales.
Проведен е корелационен анализ за биомаркера abun I land. Междувременно, цистанозид A беше значително положително корелиран с Micrococcales и отрицателно корелиран с Rhizobiales в солено-алкална земя (фиг. 5в). В пасищата 2'-ацетилактеозидът е отрицателно свързан със средната годишна температура (фиг. 5d). В песъчлива земя, тубулозид А е отрицателно свързан с Nitrosomonadales (фиг. 5e).
предсказващата функция на бактериалния микробиом в трите екотипа на C. deserticola.Функционалните профили на бактериалния микробиом бяха предсказани въз основа на броя на копията на 16S rRNA ген на дешифрирани бактериални таксони с помощта на Tax4Fun според групите KEGG Ortholog (KO). Резултатите от функционалното прогнозиране (фиг. 6) показват, че функционалните метаболизми на почвените микробиоми в трите екотипа на C. deserticola са идентични. Сред метаболизма, въглехидратите, аминокиселините, кофакторите и витамините и енергийният метаболизъм бяха в изобилие. Мембранният транспорт и сигналната трансдукция също бяха в изобилие при обработката на информация за околната среда.
Цистанчеекстракт имапротивовъзпалителноИмоти
Дискусия
Нашата предишна работа показа, че последователността на psbA-turn и 2'-ацетилактеозид могат да се използват като молекулни и химични маркери за разграничаванеC. deserticaот Синдзян и Вътрешна Монголия27. С теренни проучвания открихме, че C. desertica обитава главно три типа местообитания, включително солени и алкални земи край езерото Ebinur, пясъчни земи около Alexa League и междинни пустинни пасища. Метаболитните профили на три екотипа C. desertica също показват, че 2'-ацетилактеозидът може да се използва като химичен маркер за разграничаване на трите екотипа1. Обсъдихме вариациите в качеството на C. deserticola и неговия механизъм на формиране от измеренията на наследствеността, метаболизма и климатичните фактори. Следователно, от микро гледна точка, анализът на корелационната мрежа
изобилие от микробиоми,PhGsсъдържанието и екологичните фактори бяха проведени, за да се изяснят характеристиките на почвената микробна общност на трите екотипа наC. deserticolaи тяхната връзка с вариацията на качеството.
вода. Освен това, Bacillalescan произвежда богати метаболитни продукти за синтезиране на различни органични киселини, ензими, физиологични дейности и други вещества, както и разнообразие от други хранителни вещества, които могат лесно да се използват33. Общите екологични характеристики на трите екотипа на C. deserticolaса суша и опустиняване на почвата. Почвата около езерото Ебинур също е придружена от солено-алкален стрес. Това може да е причината основните почвени микробни съобщества от три екотипа да имат определени характеристики на суша, устойчивост на сол, алкална устойчивост и устойчивост на стрес.
Цистанчеекстракт може да устоирадиация
Микробни фактори, влияещи върху вариацията на PhGs в три екотипа на C. deserticola.Фиг. S3 показва каре диаграма на съдържанието на PhG на трите екотипа на C. deserticola. Фигурата разкрива, че съдържанието на 2'-ацетилактеозид е по-високо в солено-алкална земя, отколкото в пасища и пясъчни земи, което е в съответствие с предишните резултати1. Излишният анализ и резултатите от асоциативната мрежа показват, че Oceanospirillales е значително положително корелиран с 2'-ацетилактеозид. Oceanospirillales, най-високият биомаркер по отношение на LDA резултат в солено-алкална земя, са специално обогатени. Тези бактерии са метаболитно и морфологично разнообразни, някои от които могат да растат в присъствието на кислород, докато други изискват анаеробна среда34. Oceanospirillales са разред протеобактерии, състоящ се от две семейства. Морският спирилум често е ендосимбионт на червеи, които ядат кости (Osedax)35. Повечето Oceanospirillales предпочитат или изискват високи концентрации на сол, за да растат. Въпреки растежа си в различни ниши, Oceanospirillales извличат енергия от разграждането на различни органични продукти. Следователно високата соленост и алкалност са основните причини за обогатяването на Oceanospirillales в солено-алкална земна почва. Този резултат силно предполага, че най-високото съдържание на 2′-ацетилактеозид в физиологичен разтвор-алкал е свързано с обогатяването на Oceanospirillales. Въпреки това, регулаторната връзка между Oceanospirillales и 2'-ацетилактеозид все още е празна и са необходими допълнителни изследвания.
