מערכת גנוטוביוטית לחקר מכלול המיקרוביאום בפילולספירה ובתסיסה הצמחית
Summary
שיטה של גידול כרוב הנבט ללא חיידקים פותחה המאפשרת לחוקרים להעריך כיצד מינים בודדים או קהילות מיקרוביאלית מינים אינטראקציה על משטחים עלה כרוב. תמצית ירקות סטרילית מוצגת גם אשר ניתן להשתמש כדי למדוד משמרות בקומפוזיציה קהילתית במהלך תסיסה הירקות.
Abstract
The phyיוסה, החלק הקרקע מעל הצמח שיכול להיות הקולוניה על ידי חיידקים, היא מערכת מודל שימושי כדי לזהות תהליכים של האסיפה הקהילה חיידקים. פרוטוקול זה מתאר מערכת לחקר הדינמיקה הקהילתית מיקרוביאלית של צמחי כרוב נאפה. הוא מתאר כיצד לצמוח צמחים ללא חיידקים בצינורות הבדיקה עם חימר calcined המצע הציר התזונתי. החיסונים של צמחים ללא חיידקים עם תרבויות מסוימות של חיידקים מספקים הזדמנויות למדוד צמיחה חיידקים ודינמיקה קהילתית ב phyיוסה. באמצעות תמצית ירקות סטרילית המיוצרים ממשמרות כרובים בקהילות מיקרוביאלית המתרחשות במהלך החימוץ ניתן גם להעריך. מערכת זו פשוטה יחסית וזולה להקים במעבדה וניתן להשתמש בה לטיפול בשאלות אקולוגיות מרכזיות בהרכבה קהילתית מיקרוביאלית. הוא גם מספק הזדמנויות כדי להבין כיצד הרכב הקהילה phyיוסה יכול להשפיע על מגוון חיידקים ואיכות של fermentations ירקות. גישה זו לפיתוח קהילות הגנוטוביוטיקה כרוב יכול להיות מיושם על מינים אחרים הצמח פראי וחקלאי.
Introduction
מגוון מיקרוביאלית של ה phyיוסה ממלא תפקיד חשוב בשמירה על בריאות הצמח והוא יכול גם להשפיע על היכולת של צמחים לעמוד בלחץ סביבתי1,2,3,4,5. בתורו, בריאות היבול משפיע ישירות על בטיחות המזון ואיכות6,7. צמחים לשחק תפקיד בתפקוד המערכת האקולוגית ואת microbiomes המשויכים שלהם הן משפיעות על היכולת של צמחים לבצע פעילויות אלה, כמו גם השפעה ישירה על הסביבה עצמה8. בעוד מדענים החלו לפענח את הפונקציה ואת ההרכב של phyיוסה, התהליכים האקולוגיים המשפיעים על האסיפה הקהילתית של הפילוספירה לא מובנים לגמרי9,10. מיקרובידום phyיוסה היא מערכת ניסיונית מעולה לחקר האקולוגיה של microbiome11. קהילות אלה פשוטות יחסית ורבים מחברי הקהילה יכולים לגדול בתקשורת מעבדה סטנדרטית10,12,13.
ירקות תוססים הם מערכת אחת שבה למבנה הקהילתי של הפיללספירה יש השלכות חשובות. הן בכרוב החמוץ ובקימחי, החיידקים המתרחשים באופן טבעי על עלי הירק (מינים של כרוב כרוב ) משמש כרשת החימוץ לתסיסה14,15. חיידקים חומצה לקטית (LAB) נחשבים חברים בכל מקום של microbiomes ירקות, אולם הם יכולים להיות בשפע נמוך ב phyיוסה כדור16. בחירה מוצקה חזקה במהלך התסיסה כוננים משמרת בקומפוזיציה של הקהילה מיקרוביאלית המאפשרת לחיידקים חומצת חלב להגדיל בשפע. כמו המעבדה לצמוח, הם מייצרים חומצה לקטית אשר יוצר את הסביבה חומצי של מוצרי ירקות תוססים17. הקשר בין phyיוסה ואת התסיסה מספק הזדמנות להשתמש בירקות כמודל כדי להבין כיצד microbiomes בנויים.
פיתחנו שיטות לגדל חיידקים בעלי כרוב נאפה ולאפשר להם לחסן אותם עם קהילות מחיידקים ספציפיים באמצעות בקבוקי ריסוס. זוהי שיטה זולה ואמינה של שווה לדבר על כרוב עם חיידקים בודדים או קהילות מעורבות. תמצית ירקות סטרילית (SVE) פותחה גם משלושה סוגים שונים של כרוב/זנים: כרוב אדום וירוק(כרוב)וכרוב נאפה (ב. ראפא). תוספת המלח לאלה משכפל את סביבת התסיסה ומאפשרת מחקרים ניסיוניים בהיקפים קטנים ובקצב גבוה יחסית של הרכבה מיקרוביזום תסיסה. ניתן להשתמש בשיטות אלה כדי ללמוד הרכבה קהילתית מיקרוביאלית בתחום הפילולספירה, וכיצד ניתן לקשר בין הדינמיקה הקהילתית של מיקרוביאלית להצלחת התסיסה הצמחית.
