Model Nematod Caenorhabditis elegans'ın Doğal Mikrobiyotasının İzolasyonu ve Karakterizasyonu
Summary
Caenorhabditis elegans , biyolojideki ana model türlerden biridir, ancak neredeyse tüm araştırmalar doğal olarak ilişkili mikroplarının yokluğunda gerçekleştirilir. Burada açıklanan yöntemler, gelecekteki fonksiyonel C. elegans araştırmalarının temeli olarak ilişkili mikropların çeşitliliği hakkındaki anlayışımızı geliştirmeye yardımcı olacaktır.
Abstract
Nematod Caenorhabditis elegans, doğada çok çeşitli mikroorganizmalarla etkileşime girer. Genel olarak, C. elegans genellikle çürümüş bitki maddesinde, özellikle elma gibi çürümüş meyvelerde veya kompost yığınlarında bulunur. Ayrıca sümüklü böcek ve woodlice gibi bazı omurgasız konakçılarla da ilişkilidir. Bu habitatlar, C. elegans için yiyecek görevi gören ve aynı zamanda nematod bağırsağını ısrarla kolonize edebilen mikroplar bakımından zengindir. Bugüne kadar, yerli C. elegans mikrobiyotasının habitatlar ve coğrafi konumlar arasındaki tam çeşitliliği ve tutarlılığı tam olarak anlaşılamamıştır. Burada, C. elegans’ı doğadan izole etmek ve solucanların mikrobiyotasını karakterize etmek için uygun bir yaklaşım açıklıyoruz. Nematodlar kompost malzemesinden, çürüyen elmalardan, sümüklü böceklerden kolayca izole edilebilir veya elmaları kompost yığınlarına yerleştirerek çekilebilir. Kuzey Yarımküre’de C. elegans’ı bulmak için en uygun zaman eylül ayından kasım ayına kadardır. Solucanlar, substratı tampon çözeltisine batırarak toplanan substrat malzemesinden yıkanabilir, ardından nematodların toplanması ve sonraki analizler için nematod büyüme ortamına veya PCR tamponuna aktarılması ile takip edilebilir. Ayrıca, örneklerin solucanla ilişkili mikroorganizmaları izole etmek ve saflaştırmak ve mikrobiyota topluluğu kompozisyonunun 16S ribozomal RNA analizi için solucanları işlemek için nasıl kullanılabileceğini gösteriyoruz. Genel olarak, açıklanan yöntemler, C. elegans mikrobiyotasının habitatlar ve coğrafi konumlar arasında karakterizasyonu üzerine yeni araştırmaları teşvik edebilir, böylece gelecekteki fonksiyonel araştırmalar için bir temel olarak nematodun mikrobiyotasının çeşitliliği ve stabilitesi hakkında kapsamlı bir anlayış elde edilmesine yardımcı olabilir.
Introduction
Doğada, C. elegans genellikle çürümüş bitki maddesinde, özellikle elma gibi çürümüş meyvelerde veya kompost yığınlarındabulunur 1. Ayrıca sümüklü böcek ve woodlice 2,3 gibi bazı omurgasız konakçılarla da ilişkilidir. Bu habitatlar, sadece solucan için yiyecek olarak hizmet etmekle kalmayıp, aynı zamanda onunla istikrarlı ilişkiler kurabilen mikroplar bakımından zengindir. Doğal olarak ilişkili mikroorganizmaların çeşitliliği ile ilgili bilgiler sadece 2016 yılında yayınlanmıştır 4,5,6. O zamandan beri, bu ve sadece birkaç yeni çalışma, C. elegans’ın, en yaygın olarak Pseudomonas, Enterobacter, Ochrobactrum, Erwinia, Comamonas, Gluconobacter ve diğerleri 6,7,8 cinsinin bakterilerini içeren çeşitli bakteri ve mantarlarla ilişkili olduğunu ortaya koymuştur. Birkaç ilişkili bakteri,solucan bağırsağını istikrarlı bir şekilde kolonize edebilir, ancak hepsi 6,9,10,11,12 değildir. C. elegans biyolojisini anlamamız için kilit öneme sahip olmaları muhtemeldir, çünkü beslenme sağlayabilir, patojenlere ve muhtemelen diğer stresörlere karşı koruyabilir ve üreme hızı, gelişim veya davranışsal tepkiler gibi merkezi yaşam öyküsü özelliklerini etkileyebilirler.
Örnek olarak, Pseudomonas, Ochrobactrum ve ayrıca Enterobacter veya Gluconobacter cinslerinin doğal olarak ilişkili izolatları, solucanı patojen enfeksiyonundan koruyabilir ve 5,6,11,13,14 farklı şekillerde öldürebilir. Comamonas cinsinin spesifik bir izolatı nematod diyet tepkisini, gelişimini, ömrünü ve doğurganlığı etkiler15,16,17. Providencia bakterileri nöromodülatör tiramin üretir ve böylece konakçı sinir sistemi aktivitesini ve bunun sonucunda ortaya çıkan davranışsal tepkileri modüle eder18. Doğal olarak ilişkili bir dizi farklı bakterinin nüfus artış hızını, doğurganlığı ve davranışsal tepkileri etkilediği gösterilmiştir 5,6,9,11,19.
