DEL 2 Regulativt forhold mellem kvalitetsvariation og miljø af Cistanche Deserticola i tre økotyper baseret på jordmikrobiomanalyse
Mar 03, 2022
For mere information kontakt venligst:Joanna.jia@wecistanche.com
sammenhænge mellem nøglemikrobielle samfundsoverflod, PhG-indhold og økologiske faktorer.Den redundante analyse af kernen, biomarkørmikrobiom-overflod, PhG-indhold og økologiske faktorer blev udført på ordreniveau, og reanalyse blev udført på baggrund af effekter. Den justerede fortolkning af varians var 82,70 procent (tabel S7). Sphingomonadales forklarede 45,7 procent af PhG-indholdet (p=0.002). Pseudonocardiales forklarede 22,4 procent af PhG-indholdet (p=0.01). 2'-acetylacteosid var signifikant positivt korreleret med Pseudonocardiales og Oceanospirillales og negativt korreleret med Sphingomonadales (fig. 5a). Echinacosiden var signifikant positiv med Sphingomonadales.
Cistancheekstrakt kan forhindreAlzheimerssygdom
Korrelationsanalyse blev udført for biomarkøroverflod,PhGindhold (Fig. S3 og Tabel S5), og økologiske faktorer (Tabel S6). Resultaterne af korrelationsnetværkene (fig. 5b) viste, at 2'-acetylacteosid var signifikant positivt korreleret med Oceanospirillales, Rhizobiales og Thiotrichales, mens det var negativt korreleret med Pseudonocardiales og Nitrosomonadales i alle jordprøver. Varmekortet (fig. 5c–e) afslørede, at A på bordsiden var negativt korreleret med det gennemsnitlige årlige vanddamptryk i saltvand-alkalisammenhænge mellem nøglemikrobielle samfundsoverflod, PhG-indhold og økologiske faktorer.Den redundante analyse af kernen, biomarkørmikrobiomoverflod,PhG'erindhold, og økologiske faktorer blev udført på ordreniveau, og reanalyse blev udført på baggrund af effekter. Den justerede fortolkning af varians var 82,70 procent (tabel S7). Sphingomonadales forklarede 45,7 procent af PhG-indholdet (p=0.002). Pseudonocardiales forklarede 22,4 procent af PhG-indholdet (p=0.01). 2'-acetylacteosid var signifikant positivt korreleret med Pseudonocardiales og Oceanospirillales og negativt korreleret med Sphingomonadales (fig. 5a). Echinacosiden var signifikant positiv med Sphingomonadales.
Korrelationsanalyse blev udført for biomarkør abun I land. I mellemtiden var cistanosid A signifikant positivt korreleret med Micrococcales og negativt korreleret med Rhizobiales i saltvand-alkali-land (fig. 5c). I græsarealer var 2'-acetylacteosid negativt korreleret med den gennemsnitlige årlige temperatur (fig. 5d). I sandet land var tubulosid A negativt korreleret med Nitrosomonadales (fig. 5e).
bakteriemikrobiomets prædiktive funktion i de tre økotyper af C. deserticola.De funktionelle profiler af det bakterielle mikrobiom blev forudsagt baseret på 16S rRNA-genkopiantallet af dechifrerede bakterielle taxaer ved hjælp af Tax4Fun ifølge KEGG Ortholog-grupperne (KOs). Resultaterne af funktionel forudsigelse (fig. 6) viste, at de funktionelle metabolisme af jordmikrobiomer i de tre økotyper af C. deserticola var identiske. Blandt stofskiftet var kulhydrat, aminosyre, co-faktorer og vitamin- og energimetabolisme rigeligt. Membrantransport og signaltransduktion var også rigeligt i miljøinformationsbehandling.