Protocol
Representative Results
Discussion
נבט ללא חיידקים צמחים כרוב נאפה שימשו כדי ללמוד הגבלת הפיזור של חיידקים חומצה לקטית בתוך הכרוב נאפה phyיוסה17. נבט חינם נאפה כרובים יכול לשמש גם כדי לבדוק את הצמיחה בודדים או זוג ביותר ב phyיוסה (איור 1). שיטות להכנת תמצית ירקות סטרילית נבדקה עבור שלושה זנים שונים ש?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו תמכה במענק משרד החקלאות-NIFA: 2017-67013-26520. טרייסי דבנפורט וקלייר פוגן סיפקו תמיכה טכנית ורובי יה וקייסי Cosetta לספק הערות מועילות על גרסאות מוקדמות של כתב יד זה.
Materials
| 1.5 mL microcentrifuge tubes | VWR | 20170-650 | |
| 15 mL conical tubes | Falcon | 352096 | |
| 7-way tray tray | Sigma Magenta | T8654 | |
| Amber Round Boston Glass Bottle | GPS 712OZSPPK12BR | Ordered on Amazon.com from various suppliers | |
| Basket coffee filters | If you care | (unbleached paper) Purchased from Wholefoods | |
| Bleach (mercury-free) | Austin's | 50-010-45 | |
| Borosilicate Glass tubes | VWR | 47729-586 | |
| Calcined clay | Turface | MVP | Ordered on Amazon.com from Root Naturally 6 Quart Bags. Particle size approximately 3-5 mm |
| Cuisinart blender | Cuisinart | Cuisinart Mini-Prep Plus Food Processor, 3-Cup | |
| Dissection scissors | 7-389-A | American Educational Products | Ordered on Amazon.com |
| Ethanol | VWR | 89125-172 | |
| Forceps | Aven | 18434 | Ordered on Amazon.com |
| Glycerol | Fisher Scientific | 56-81-5 | |
| KleenGuard M10 | Kimberley-Clark | 64240 | |
| Large plastic container | Rubbermaid | Ordered on Amazon.com | |
| Light racks | Gardner's Supply | 39-357 | full-spectrum T5 fluorescent bulbs |
| Magenta tm 2-way caps | Millipore Sigma | C1934 | |
| Man, Rogosa, and Sharpe | Fisher Scientific | DF0881-17-5 | This media is for broth and 15 g of agar is added to make plates |
| Micro pH probe | Thermo Scientific | 8220BNWP | |
| Micropestle | Carolina | 215828 | Also called Pellet Pestle |
| MS nutrient broth | Millipore Sigma | M5519 | Murashige and Skoog Basal Medium |
| NaCl | Sigma Aldrich | S9888 | |
| Napa cabbage seeds | Johnny's Select Seeds | 2814G | B. rapa var pekinensis (Bilko) |
| Petri dish 100 mm x 15 mm | Fisher | FB0875712 | Used to make agar plates |
| Phosphate buffer saline | Fisher Scientific | 50-842-941 | Teknova |
| Plant tissue culture box | Sigma | Magenta GA-7 | |
| Serologial pipettes | VWR | 89130-900 | |
| Sterile dowel | Puritan | 10805-018 | Autoclave before use to sterilize |
| Sterilizing 0.2 µm filter | Nalgene | 974103 | |
| Tryptic soy agar | Fisher Scientific | DF0370-17-3 | This media is for broth and 15 g of agar is added to make plates |
| Wide orifice pipette tips | Rainin | 17007102 | |
| Yeast, peptone and dextrose | Fisher Scientific | DF0428-17-5 | This media is suitable but media can also be made using yeast, peptone and dextrose, add 15 g of agar when making plates |
References
- Grady, K. L., Sorensen, J. W., Stopnisek, N., Guittar, J., Shade, A. Assembly and seasonality of core phyllosphere microbiota on perennial biofuel crops. Nature Communications. 10 (1), 4135 (2019).
- Pii, Y., et al. Microbial interactions in the rhizosphere: beneficial influences of plant growth-promoting rhizobacteria on nutrient acquisition process. A review. Biology and Fertility of Soils. 51 (4), 403-415 (2015).
- Berendsen, R. L., Pieterse, C. M. J., Bakker, P. A. H. M. The rhizosphere microbiome and plant health. Trends in Plant Science. 17 (8), 478-486 (2012).
