A bendő mikrobiális összetétele étrendtől és gazdaszervezettől függően változik, de a mag mikrobioma széles földrajzi tartományban található

Tárgyak

Errumum a cikkhez 2016. január 20-án jelent meg

Ez a cikk frissült

Absztrakt

A kérődző állattenyésztés az emberi táplálék és az üvegházhatást okozó gázok globális kibocsátásának fontos forrása. A kérődzők takarmánybontása és metánképződése a bendő mikrobái közötti metabolikus kölcsönhatásokon alapul, és befolyásolja a kérődzők termelékenységét. A bendő és a teve előlapi mikrobiális közösség összetételét 32 állatfajból és 35 országból származó 742 mintában határoztuk meg annak becslése érdekében, hogy ezt befolyásolta-e az étrend, a gazdafajok vagy a földrajz. Hasonló baktériumok és archeák domináltak szinte az összes mintában, míg a protozoális közösségek változékonyabbak voltak. A domináns baktériumokat rosszul jellemzik, de a metanogén archeák világszerte jobban ismertek és erősen konzerváltak. Ez az egyetemesség és a korlátozott sokféleség lehetővé teheti a metánkibocsátás mérséklését a kevés domináns metanogént megcélzó stratégiák kidolgozásával. A mikrobiális közösség összetételében mutatkozó különbségek túlnyomórészt az étrendnek tulajdoníthatók, a gazdaszervezet kevésbé volt befolyásos. Kevés erős együttes előfordulási minta volt a mikrobák között, ami arra utal, hogy a főbb metabolikus kölcsönhatások inkább nem szelektívek, mint specifikusak.

Bevezetés

A bendő mikrobákat különböző funkcionális csoportokhoz lehet hozzárendelni, például cellulolitikumokhoz, amilolitikumokhoz, proteolitikumokhoz stb., Amelyek lebontják a takarmánykomponensek sokféleségét, vagy tovább metabolizálják a más mikrobák által képzett termékeket 3. Például a metanogének, a metánképző archeák azok közé tartoznak, amelyek metabolizálják az egyes fermentatív mikrobák által képzett hidrogént, metánt képezve. Az erjedés során keletkező metán hozzájárul a globális antropogén üvegházhatást okozó gázok kibocsátásához 4, és 2–12% -os veszteséget jelent az állat takarmány energiájában 5. A bendő mikrobiális közösségei közötti különbségek a metánképződés 6 és a takarmány állati eredetű termékekké történő átalakulásának hátterében állnak. Ezért ezeknek a közösségeknek a megértése kulcsfontosságú a növényi anyagok kérődző átalakulásainak megértésében mind a nemkívánatos, mind a hasznos kérődzők termékeire.

Ennek a vizsgálatnak a célja a mikrobiota összetételének meghatározása volt a bendő és az előgomba mintáiban a világ minden tájáról származó 742 egyedből. A kapott adatkészlet lehetővé tette számunkra, hogy meghatározzuk, hogy a táplálkozási tényezők dominálnak-e a gazdafajok felett a mikrobiális közösség összetételének meghatározásában, azonosítsák a domináns mikrobákat és lehetséges asszociációikat, és leírják a bendő mikrobaközösségek hasonlóságának mértékét világszerte.

Eredmények és vita

Ez a legnagyobb egyetlen vizsgálat a kérődzők és tevék fajainak, étrendjeinek és földrajzi régióinak mikrobiális közösségeinek vizsgálatára. A minták feldolgozásához szabványosított csővezetéket használtak annak érdekében, hogy minimalizálják a feldolgozási lépések, például a DNS-extrakció vagy a PCR-amplifikáció által bevezetett variációt. Ez fontos a hiteles minták felismerése szempontjából, nem pedig a különböző vizsgálatok közötti módszertani különbségek által bevezetett minták 9. A választott primerek a jelenlegi ismereteink szerint szinte minden ismert baktériumból, archeából és bendőből származó célgén régiókat felerősítik.

Domináns bendő mikrobák

A minták eredete, valamint a baktériumok és archeák közösségei különböző régiókban.