Cistancheekstrakt haranti-inflammatoriskejendomme
Diskussion
Vores tidligere arbejde viste, at psbA-turn-sekvens og 2'-acetylacteosid kan bruges som molekylære og kemiske markører til at skelne mellemC. ørkenfra Xinjiang og Indre Mongoliet27. Med feltundersøgelser fandt vi ud af, at C. desertica hovedsageligt bebor tre typer habitater, herunder saltvand-alkali-land ved EbinurLake, sandet land omkring Alexa League og mellemliggende ørkengræsarealer. De metaboliske profiler af tre økotype C. desertica viste også, at 2'-acetylacteosid kan bruges som en kemisk markør til at skelne mellem de tre økotyper1. Vi diskuterede variationen af C. deserticola kvalitet og dens dannelsesmekanisme ud fra dimensionerne arvelighed, metabolisme og klimatiske faktorer. Derfor, fra et mikroperspektiv, korrelationsnetværksanalysen
af mikrobiom overflod,PhG'erindhold og økologiske faktorer blev udført for at belyse træk ved jordmikrobielle samfund af de tre økotyper afC. deserticolaog deres forhold til kvalitetsvariationen.
vand. Desuden producerer Bacillalescan rige stofskifteprodukter til at syntetisere en række organiske syrer, enzymer, fysiologiske aktiviteter og andre stoffer samt en række andre næringsstoffer, der let kan udnyttes33. De fælles miljøkarakteristika for de tre økotyper af C. deserticolaer tørke og jord ørkendannelse. Jorden omkring Ebinur-søen er også ledsaget af saltvand-alkali-stress. Dette kan være grunden til, at kernejordens mikrobielle samfund af tre økotyper har visse karakteristika af tørke, salttolerance, alkaliresistens og stressresistens.
Cistancheekstrakt kan modståstråling
Mikrobielle faktorer, der påvirker variationen af PhG'er i tre økotyper af C. deserticola.Fig. S3 viser et boksdiagram over PhG-indholdet i de tre økotyper af C. deserticola. Figuren afslører, at indholdet af 2′-acetylacteosid er højere i salt-alkali-jord end i græs- og sandjord, hvilket er i overensstemmelse med de tidligere resultater1. Redundante analyser og associeringsnetværksresultater viser, at Oceanospirillales er signifikant positivt korreleret med 2'-acetylacteosid. Oceanospirillales, den højeste biomarkør med hensyn til LDA-score i saltvand-alkali-land, er specifikt beriget. Disse bakterier er metabolisk og morfologisk forskellige, hvoraf nogle kan vokse i nærvær af ilt, mens andre kræver et anaerobt miljø34. Oceanospirillales er en orden af proteobakterier, der omfatter to familier. Marine spirillum er ofte en endosymbiont af knogleædende orme (Osedax)35. De fleste Oceanospirillaler foretrækker eller kræver høje saltkoncentrationer for at vokse. På trods af deres vækst i forskellige nicher, henter Oceanospirillales energi fra nedbrydning af forskellige økologiske produkter. Derfor er den høje saltholdighed og alkalinitet hovedårsagerne til berigelsen af Oceanospirillales i saltholdig-alkalisk jordjord. Dette resultat tyder stærkt på, at det højeste indhold af 2'-acetylacteosid i saltvand-alkali er relateret til berigelsen af Oceanospirillales. Imidlertid er det regulatoriske forhold mellem Oceanospirillales og 2'-acetylacteosid stadig tomt, og yderligere forskning er nødvendig.