Bugüne kadar, yerli C. elegans mikrobiyotasının habitatlar ve coğrafi konumlar arasındaki tam çeşitliliği ve tutarlılığı tam olarak anlaşılamamıştır ve solucan ile çevresinden mikroplar arasındaki diğer ilişkiler ortaya çıkarılmaya devam etmektedir. Önceki birkaç çalışmada, bazı toprak ortamlarından, doğal C. elegans habitatlarından veya mezokozmos deneylerinden (yani, doğal yaşam alanlarını yeniden yaratan laboratuvar tabanlı ortamlar) izole edilen bakteri suşları C. elegans laboratuvar suşları 4,5,20 ile kullanılmıştır. Bu çalışmalar, mikropların spesifik nematod özellikleri (örneğin, nematod metabolizması21) üzerindeki etkisine dair yeni bilgiler edinmiş olsa da, bu etkileşimlerin C. elegans biyolojisi ile doğadaki ilgisi belirsizdir. Bu nedenle, bu el yazması C. elegans’ı doğadan doğrudan izole etme ve doğal olarak ilişkili mikropları hem tek solucanlardan hem de solucan gruplarından izole etme ve daha sonra karakterize etme yöntemlerini açıklamaktadır. Açıklanan yöntemler, daha önce doğal C. elegans ve doğal mikrobiyotası 2,6,7’nin izolasyonu ve karakterizasyonu için kullanılan prosedürlerin güncellenmiş ve geliştirilmiş bir versiyonudur. C. elegans’ın dünya çapında bitki maddesinin ayrışmasında yaygın olarak bulunduğu göz önüne alındığında (özellikle çürüyen meyvelerde, ılıman bölgelerde ve sonbaharda)1,2,22,23,24,25, bu protokol, C. elegans ile ilgili ilgiye ilgi duyulduğunda herhangi bir laboratuvar tarafından uygulanabilir. doğal olarak ilişkili mikroplara ve dolayısıyla daha doğal olarak alakalı bir bağlama sahip olma özellikleri. İkincisi, nematodun biyolojisinin tam olarak anlaşılması için çok önemlidir, çünkü diğer konakçı sistemlerin çeşitliliğinden, ilişkili mikrobiyotanın çeşitli yaşam tarihi özelliklerini etkileyebileceği bilinmektedir26, şu anda neredeyse tüm yaşam bilimleri disiplinlerinde çok sayıda C. elegans çalışmasında büyük ölçüde ihmal edilen bir yön.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nematod Caenorhabditis elegans, biyolojik araştırmalarda en yoğun çalışılan model organizmalardan biridir. Sydney Brenner tarafından 1960’larda, başlangıçta sinir sisteminin gelişimini ve işlevini anlamak için tanıtıldı29. O zamandan beri, C. elegans davranışsal biyoloji, nörobiyoloji, yaşlanma, evrimsel biyoloji, hücre biyolojisi, gelişim biyolojisi ve immünoloji dahil olmak üzere tüm biyolojik disiplinlerdeki temel süreçleri incelemek için güçlü …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Alman Bilim Vakfı’nın mali desteğini kabul ediyoruz (Metaorganizmaların Kökeni ve İşlevi üzerine İşbirlikçi Araştırma Merkezi 1182’nin A1.1 ve A1.2 projeleri). Schulenburg laboratuvarı üyelerine tavsiye ve destekleri için teşekkür ederiz.
References
- Schulenburg, H., Félix, M. -. A. The natural biotic environment of Caenorhabditis elegans. Génétique. 206 (1), 55-86 (2017).
- Petersen, C., Dirksen, P., Prahl, S., Strathmann, E. A., Schulenburg, H. The prevalence of Caenorhabditis elegans across 1.5 years in selected North German locations: the importance of substrate type, abiotic parameters, and Caenorhabditis competitors. BMC Ecology. 14 (1), 4 (2014).
- Petersen, C., et al. Travelling at a slug’s pace: possible invertebrate vectors of Caenorhabditis nematodes. BMC Ecology. 15 (1), 19 (2015).
- Berg, M., et al. Assembly of the Caenorhabditis elegans gut microbiota from diverse soil microbial environments. The ISME Journal. 10 (8), 1998-2009 (2016).
- Samuel, B. S., Rowedder, H., Braendle, C., Félix, M. -. A., Ruvkun, G. Caenorhabditis elegans responses to bacteria from its natural habitats. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (27), 3941-3949 (2016).
- Dirksen, P., et al. The native microbiome of the nematode Caenorhabditis elegans: gateway to a new host-microbiome model. BMC Biology. 14 (1), 38 (2016).