A kördiagramok alatti számok azoknak a mintáknak a számát jelentik, amelyekre vonatkozóan adatokat nyertünk. A leggyakoribb baktériumokat és archeákat az óramutató járásával megegyező sorrendben nevezzük a kördiagram tetejétől kezdve. A minták és a közösség összetételének további részleteit az 1., 2., 3. és 4. kiegészítő táblázat és az 1. kiegészítő adat tartalmazza. Mmc. Methanomassiliicoccales. A térkép a Wikimedia Commons-ból származik (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:BlankMap-World-v2.png,originaluploaderRoke,accessedMay2013). A kördiagramokat a Microsoft Excel alkalmazásban készítettük, az összetett képet pedig a Microsoft PowerPoint és az Adobe Illustrator alkalmazással. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en

Az adatkészletben a legelterjedtebb és legelterjedtebb bakteriális operatív taxonómiai egységek (OTU-k) vizsgálata azt mutatta, hogy csak 14% -uk tartozik egy megnevezett fajba, 70% -uk pedig még egy formálisan elismert nemzetségbe sem tartozik (2a. Ábra). Amikor még nem megnevezett fajokból származó tenyésztett izolátumokat vontak be az elemzésbe, a domináns OTU-k jobbak voltak (35%), de a potenciálisan azonos fajokhoz tartozó kultúrák még mindig gyengén képviseltették magukat (2b. Ábra). Ez a tanulmány azt mutatja, hogy bár úgy tűnik, hogy felismerjük a domináns bendőbaktériumokat, megértésükhöz még mindig jelentős mikrobiológiai erőfeszítésekre van szükség. Bizonyos erőfeszítéseket tettek további kultúrák elkülönítésére és további információk gyűjtésére ezekről a baktériumokról 13,14. Például a Prevotella aff. ruminicola A Tc2-24, bendő baktérium R-7 és más izolátumok, amelyek 16S rRNS génszekvenciája hasonló a domináns bendő baktérium OTU-kéhoz (2b. Ábra), a Hungate1000 projekt részeként 15 .

Domináns bakteriális és archeális operatív taxonómiai egységek (OTU-k).

Az 50 legelterjedtebb és 50 legelterjedtebb baktérium (77 egyedi OTU, (a, b) és archeeal (64 egyedi OTU, CD) Az OTU-k a legszorosabban kapcsolódó típusra (a, c) és tenyésztett (b, d) törzseket ábrázoljuk a prevalencia és a bőség adataival együtt. A háttér árnyékolása a fajon belüli névleges (sötétszürke), a nemzetségen belüli (középszürke) és a nemzetség alatti (világosszürke) hasonlóságokat jelzi. A prevalencia a minták százalékos arányát jelzi, amelyekben egy OTU előfordul. Az egyes körök mérete az egyes OTU-k átlagos bőségét jelzi (8. és 9. kiegészítő táblázat). A baktériumok OTU-mennyiségét 15-es szorzóval szoroztuk az archeális OTU-khoz viszonyítva. Mbb. Methanobrevibacter.

Mivel a bendőben 16 folyadék és szilárd anyag folyik, a mikrobáknak aktívan metabolizálódniuk kell, hogy energiát nyerjenek, és szaporodva ellensúlyozzák a kimosódást, és így fenntartják a bendő 17 populációit. Az ebben a tanulmányban talált domináns baktériumok tehát valószínűleg felelősek a bendőben és a teve előterében elfogyasztott takarmányok, elsősorban a cellulóz, a hemicellulóz, a pektin, a keményítő, a fruktán, a szerves savak és a fehérje átalakulásának nagy részéért, mivel ezek a mikrobiális szaporodáshoz felhasznált főbb energiatermelő szubsztrátok 17. A baktériumok közösségének szerkezete is konvergál a bendőben és a hoatzin termésében. Ez a madár a bevitt levelek előgomba fermentációjára támaszkodik 18. Úgy tűnik tehát, hogy a mikrobiális közösség felépítése a bendőben, a teve előterében és ennek a szokatlan madárnak a termésében végbemenő szervműködés hasonlóságából fakad. Több erőfeszítést kell tenni a takarmány erjesztéséért felelős baktériumok anyagcseréjének és szerepének jellemzésére, az állati termelékenység növelése és a metánkibocsátás csökkentése érdekében.

Szinte az összes archeát metanogénként azonosították, amelyről ismert, hogy bendő rezidens (3. kiegészítő táblázat, 1. kiegészítő szöveg), és relatív mennyiségük összehasonlítható volt a korábbi vizsgálatokkal 19. Az uralkodó archeális csoportok a világ minden régiójában figyelemre méltóan hasonlóak voltak (1. ábra). Ezt az egyetemességet és korlátozott sokféleséget nemrégiben feltüntették az új-zélandi kérődzők archeájának felmérésében 20, és ez lehetővé teheti a metánkibocsátás sikeres csökkentését olyan stratégiák kidolgozásával, mint például oltások vagy kismolekulájú inhibitorok, amelyek a kevés domináns metanogént célozzák meg.