Det samlede indhold af de syv phG'er er det højeste i græsarealet, hvoriblandt echinacoside er de dominerende phG'er. Echinacosid er signifikant positivt korreleret med Sphingomonadales, som er en sekvens inden for alfa-proteus og udgør familien af Erythrobacteraceae og Sphingomonadaceae. Begge familier er almindelige i naturen, især i jord, oceaner og ferskvand36. Sphingomonadales har en bred vifte af metabolisk kapacitet for aromatiske forbindelser, og nogle stammer kan syntetisere værdifulde ekstracellulære biopolymerer37. Alle tidligere kendte medlemmer af klassen Sphingomonas er aerobe og kemisk organiske. Den eneste undtagelse er den fakultative anaerobe ethanolfermentor, som bruges til at fremstille fermenteret drikkevaremasse. Visse arter af slægten Rhodobacter, porphyrin og Staphylococcus aureus, såvel som visse arter af slægten Sphingomonas, har klorofyl a og er derfor valgfri fotoorganotrofe (energi genereret via fotosyntese)38. Den bedste kvalitet af C. deserticola i græsarealer kan skyldes biomarkørens (Sphingomonadales) rige mikrobielle samfundsdiversitet og metaboliske relaterede funktioner. Dette fund giver ny indsigt i undersøgelsen af kvalitetsvariationen af C. deserticola i forskellige økotyper.
Forudsigelse af metaboliske funktionsprofiler for jordmikrobiomer af de tre økotyper C. deserticola.De metaboliske funktionsprofiler (fig. 6 og fil S1) af jordmikrobiomer af C. deserticola i de tre økotyper blev demonstreret for første gang i denne undersøgelse. Med hensyn til metabolisme er kulhydratmetabolisme (stivelses- og saccharosemetabolisme,ko00500; aminosukker- og nukleotidsukkermetabolisme, ko00520) og aminosyremetabolisme (arginin- og prolinmetabolisme, ko00330; glycin-, serin- og threoninmetabolisme, ko00260) stærkt beriget mikrobiomer. Kulhydratmetabolisme er ansvarlig for dannelse, nedbrydning og omdannelse af kulhydrater i kroppen. Kulhydrater er grundlaget for mange vigtige metaboliske veje39. Kulhydrater såsom glucose er en del af flere metaboliske veje på tværs af arter. Kulhydrater syntetiseres af planter fra atmosfæren gennem fotosyntese og kan bruges som substrater for cellulær respiration40. Planter og mikroorganismer absorberer ammoniak, ammoniumsalt, nitrit, nitrat og andet uorganisk nitrogen fra miljøet for at syntetisere proteiner og nitrogenholdige stoffer. Nogle mikrober kan omdanne N2 fra luft til ammoniak nitrogen for at syntetisere aminosyrer41. Den metaboliske funktion af jordmikrobiomer blev beriget i den primære metabolisme. Denne berigelse antyder, at mikrobiomerne kan give næring til planter og fremme deres vækst under tørke og andre belastninger.
Metaboliske funktionsprofiler viste også, at i miljøinformationsbehandling er membrantransport (ABC-transportører, ko02010) og signaltransduktion (to-komponent system, ko02020) stærkt beriget i mikrobiomer. Membrantransport er en samling af mekanismer, der regulerer passagen af opløste stoffer, såsom ioner og små molekyler, gennem en biofilm, som er et dobbeltlag af lipider indlejret i proteiner. Reguleringen af krydsende membraner tilskrives permeabiliteten af selektive membraner, en egenskab ved biofilm, der muliggør adskillelse af stoffer med forskellige kemiske egenskaber. Med andre ord kan disse membraner være permeable for nogle stoffer, men ikke for andre42. Blandt disse membraner var ABC-transportvejen stærkt beriget med jordmikrobiomer. ATP-binding box (ABC) transportere findes universelt i mikroorganismer såsom bakterier og er en af de største proteinfamilier, der kendes i dag. Disse transportører binder ATP-hydrolyse til at deltage i den aktive transport af mangeartede substrater såsom ioner, peptider, lipider, lægemidler, sukkerarter, proteiner og steroler. Strukturen af ABC-transportører i prokaryoter består normalt af tre dele. Generelt har to intakte membranproteiner hver seks transmembranfragmenter: to perifere proteiner, der binder og hydrolyserer ATP, og et perifert (eller lipoprotein) substrat af et bindende protein. Som observeret i genomerne af mange bakterier og archaea, danner mange gener af disse tre komponenter operoner43. Tørke, saltholdighed og alkalistress fremmede membrantransportfunktionen, især forbedringen af jordens mikrobiomers aktive transportfunktion.