Общото съдържание на седемте PhG е най-високо в пасищата, сред които ехинакозидът е доминиращият PhG. Echinacoside е значително положително свързан със Sphingomonadales, който е последователност в алфа-протеуса и съставлява семейството на Erythrobacteraceae и Sphingomonadaceae. И двете семейства са често срещани в природата, особено в почвите, океаните и сладките води36. Sphingomonadales има широк диапазон от метаболитен капацитет за ароматни съединения и някои щамове могат да синтезират ценни извънклетъчни биополимери37. Всички известни досега членове на класа Sphingomonas са аеробни и химически органични. Единственото изключение е факултативният анаеробен етанол ферментатор, който се използва за производство на ферментирала каша за напитки. Някои видове от рода Rhodobacter, порфирин и Staphylococcus aureus, както и някои видове от рода Sphingomonas, имат хлорофил а и следователно са незадължителни фотоорганотрофи (енергия, генерирана чрез фотосинтеза)38. Най-доброто качество на C. deserticola в пасищата може да се дължи на богатото разнообразие на микробната общност и свързаните с метаболизма функции на биомаркера (Sphingomonadales). Това откритие дава нов поглед върху изследването на вариациите в качеството на C. deserticola в различни екотипове.
Прогнозни метаболитни функционални профили на почвените микробиоми на трите екотипа C. deserticola.Профилите на метаболитната функция (фиг. 6 и файл S1) на почвените микробиоми на C. deserticola в трите екотипа бяха демонстрирани за първи път в това проучване. По отношение на метаболизма, въглехидратният метаболизъм (метаболизъм на нишесте и захароза, ko00500; метаболизъм на аминозахар и нуклеотидна захар, ko00520) и метаболизъм на аминокиселини (метаболизъм на аргинин и пролин, ko00330; метаболизъм на глицин, серин и треонин, ko00260) са силно обогатени с микробиоми. Въглехидратният метаболизъм е отговорен за образуването, разграждането и превръщането на въглехидратите в тялото. Въглехидратите са в основата на много важни метаболитни пътища39. Въглехидратите като глюкозата са част от множество метаболитни пътища при различните видове. Въглехидратите се синтезират от растенията от атмосферата чрез фотосинтеза и могат да се използват като субстрати за клетъчно дишане40. Растенията и микроорганизмите абсорбират амоняк, амониева сол, нитрит, нитрат и друг неорганичен азот от околната среда, за да синтезират протеини и азотсъдържащи вещества. Някои микроби могат да преобразуват N2 от въздуха в амонячен азот, за да синтезират аминокиселини41. Метаболитната функция на почвените микробиоми беше обогатена в първичния метаболизъм. Това обогатяване предполага, че микробиомите могат да осигурят хранене на растенията и да насърчат растежа им при суша и други стресове.
Профилите на метаболитната функция също показват, че при обработката на информация за околната среда, мембранният транспорт (ABC транспортери, ko02010) и сигналната трансдукция (двукомпонентна система, ko02020) са силно обогатени с микробиоми. Мембранният транспорт е набор от механизми, които регулират преминаването на разтворени вещества, като йони и малки молекули, през биофилм, който представлява двуслой от липиди, вградени в протеини. Регулирането на преминаващите мембрани се дължи на пропускливостта на селективните мембрани, характеристика на биофилмите, която позволява разделянето на вещества с различни химични свойства. С други думи, тези мембрани може да са пропускливи за някои вещества, но не и за други42. Сред тези мембрани пътят на ABC транспортера е силно обогатен в почвените микробиоми. ATP-свързваща кутия (ABC) транспортери съществуват универсално в микроорганизми като бактерии и са едно от най-големите протеинови семейства, известни днес. Тези транспортери свързват АТФ хидролизата, за да участват в активния транспорт на различни субстрати като йони, пептиди, липиди, лекарства, захари, протеини и стероли. Структурата на ABC транспортерите в прокариотите обикновено се състои от три части. Обикновено два непокътнати мембранни протеина имат по шест трансмембранни фрагмента: два периферни протеина, които свързват и хидролизират АТФ, и един периферен (или липопротеинов) субстрат на свързващ протеин. Както се наблюдава в геномите на много бактерии и археи, много гени на тези три компонента образуват оперони43. Сушата, солеността и алкалният стрес насърчават мембранната транспортна функция, особено подобряването на активната транспортна функция на почвените микробиоми.