Az étrend és a gazdaszervezet hatása a mikrobiális közösség összetételére

Mivel a mikrobacsoportok bősége állatfajcsoportok és kohorszok között változó volt (2. és 4. kiegészítő táblázat; 2. ábra), ezért olyan tényezőket kerestünk, amelyek ezt megalapozhatják. Várható, hogy a bendő és a teve előlapi mikrobiális közösség szerkezetét morfológiai, fiziológiai és akár viselkedési jellemzők alakítják, amelyek a különböző kérődző családok változatos táplálkozási stratégiáival együtt alakultak ki2. Valójában az adaptáció a bendőméretek és a bendőtartalom áthaladásának sokféleségét eredményezte, lehetővé téve a kérődző fajok számára, hogy számos takarmánytípust kihasználjanak. A takarmánykompozíciós hatások 25 mellett ezek a gazdaszervezetek szerepet játszhatnak a bendő mikrobiális közösség szerkezetének szabályozásában is. Mivel adatállományunk kérődzőkből és különféle nemekből származó tevékből származott, amelyek étrendet fogyasztottak, a gazda és a diéta hatása a bendő mikrobiális közösségére elkülöníthető.

A gazdafajok és az étrendi takarmány hatása az arányok mikrobiális közösségekre való koncentrálására.

Az étrendeket csoportosítottuk (7. táblázat) takarmány dominálta (F), kevert takarmány-koncentrátum (50–70% takarmány, FC), vegyes koncentrátum-takarmány (50–70% koncentrátum, CF) vagy koncentrátum-dominált (C ). (a) A mintákban lévő mikrobiális közösségek diszkriminatív elemzése (az állatok és az étrend által színezett pontokkal ábrázolva) feltárta, hogy a gazda és az étrend egyaránt meghatározta a közösség összetételét. (b) Bi-plot, amely a minták szétválasztásának alapjául szolgáló mikrobacsoportokat (színekkel azonosítva) mutatja (a). Számos baktériumcsoport erőteljesen megkülönbözteti a mintákat gazdaszervezet és étrend szerint, amit a bi-plot külső része felé való jelenlétük jelez. Az archeális és protozoális csoportok kevésbé diszkriminatívak, ezért a központ közelében vannak csoportosítva. (c) A hőtérkép azt mutatja, hogy a baktériumok bősége eltérően kapcsolódik az étrendhez és a gazdához (a színgomb az asszociációs pontszámot mutatja; további adatokért lásd a 3–5. Kiegészítő ábrát). (d) Besorolatlan Veillonellaceae és (e) Fibrobacter példák azokra a baktériumokra, amelyek a szarvasmarhafélék és a rákfélék csoportosulását okozták a hőtérkép más fajaitól elkülönítve. A minták számát az egyes kategóriákban zárójelben adják meg a paneleken (c – e). * egy osztályba vagy családba tartozó osztályozatlan baktériumokat jelöl.

Számos nagyobb baktériumcsoport relatív bőségét mind a gazda, mind az étrend befolyásolta (3c. Ábra). Besorolatlan Clostridiales legtöbben takarmánnyal etetett szarvasmarhákban és legkevésbé a magas koncentrátumú étrenddel etetett szarvasmarhákban voltak, míg a caprids, a szarvasfélék és a tevék esetében ezek az étrendi különbségek sokkal kevésbé voltak kifejezettek. Butyrivibrio takarmány- és koncentrátumkeverékkel táplált szarvasmarhafélék bendőmintáiban volt a legelterjedtebb. Fibrobacter a takarmánnyal etetett szarvasmarhákban volt a legnagyobb. Ha a szarvasmarha-étrendbe koncentrátumot vezettek be, a Fibrobacter csökkent, de még mindig bőségesebb volt, mint más állatoknál. Elterjedésének részletesebb vizsgálatához összehasonlítottuk Fibrobacter különböző kérődző fajok között, és a szarvasmarhákban szignifikánsan magasabb szintet találtak az őzekhez, juhokhoz vagy tevékhez képest (3e. ábra). Ezek az adatok arra engednek következtetni Fibrobacter a szarvasmarha bendőjében részesül előnyben, és mivel ez cellulózbontó 30, alapvető szerepet játszhat a szarvasmarhák növényi rostjainak lebontásában.