Signaltransduktion er en proces, hvor et kemisk eller fysisk signal transmitteres gennem en celle som en række molekylære begivenheder. Den mest almindelige er proteinkinase-katalyseret proteinphosphorylering. To-komponent systemet er en signalvej, der regulerer mange bakterielle egenskaber, såsom toksicitet, patogenicitet, symbiose, motilitet, næringsstofabsorption, produktion af sekundære metabolitter, metabolisk regulering og celledeling. Disse systemer regulerer fysiologiske processer baseret på miljømæssige eller cellulære parametre, hvilket gør dem i stand til at tilpasse sig ændrede forhold44. Signaltransduktionen af jordmikrobiomer blev fremmet af tørke eller saltvand-alkali-stress.
CistancheUddrag dåseAntioxidant
konklusion
Denne undersøgelse er den første til at præsentere jordmikrobiomer af de tre økotyper af C. deserticola. Følgende konklusioner opnås: (1) mikrobielle jordsamfund i græsarealer er det mest udbredte blandt de tre levesteder. (2) Biomarkørerne for de tre økotyper blev også bestemt: Oceanospirillales (salt-alkali-land), Sphingomonadales (græsland) og Propionibacteriales (sandjord). (3) Kernemikrobiomanalyse viste, at de mikrobielle jordsamfund i C. deserticola for det meste havde tørke, salttolerance, alkaliresistens og stressresistens, såsom Micrococcales og Bacillales. (4) Korrelationsanalysen viste, at 2'-acetylacteosid er positivt korreleret med Oceanospirillales, og echinacosid er signifikant positivt korreleret med Sphingomonadales. (5) Tax4Fun forudsiger, at de metaboliske funktionsprofiler af tre økotyper af jordmikrobiomet er beriget i metabolisme og miljøinformationsbehandling.
Referencer
1. Zheng, S., Jiang, X., Wu, L., Wang, Z. & Huang, L. Kemisk og genetisk diskrimination af cistanches herba baseret på UPLC-QTOF/MS og DNA-stregkodning. Plus One 9, e98061 (2014).
2. Li, Z. et al. Økologisk modellering af Cistanche deserticola YC Ma i Alxa, Kina. Scientific reports 9, 13134, https://doi.org/10.1038/ s41598-019-48397-6 (2019).
3. Joseph, E. et al. Struktur, variation og samling af de rodassocierede mikrobiomer af ris. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112, E911 (2015).
4. Jansson, JK & Hofmockel, KS Jordens mikrobiom og klimaændringer. Naturanmeldelser. Microbiology, https://doi.org/10.1038/ s41579-019-0265-7 (2019).
5. Wang, X. et al. Sammenligning af de kemiske profiler og antioxidantaktiviteter af forskellige dele af dyrket Cistanche deserticola ved hjælp af Ultra Performance væskekromatografi-Quadrupole Time-of-Flight massespektrometri og en 1,1-Diphenyl-2- picrylhydrazyl-baseret analyse. Molecules 22, 2011 (2017).
6. Yang, L. et al. Fordelagtige virkninger af total phenylethanoidglycosidfraktion isoleret fra Cistanche deserticola på knoglemikrostruktur hos ovariektomiserede rotter. Oxidativ medicin og cellulær levetid 2019, 2370862, https://doi. org/10.1155/2019/2370862 (2019).
7. Liu, W. et al. Fra (1)H NMR-baseret ikke-målrettet til LC-MS-baseret målrettet metabolomics-strategi for dybdegående kamillesammenligninger blandt fire Cistanche-arter. Journal of pharmaceutical and biomedical analysis 162, 16-27, https://doi.org/10.1016/j. jpba.2018.09.013 (2019).