Сигналната трансдукция е процес, при който химичен или физически сигнал се предава през клетка като поредица от молекулярни събития. Най-често срещаното е катализирано от протеин киназа протеиново фосфорилиране. Двукомпонентната система е сигнален път, който регулира много бактериални характеристики, като токсичност, патогенност, симбиоза, подвижност, усвояване на хранителни вещества, производство на вторични метаболити, метаболитна регулация и клетъчно делене. Тези системи регулират физиологичните процеси въз основа на екологични или клетъчни параметри, което им позволява да се адаптират към променящите се условия44. Сигналната трансдукция на почвените микробиоми се стимулира от суша или физиологично-алкален стрес.
ЦистанчеЕкстракт можеАнтиоксидант
заключение
Това изследване е първото, което представя почвените микробиоми на трите екотипа на C. deserticola. Получени са следните заключения: (1) почвената микробна общност в пасищата е най-разпространената сред трите местообитания. (2) Биомаркерите на трите екотипа също бяха определени: Oceanospirillales (солено-алкална земя), Sphingomonadales (пасища) и Propionibacteriales (пясъчна земя). (3) Анализът на основния микробиом показа, че почвените микробни съобщества на C. deserticola са имали предимно суша, толерантност към сол, алкална устойчивост и устойчивост на стрес, като Micrococcales и Bacillales. (4) Корелационният анализ показа, че 2'-ацетилактеозидът е в положителна корелиция с Oceanospirillales, а ехинакозидът е в значителна положителна корелиация със Sphingomonadales. (5) Tax4Fun прогнозира, че метаболитните функционални профили на три екотипа на почвения микробиом са обогатени в метаболизма и обработката на информация за околната среда.
Препратки
1. Zheng, S., Jiang, X., Wu, L., Wang, Z. & Huang, L. Химическа и генетична дискриминация на билки cistanches на базата на UPLC-QTOF/MS и ДНК баркодиране. Плюс едно 9, e98061 (2014).
2. Li, Z. et al. Екологично моделиране на Cistanche deserticola YC Ma в Алкса, Китай. Научни доклади 9, 13134, https://doi.org/10.1038/ s41598-019-48397-6 (2019).
3. Джоузеф, Е. и др. Структура, вариация и сглобяване на свързаните с корените микробиоми на ориз. Сборник на Националната академия на науките на Съединените американски щати 112, E911 (2015).
4. Jansson, JK & Hofmockel, KS Почвен микробиом и изменението на климата. Отзиви за природата. Микробиология, https://doi.org/10.1038/ s41579-019-0265-7 (2019).
5. Wang, X. et al. Сравнение на химичните профили и антиоксидантните активности на различни части от култивиран Cistanche deserticola с помощта на ултраефективна течна хроматография-квадруполна времепролетна масспектрометрия и анализ на базата на 1,1-дифенил-2- пикрилхидразил. Молекули 22, 2011 (2017).
6. Янг, Л. и др. Благоприятни ефекти на обща фенилетаноидна гликозидна фракция, изолирана от Cistanche deserticola върху костната микроструктура при овариектомирани плъхове. Оксидативна медицина и клетъчно дълголетие 2019, 2370862, https://doi. org/10.1155/2019/2370862 (2019).