Összességében az étrend volt a meghatározó tényező a baktériumok közösségének felépítésében. Ennek oka lehet, hogy a takarmány fizikai és kémiai jellemzői meghatározzák a rendelkezésre álló különböző mikrobiológiai réseket. A gyomor utáni emlős emésztőrendszerrel 31 ellentétben, valamint a digesta és a takarmány mennyiségének puszta mennyisége miatt a bendő mikrobiális közösségét valószínűleg kevésbé alakítják a helyi gazda biológiai tényezők, például az immunrendszer, a szekretált antimikrobiális peptidek, a gazda- sejtglikozilezés és gazdaszervezetből származó tápanyagok.

A bendő mikrobák közötti asszociációk

Társulások a baktériumok és az archeák között.

A hálózat olyan asszociációs pontszámokon alapul, amelyeket rendszeres kanonikus korrelációs elemzéssel számolnak, abszolút asszociációs pontszámmal nagyobb, mint 0,15. A vonalak színe az asszociáció erősségét jelzi. A gyémántok és a körök méretei azt jelzik, hogy az átlagos átlagos bőség és a mikrobacsoportok számokkal vannak meghatározva (1. és 3. kiegészítő táblázat). Mbb. Methanobrevibacter, Mmc. Methanomassiliicoccales, * a családon belül osztályozatlan baktériumokat jelöl.

Ennek a felmérésnek az eredményei azt mutatták, hogy a bendő mikrobiális ökoszisztémájában egy gyengén jellemzett mikrobákból álló törzsközösség dominál, különösen a baktériumok között. Az étrend az állatfajoknál nagyobb mértékben befolyásolta a bendő vagy a teve elülső mikrobiális közösség összetételét. A bendő ökoszisztémákat a mikrobák közötti erős metabolikus kölcsönhatások jellemzik, amelyek megkönnyítik a növényi anyagok fermentálódását olyan termékekké, amelyek mind a gazda, mind pedig a többi bendő mikrobák számára hasznosak 3,17,25,32. Az ebben a tanulmányban látható viszonylag kevés együttes előfordulási mintázat arra enged következtetni, hogy ezek a mikrobiális interakciók nem támaszkodnak kizárólagos asszociációkra, és jelentős kölcsönhatásra utalhatnak az interakcióban lévő funkcionális csoportok tagjai között. A metagenomikus és metatranscripticus szinteken végzett elemzés a jövőben feltárhatja, hogy az interakciókat elősegítő közös funkcionális elemek megoszlanak-e több faj között. Valószínűnek tűnik, hogy a mikrobák közötti funkcionális redundancia 9 azt jelenti, hogy több mikrobiális faj ugyanazt a funkciót töltheti be, az étrendtől függően a mikrobák különböző kombinációi kerülnek együtt kiválasztásra. A bendő mikrobiális közösségszerkezetének ez a rugalmassága lehetőséget adna a kérődzők gazdájának arra, hogy kiaknázza a különféle növényi takarmányokat.

Mód

A gyomor-bél traktus tartalmának földrajzi eloszlása és sokfélesége

35 országban és hét globális régióban 32 kérődzők és más előtag-fermentorok 32 fajából vagy altípusából összesen 742 mintát választottak ki a mikrobiális marker gének szekvenálására (1. ábra, 1. kiegészítő adatok). A minták szarvasmarhákból, bölényekből és bivalyból (szarvasmarhák), juhokból és kecskékből (caprids), szarvasokból (szarvasfélék) és alpákákból, lámákból és guanacókból (tevefélékből) származnak, beleértve a különféle házi szarvasmarha-, juh- és kecskefajtákat, és nagyrészt négy vagy több, egyidős étrendet fogyasztó egyénből álló kis csoportok. Ebbe a vizsgálatba felvettük a tevefélék elülső mintáit, felismerve, hogy ezek a szervek közös funkcióval rendelkeznek, de külön fejlődtek 39. Az állatok felhasználását, ideértve a jólétet, a tenyésztést, a kísérleti eljárásokat és az e vizsgálathoz használt mintagyűjtést, adott esetben megnevezett intézményi és/vagy engedélyező bizottságok hagyták jóvá, és a jóváhagyott intézményi és szabályozási irányelveknek megfelelően hajtották végre (lásd: 1. részletek ezek részleteiről).