8. Chen, H. et al. Kernemikrobiom af lægeplante Salvia miltiorrhiza frø: Et rigt reservoir af gavnlige mikrober til sekundær metabolisme? International Journal of Molecular Sciences 19, 672 (2018).
9. Sonnenburg, JL & Backhed, F. Diæt-mikrobiota-interaktioner som moderatorer af menneskelig metabolisme. Nature 535, 56–64, https://doi. org/10.1038/nature18846 (2016).
10. Ju, F. & Zhang, T. 16S rRNA gen high-throughput sekventeringsdata mining af mikrobiel diversitet og interaktioner. Anvendt mikrobiologi og bioteknologi 99, 4119–4129 (2015).
11. Cui, J.-L., Vijayakumar, V. & Zhang, G. Opdeling af svampeendofytsamlinger i rodparasitplanten Cynomorium songaricum og dens vært Nitraria tangutorum. Frontiers in microbiology 9, 666 (2018).
12. Fan, P., Liu, P., Song, P., Chen, X. & Ma, X. Moderat diætproteinrestriktion ændrer sammensætningen af tarmmikrobiota og forbedrer ileal barrierefunktion i en voksen grisemodel. Scientific reports 7, 43412 (2017).
13. Munyaka, PM et al. Mo1774 prænatal antibiotikabehandling øger afkoms modtagelighed for eksperimentel colitis: en rolle for tarmmikrobiotaen. Plus One 10, e0142536 (2015).
14. Zhao, Y. et al. Effekten af blandingsintensitet på ydeevnen og den mikrobielle dynamik af en enkelt vertikal reaktor, der integrerer acidogene og methanogene faser i lignocellulose-biomassefordøjelse. Bioressourceteknologi 238, 542–551 (2017).
15. Cole, JR et al. Ribosomal Database Project: forbedrede justeringer og nye værktøjer til rRNA-analyse. (2009).
16. Edgar, RC UPARSE: meget nøjagtige OTU-sekvenser fra mikrobielle amplikonlæsninger. Nature Methods 10, 996 (2013).
17. Yu, W. et al. Sammenligning af niveauerne af bakteriediversitet i ferskvands-, tidevandsvådområder og marine sedimenter ved hjælp af millioner af Illumina-mærker. Applied & Environmental Microbiology 78, 8264 (2012).
18. Jiang, XT et al. Illumina-sekventering af 16S rRNA-tag afslørede rumlige variationer af bakteriesamfund i et mangrovevådområde. Microbial Ecology 66, 96-104 (2013).
19. Sanner, MF Python: et programmeringssprog til softwareintegration og -udvikling. Journal of Molecular Graphics & Modeling
17, 57–61 (1999).
20. Caporaso, JG et al. QIIME tillader analyse af high-throughput community-sekventeringsdata. Nat Methods 7, 335-336, https://doi. org/10.1038/nmeth.f.303 (2010).
21. Chong, J., Liu, P., Zhou, G. & Xia, J. Brug af MicrobiomeAnalyst til omfattende statistisk, funktionel og meta-analyse af mikrobiomdata. Nature Protocols, 1–23 (2020).
22. Dhariwal, A. et al. MicrobiomeAnalyst: et webbaseret værktøj til omfattende statistisk, visuel og metaanalyse af mikrobiomdata. Nukleinsyreforskning 45, W180–W188 (2017).
23. Šmilauer, P. & Lepš, J. Multivariat analyse af økologiske data ved hjælp af CANOCO 5. (Cambridge university press (2014).
24. Shannon, P. et al. Cytoscape: et softwaremiljø til integrerede modeller af biomolekylære interaktionsnetværk. Genome Research 13, 2498-2504 (2003).
25. Asshauer, KP, Wemheuer, B., Daniel, R. & Meinicke, P. Tax4Fun: forudsigelse af funktionelle profiler fra metagenomiske 16S rRNA-data. Bioinformatics (Oxford, England) 31, 2882-2884, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv287 (2015).