7. Liu, W. et al. От (1)H NMR-базирана ненасочена към LC-MS-базирана насочена метаболомична стратегия за задълбочени сравнения на лайка между четири вида Cistanche. Вестник за фармацевтичен и биомедицински анализ 162, 16–27, https://doi.org/10.1016/j. jpba.2018.09.013 (2019).
8. Chen, H. et al. Основен микробиом на семена от лечебно растение Salvia miltiorrhiza: Богат резервоар от полезни микроби за вторичен метаболизъм? Международен журнал за молекулярни науки 19, 672 (2018).
9. Sonnenburg, JL & Backhed, F. Взаимодействия диета-микробиота като модератори на човешкия метаболизъм. Nature 535, 56–64, https://doi. org/10.1038/nature18846 (2016).
10. Ju, F. & Zhang, T. 16S rRNA ген високопроизводително секвениране на данни за извличане на данни за микробно разнообразие и взаимодействия. Приложна микробиология и биотехнология 99, 4119–4129 (2015).
11. Cui, J.-L., Vijayakumar, V. & Zhang, G. Разделяне на гъбни ендофитни групи в кореново паразитно растение Cynomorium songaricum и неговия гостоприемник Nitraria tangutorum. Граници в микробиологията 9, 666 (2018).
12. Fan, P., Liu, P., Song, P., Chen, X. & Ma, X. Умереното ограничение на диетични протеини променя състава на чревната микробиота и подобрява бариерната функция на илеума при модел на възрастни прасета. Научни доклади 7, 43412 (2017).
13. Munyaka, PM и др. Пренаталното лечение с антибиотици Mo1774 повишава чувствителността на потомството към експериментален колит: Роля на чревната микробиота. Плюс едно 10, e0142536 (2015).
14. Zhao, Y. et al. Ефектът от интензитета на смесване върху производителността и микробната динамика на единичен вертикален реактор, интегриращ ацидогенни и метаногенни фази в разграждането на лигноцелулозна биомаса. Технология за биоресурси 238, 542–551 (2017).
15. Cole, JR et al. Проектът за рибозомна база данни: подобрени подреждания и нови инструменти за анализ на рРНК. (2009).
16. Едгар, RC UPARSE: високо точни OTU последователности от микробни ампликони се четат. Nature Methods 10, 996 (2013).
17. Yu, W. et al. Сравнение на нивата на бактериално разнообразие в сладководни, междуотливни влажни зони и морски седименти чрез използване на милиони етикети на Illumina. Приложна и екологична микробиология 78, 8264 (2012).
18. Jiang, XT и др. Секвенирането на Illumina на 16S rRNA таг разкрива пространствени вариации на бактериалните общности в мангрова влажна зона. Микробна екология 66, 96–104 (2013).
19. Sanner, MF Python: език за програмиране за софтуерна интеграция и разработка. Журнал за молекулярна графика и моделиране
17, 57–61 (1999).
20. Caporaso, JG et al. QIIME позволява анализ на данни за секвениране на общността с висока производителност. Nat Methods 7, 335–336, https://doi. org/10.1038/nmeth.f.303 (2010).
21. Chong, J., Liu, P., Zhou, G. & Xia, J. Използване на MicrobiomeAnalyst за цялостен статистически, функционален и мета-анализ на микробиомни данни. Природни протоколи, 1–23 (2020 г.).
22. Dhariwal, A. et al. MicrobiomeAnalyst: уеб-базиран инструмент за изчерпателен статистически, визуален и мета-анализ на микробиомни данни. Изследване на нуклеинови киселини 45, W180–W188 (2017).
23. Šmilauer, P. & Lepš, J. Многовариантен анализ на екологични данни с помощта на CANOCO 5. (Cambridge university press (2014).
24. Shannon, P. et al. Cytoscape: софтуерна среда за интегрирани модели на мрежи за биомолекулярно взаимодействие. Геномни изследвания 13, 2498–2504 (2003).
25. Asshauer, KP, Wemheuer, B., Daniel, R. & Meinicke, P. Tax4Fun: прогнозиране на функционални профили от данни за метагеномна 16S rRNA. Биоинформатика (Оксфорд, Англия) 31, 2882–2884, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv287 (2015).