Mintagyűjtés, DNS kivonás, amplifikáció és minták feldolgozása nagy áteresztőképességű szekvenáláshoz

A szekvenálási adatok filogenetikai elemzése

A piroszekvencia adatait a QIIME szoftvercsomag 1.8 43-as verziójával dolgoztuk fel és elemeztük. Több mint 400 bp hosszúságú szekvenciákat, átlagos átlagos pontszám 25-nél magasabb értéket rendeltünk egy adott mintához a vonalkódokon keresztül. Az elemzéshez rendelkezésre álló bakteriális, archeális és ciliás protozoális szekvenálás leolvasások számát az 1. kiegészítő adatok foglalják össze. A szekvenciaadatokat operatív taxonómiai egységekbe (OTU) csoportosítottuk, amelyek több mint 97% -ot (baktériumok - UCLUST 44), 99% -ot osztottak meg (archeák - UCLUST) vagy 100% -os (ciliate protozoa - prefix_suffix opció QIIME-ban) szekvencia hasonlóság. A BLAST 45 szekvenciákat filogenetikai csoportokhoz rendelt. A bakteriális 16S rRNS géneket a Greengenes adatbázis 13_5 10 verziójával, az archaeal 16S rRNS génjeit RIM-DB 13_11_13 22 verzióval és a csilló protozoális 18S rRNS génekkel házon belüli adatbázissal 46 hasonlítottuk össze. A baktériumok és a csilló protozoális adatokat nemzetségi szinten összegeztük. Az archeákat fajszinten összegezték. Azok a minták, amelyeknél alacsony az olvasási szám, vagy amelyek nagy arányban tartalmazzák az „exogén” baktériumok szekvenciáit (azaz valószínűleg a környezeti szennyeződéseket, mint pl. Stenotrophomonas) kizárták a további elemzésekből (1. kiegészítő szöveg).

A leggyakoribb és legelterjedtebb OTU-k azonosságát a BLAST 45 alkalmazásával határoztuk meg a típusú anyagból származó szekvenciákkal és az összes szekvenciával (kivéve a modell organizmusok szekvenciáit vagy a környezeti mintákat) az nt adatbázis 47-ben. A kimerikus OTU-szekvenciák azonosítására Bellerophont (3. verzió, 200 bp ablak, Huber-Hugenholtz-korrekció 48) használtuk. A 97% -nál nagyobb és 93% -nál nagyobb szekvencia-hasonlóságokat használtuk cut-off-ként az OTU-k osztályozásához faj-, illetve nemzetségi szinten. Ezen elhatárolások indoklását Kenters tárgyalta et al. 49 .

Az étrendi információk és egyéb tényezők egyszerűsített osztályozása

Az állatok által elfogyasztott étrendek köre nagyon sokrétű és összetett volt. Ezért és ahol az információk rendelkezésre álltak, az étrendeket a takarmánytípus, a takarmánynövény és a takarmány-koncentrátum arány szerint kategorizálták (7. kiegészítő táblázat). Olyan étrendek, amelyek valószínűleg> 5% keményítőt tartalmaznak (pl. Kukorica, árpa, búza, rizs, valamint borsó, burgonya, cirok stb. Teljes vagy gabonafélék) vagy> 5% pektin (pl. Répa vagy hüvelyesek, például lucerna) és lóhere) is azonosították. Azokat az állatokat, akiknek a táplálékát kevesebb mint kéthetes időszakban etették, az 1. kiegészítő adatokban jegyezték fel. Olyan tényezőket, mint a nem, az életkor, a módosítások (pl. Kanülelés), a kezeléseket (pl. Antibiotikumok, ivás, műtét), a tenyésztési körülményeket, évszakot, más állatokkal való érintkezést és a minták feldolgozásának lépéseit, amelyek befolyásolhatják a látszólagos mikrobaközösségi összetételeket (pl. DNS-extrakciós módszer, felhasznált minta-frakció, minta tárolása stb.) (1. kiegészítő adat). Ahol nem adtak meg részleteket, a szélességet, hosszúságot és magasságot a http://www.mapcoordinates.net/en segítségével becsülték meg. Az éghajlati övezeteket a Köppen-Geiger klímaosztályozási rendszer 50 alapján határozták meg .

statisztikai elemzések

további információ

Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Henderson, G. et al. A bendő mikrobiális összetétele étrendtől és gazdaszervezettől függően változik, de a mag mikrobioma széles földrajzi tartományban található. Sci. ismétlés. 5., 14567; doi: 10.1038/srep14567 (2015).