26. Koo, H. et al. Sammenligning af to bioinformatikværktøjer brugt til at karakterisere den mikrobielle mangfoldighed og forudsigelige funktionelle egenskaber af mikrobielle måtter fra Lake Obersee, Antarktis. Tidsskrift for mikrobiologiske metoder 140, 15–22 (2017).
27. Huang, L., Zheng, S., Wu, L., Jiang, X. & Chen, S. Økotyper af Cistanche deserticola baseret på kemisk sammensætning og molekylære egenskaber. Scientia Sinica Vitae 44, 318-328 (2014).
28. Gabriele, B. & Kornelia, S. Plantearter og jordtype former sammen strukturen og funktionen af mikrobielle samfund i rhizosfæren. Fems Microbiology Ecology 68, 1-13 (2010).
29. Parte, AC LPSN–liste over prokaryote navne med stående i nomenklatur. Nukleinsyreforskning 42, 613-616 (2014).
30. Pirog, T., Grinberg, T. & Malashenko, YR Beskyttende funktioner af exopolysaccharider produceret af en Acinetobacter sp. Microbiology (New York, NY) 66, 279-283 (1997).
31. Liu, Y.-H. et al. Diversitet, samfundsfordeling og vækstfremmende aktiviteter for endofytter forbundet med halofyt Lycium ruthenicum Murr. 3 Biotech 9, 144 (2019).
32. Staley, Bryant, Pfennig, Holt & JG Bergeys manual for systematisk bakteriologi - bind 4. Bergeys Manual of Systematic Bacteriology 38, 89-100 (1989).
33. Pasqua, RD et al. Indflydelse af forskellige lignocellulosekilder på endo-1,4- -glucanase-genekspression og enzymatisk aktivitet af Bacillus amyloliquefaciens B31C. Bioressourcer 9 (2014).
34. Pot, B. & Gillis, M. Oceanospirillum. (2015).
35. Euzeby, JP Liste over bakterienavne med stående i nomenklatur: en mappe tilgængelig på internettet. 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 og beslægtede slægter. Prokaryotes 7, 605-629 (2003).
37. Takeuchi, M., Hamana, K. & Hiraishi, A. Forslag om slægten Sphingomonas sensu stricto og tre nye slægter, Sphingobium, Novosphingobium og Sphingopyxis, på basis af fylogenetiske og kemotaxonomiske analyser. International Journal of Systematic & Evolutionary Microbiology 51, 1405-1417 (2001).
38. Saori, S. & Akira, H. Novosphingobium naphthalenivorans sp. nov., en naphthalennedbrydende bakterie isoleret fra polychlorerede-dioxin-forurenede miljøer. Journal of General & Applied Microbiology 53, 221-228 (2007).
39. Alánt, O., Pulay, I., Esztergályos, J. & Bodnár, A. Effekt af kirurgi på kulhydratmetabolisme. Acta Chirurgica Academiae Scientiarum Hungaricae 16, 307 (1975).
40. Grå, GM kulhydratfordøjelse og absorption. Encyclopedia of Gastroenterology 58, 275-278 (2004).
41. Coon, MJ & Robinson, WG Aminosyremetabolisme. (2003).
42. Purves, WK, Orians, G., Heller, C. & Sadava, D. Vida, LaCiencia de la Biología. 8ª udgave. Panamericana (2009).
43. Schneider, E. & Hunke, S. ATP-bindingskassette (ABC) transportsystemer: Funktionelle og strukturelle aspekter af de ATP-hydrolyserende underenheder/domæner. Fems Microbiology Reviews 22, 1-20 (1998).
44. Kleerebezem, M., Quadri, LE, Kuipers, OP & Vos, WM De. Quorum sensing af peptidferomoner og to-komponent signaltransduktionssystemer i grampositive bakterier. Molecular Microbiology 24, 895-904 (2010).