- Johnke, J., Dirksen, P., Schulenburg, H. Community assembly of the native C. elegans microbiome is influenced by time, substrate and individual bacterial taxa. Environmental Microbiology. 22 (4), 1265-1279 (2020).
- Zhang, F., et al. Caenorhabditis elegans as a model for microbiome research. Frontiers in Microbiology. 8, 485 (2017).
- Dirksen, P., et al. CeMbio – The Caenorhabditis elegans microbiome resource. G3 Genes|Genomes|Genetics. 10 (9), 3025-3039 (2020).
- Zimmermann, J., et al. The functional repertoire contained within the native microbiota of the model nematode Caenorhabditis elegans. The ISME Journal. 14 (1), 26-38 (2019).
- Kissoyan, K. A. B., et al. Exploring effects of C. elegans protective natural microbiota on host physiology. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 12, 775728 (2022).
- Zhang, F., et al. Natural genetic variation drives microbiome selection in the Caenorhabditis elegans gut. Current Biology. 31 (12), 2603-2618 (2021).
- Berg, M., et al. TGFβ/BMP immune signaling affects abundance and function of C. elegans gut commensals. Nature Communications. 10 (1), 604 (2019).
- Kissoyan, K. A. B., et al. Natural C. elegans microbiota protects against infection via production of a cyclic lipopeptide of the viscosin group. Current Biology. 29 (6), 1030-1037 (2019).
- Watson, E., MacNeil, L. T., Arda, H. E., Zhu, L. J., Walhout, A. J. M. Integration of metabolic and gene regulatory networks modulates the C. elegans dietary response. Cell. 153 (1), 253-266 (2013).
- Watson, E., et al. Interspecies systems biology uncovers metabolites affecting C. elegans gene expression and life history traits. Cell. 156 (4), 759-770 (2014).
- MacNeil, L. T., Watson, E., Arda, H. E., Zhu, L. J., Walhout, A. J. M. Diet-induced developmental acceleration independent of TOR and insulin in C. elegans. Cell. 153 (1), 240-252 (2013).
- O’Donnell, M. P., Fox, B. W., Chao, P. -. H., Schroeder, F. C., Sengupta, P. A neurotransmitter produced by gut bacteria modulates host sensory behaviour. Nature. 583 (7816), 415-420 (2020).
- Snoek, B. L., et al. A multi-parent recombinant inbred line population of C. elegans allows identification of novel QTLs for complex life history traits. BMC Biology. 17 (1), 24 (2019).
- Avery, L., Shtonda, B. B. Food transport in the C. elegans pharynx. Journal of Experimental Biology. 206 (14), 2441-2457 (2003).
- Zhang, J., et al. A delicate balance between bacterial iron and reactive oxygen species supports optimal C. elegans development. Cell Host & Microbe. 26 (3), 400-411 (2019).
- Petersen, C., et al. Ten years of life in compost: temporal and spatial variation of North German Caenorhabditis elegans populations. Ecology and Evolution. 5 (16), 3250-3263 (2015).
- Félix, M. -. A., Duveau, F. Population dynamics and habitat sharing of natural populations of Caenorhabditis elegans and C. briggsae. BMC Biology. 10 (1), 59 (2012).
- Barrière, A., Félix, M. -. A. Temporal dynamics and linkage disequilibrium in natural Caenorhabditis elegans populations. Génétique. 176 (2), 999-1011 (2007).
- Dolgin, E. S., Félix, M. -. A., Cutter, A. D. Hakuna Nematoda: genetic and phenotypic diversity in African isolates of Caenorhabditis elegans and C. briggsae. Heredity. 100 (3), 304-315 (2008).
- Douglas, A. E. Simple animal models for microbiome research. Nature Reviews Microbiology. 17 (12), 764-775 (2019).
- Barrière, A., Félix, M. -. A. Isolation of C. elegans and related nematodes. WormBook. , 1-19 (2014).
- Weisburg, W. G., Barns, S. M., Pelletier, D. A., Lane, D. J. 16S ribosomal DNA amplification for phylogenetic study. Journal of Bacteriology. 173 (2), 697-703 (1991).
- Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Génétique. 77 (1), 71-94 (1974).
- Crombie, T. A., et al. Local adaptation and spatiotemporal patterns of genetic diversity revealed by repeated sampling of Caenorhabditis elegans across the Hawaiian Islands. Molecular Ecology. 31 (8), 2327-2347 (2022).
- Haber, M. Evolutionary history of Caenorhabditis elegans inferred from microsatellites: Evidence for spatial and temporal genetic differentiation and the occurrence of outbreeding. Molecular Biology and Evolution. 22 (1), 160-173 (2004).
- Watson, E., et al. Metabolic network rewiring of propionate flux compensates vitamin B12 deficiency in C. elegans. eLife. 5, 17670 (2016).