26. Koo, H. et al. Сравнение на два биоинформационни инструмента, използвани за характеризиране на микробното разнообразие и предсказуемите функционални атрибути на микробните подложки от езерото Оберзее, Антарктика. Журнал за микробиологични методи 140, 15–22 (2017).
27. Huang, L., Zheng, S., Wu, L., Jiang, X. & Chen, S. Екотипове на Cistanche deserticola въз основа на химичен състав и молекулярни характеристики. Scientia Sinica Vitae 44, 318–328 (2014).
28. Gabriele, B. & Kornelia, S. Растителните видове и типът на почвата съвместно оформят структурата и функцията на микробните общности в ризосферата. Fems Microbiology Ecology 68, 1–13 (2010).
29. Parte, AC LPSN–списък на прокариотни имена с място в номенклатурата. Изследване на нуклеинови киселини 42, 613–616 (2014).
30. Pirog, T., Grinberg, T. & Malashenko, YR Защитни функции на екзополизахаридите, произведени от Acinetobacter sp. Микробиология (Ню Йорк, Ню Йорк) 66, 279–283 (1997).
31. Liu, Y.-H. et al. Разнообразие, разпространение в общността и дейности за насърчаване на растежа на ендофити, свързани с халофит Lycium ruthenicum Murr. 3 Biotech 9, 144 (2019).
32. Staley, Bryant, Pfennig, Holt & JG Bergey's manual of systematic bacteriology - том 4. Bergeys Manual of Systematic Bacteriology 38, 89–100 (1989).
33. Pasqua, RD et al. Влияние на различни източници на лигноцелулоза върху генната експресия на ендо-1,4- -глюканаза и ензимната активност на Bacillus amyloliquefaciens B31C. Биоресурсите 9 (2014).
34. Pot, B. & Gillis, M. Oceanospirillum. (2015).
35. Euzeby, JP Списък на имената на бактерии с номенклатура: папка, достъпна в Интернет. Международно списание за систематична бактериология 47, 590–592, https://doi.org/10.1099/00207713-47-2-590 (1997).
36. Balkwill, DL, Fredrickson, JK & Romine, MF Sphingomonas и сродни родове. Прокариоти 7, 605–629 (2003).
37. Takeuchi, M., Hamana, K. & Hiraishi, A. Предложение за рода Sphingomonas sensu stricto и три нови рода, Sphingobium, Novosphingobium и Sphingopyxis, въз основа на филогенетични и хемотаксономични анализи. Международен журнал за систематична и еволюционна микробиология 51, 1405–1417 (2001).
38. Saori, S. & Akira, H. Novosphingobium naphthalenivorans sp. nov., бактерия, разграждаща нафталин, изолирана от среда, замърсена с полихлориран диоксин. Journal of General & Applied Microbiology 53, 221–228 (2007).
39. Alánt, O., Pulay, I., Esztergályos, J. & Bodnár, A. Ефект на операцията върху въглехидратния метаболизъм. Acta Chirurgica Academiae Scientiarum Hungaricae 16, 307 (1975).
40. Грей, GM Смилане и усвояване на въглехидрати. Енциклопедия по гастроентерология 58, 275–278 (2004).
41. Coon, MJ & Robinson, WG Метаболизъм на аминокиселините. (2003).
42. Purves, WK, Orians, G., Heller, C. & Sadava, D. Vida, LaCiencia de la Biologia. 8ª издание. Панамерикана (2009).
43. Schneider, E. & Hunke, S. ATP-свързваща касета (ABC) транспортни системи: Функционални и структурни аспекти на ATP-хидролизиращите субединици/домейни. Fems Microbiology Reviews 22, 1–20 (1998).
44. Kleerebezem, M., Quadri, LE, Kuipers, OP & Vos, WM De. Отчитане на кворума чрез пептидни феромони и двукомпонентни системи за сигнална трансдукция в грам-положителни бактерии. Молекулярна микробиология 24, 895–904 (2010).