- Bai, Y., et al. Functional overlap of the Arabidopsis leaf and root microbiota. Nature. 528 (7582), 364-369 (2015).
- Bulgarelli, D., Schlaeppi, K., Spaepen, S., Ver Loren van Themaat, E., Schulze-Lefert, P. Structure and functions of the bacterial microbiota of plants. Annual Review of Plant Biology. 64, 807-838 (2013).
- Dinu, L. D., Bach, S. Induction of viable but nonculturable Escherichia coli O157:H7 in the phyllosphere of lettuce: a food safety risk factor. Applied and Environmental Microbiology. 77 (23), 8295-8302 (2011).
- Heaton, J. C., Jones, K. Microbial contamination of fruit and vegetables and the behaviour of enteropathogens in the phyllosphere: a review. Journal of Applied Microbiology. 104 (3), 613-626 (2008).
- Bringel, F., Couée, I. Pivotal roles of phyllosphere microorganisms at the interface between plant functioning and atmospheric trace gas dynamics. Frontiers in Microbiology. 6, 486 (2015).
- Maignien, L., DeForce, E. A., Chafee, M. E., Eren, A. M., Simmons, S. L. Ecological succession and stochastic variation in the assembly of Arabidopsis thaliana phyllosphere communities. mBio. 5 (1), e00682 (2014).
- Carlström, C. I., et al. Synthetic microbiota reveal priority effects and keystone strains in the Arabidopsis phyllosphere. Nature Ecology & Evolution. 3 (10), 1445-1454 (2019).
- Meyer, K. M., Leveau, J. H. J. Microbiology of the phyllosphere: a playground for testing ecological concepts. Oecologia. 168 (3), 621-629 (2012).
- Humphrey, P. T., Nguyen, T. T., Villalobos, M. M., Whiteman, N. K. Diversity and abundance of phyllosphere bacteria are linked to insect herbivory. Molecular Ecology. 23 (6), 1497-1515 (2014).
- Williams, T. R., Marco, M. L. Phyllosphere microbiota composition and microbial community transplantation on lettuce plants grown indoors. mBio. 5 (4), e01564 (2014).
- Di Cagno, R., Coda, R., De Angelis, M., Gobbetti, M. Exploitation of vegetables and fruits through lactic acid fermentation. Food Microbiology. 33 (1), 1-10 (2013).
- Köberl, M., et al. Deciphering the microbiome shift during fermentation of medicinal plants. Scientific Reports. 9 (1), 13461 (2019).
- Yu, A. O., Leveau, J. H. J., Marco, M. L. Abundance, diversity and plant-specific adaptations of plant-associated lactic acid bacteria. Environmental Microbiology Reports. 12 (1), 16-29 (2020).
- Miller, E. R., et al. Establishment limitation constrains the abundance of lactic acid bacteria in the Napa cabbage phyllosphere. Applied and Environmental Microbiology. 85 (13), e00269 (2019).
- Stamer, J. R., Stoyla, B. O., Dunckel, B. A. Growth rates and fermentation patterns of lactic acid bacteria associated with sauerkraut fermentation. Journal of Milk and Food Technology. 34 (11), 521-525 (1971).
- Yildiz, F., Westhoff, D. Associative growth of lactic acid bacteria in cabbage juice. Journal of Food Science. 46 (3), 962-963 (1981).
- Zabat, M. A., Sano, W. H., Wurster, J. I., Cabral, D. J., Belenky, P. Microbial community analysis of sauerkraut fermentation reveals a stable and rapidly established community. Foods. 7 (5), 77 (2018).
- Lee, S. H., Jung, J. Y., Jeon, C. O. Source tracking and succession of kimchi lactic acid bacteria during fermentation. Journal of Food Science. 80 (8), M1871 (2015).
- Trivedi, P., Schenk, P. M., Wallenstein, M. D., Singh, B. K. Tiny Microbes, Big Yields: enhancing food crop production with biological solutions. Microbial Biotechnology. 10 (5), 999-1003 (2017).
- Knief, C., et al. Metaproteogenomic analysis of microbial communities in the phyllosphere and rhizosphere of rice. The ISME Journal. 6 (7), 1378-1390 (2012).
- Wuyts, S., et al. Carrot Juice Fermentations as Man-Made Microbial Ecosystems Dominated by Lactic Acid Bacteria. Applied and Environmental Microbiology. 84 (12), AEM.00134 (2018).
- Niu, B., Paulson, J. N., Zheng, X., Kolter, R. Simplified and representative bacterial community of maize roots. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (12), E2450-E2459 (2017).
- Steinkraus, K. H. Lactic acid fermentation in the production of foods from vegetables, cereals and legumes. Antonie van Leeuwenhoek. 49 (3), 337-348 (1983).
