Выделение и характеристика естественной микробиоты модельной нематоды Caenorhabditis elegans
Summary
Caenorhabditis elegans является одним из основных модельных видов в биологии, но почти все исследования проводятся в отсутствие его естественно связанных микробов. Методы, описанные здесь, помогут улучшить наше понимание разнообразия ассоциированных микробов в качестве основы для будущих функциональных исследований C. elegans .
Abstract
Нематода Caenorhabditis elegans взаимодействует с большим разнообразием микроорганизмов в природе. В целом, C. elegans обычно встречается в гнилом растительном материале, особенно в гнилых плодах, таких как яблоки или на компостных кучах. Он также связан с определенными беспозвоночными хозяевами, такими как слизни и мокрицы. Эти места обитания богаты микробами, которые служат пищей для C. elegans и которые также могут постоянно колонизировать кишечник нематоды. На сегодняшний день точное разнообразие и консистенция местной микробиоты C. elegans в разных местах обитания и географических местоположениях до конца не изучены. Здесь мы опишем подходящий подход для выделения C. elegans от природы и характеристики микробиоты червей. Нематод можно легко изолировать из компостного материала, гниющих яблок, слизней или привлечь, поместив яблоки на компостные кучи. Лучшее время для поиска C. elegans в Северном полушарии — с сентября по ноябрь. Черви могут быть вымыты из собранного материала субстрата путем погружения субстрата в буферный раствор с последующим сбором нематод и их переносом на среду роста нематод или буфер ПЦР для последующего анализа. Далее мы иллюстрируем, как образцы могут быть использованы для выделения и очистки микроорганизмов, связанных с червями, и для обработки червей для анализа рибосомной РНК 16S состава сообщества микробиоты. В целом, описанные методы могут стимулировать новые исследования по характеристике микробиоты C. elegans в местах обитания и географических местоположениях, тем самым помогая получить всестороннее понимание разнообразия и стабильности микробиоты нематоды в качестве основы для будущих функциональных исследований.
Introduction
В природе C. elegans обычно встречается в гнилом растительном веществе, особенно в гнилых фруктах, таких как яблоки или на компостных кучах1. Он также связан с определенными беспозвоночными хозяевами, такими как слизни и мокрицы 2,3. Эти места обитания богаты микробами, которые не только служат пищей для червя, но и могут образовывать с ним устойчивые ассоциации. Информация о разнообразии естественно ассоциированных микроорганизмов была опубликована только в 2016 году 4,5,6. С тех пор эти и только несколько более поздних исследований показали, что C. elegans связан с различными бактериями и грибами, чаще всего включая бактерии рода Pseudomonas, Enterobacter, Ochrobactrum, Erwinia, Comamonas, Gluconobacter и некоторые другие 6,7,8. Несколько ассоциированных бактерий могут стабильно колонизировать кишечник червя, хотя не все 6,9,10,11,12. Они, вероятно, будут иметь ключевое значение для нашего понимания биологии C. elegans, потому что они могут обеспечить питание, защитить от патогенов и, возможно, других стрессоров и влиять на основные черты истории жизни, такие как репродуктивная скорость, развитие или поведенческие реакции.
Например, естественно ассоциированные изоляты родов Pseudomonas, Ochrobactrum, а также Enterobacter или Gluconobacter могут защищать червя от заражения патогенами и убивать различными способами 5,6,11,13,14. Специфический изолят рода Comamonas влияет на диетическую реакцию нематод, развитие, продолжительность жизни и фертильность 15,16,17. Бактерии Providencia продуцируют нейромодулятор тирамин и тем самым модулируют активность нервной системы хозяина и результирующие поведенческие реакции18. Было продемонстрировано, что набор различных естественно ассоциированных бактерий влияет на темпы роста населения, фертильность и поведенческие реакции 5,6,9,11,19.
На сегодняшний день точное разнообразие и консистенция местной микробиоты C. elegans в местах обитания и географических местоположениях не полностью поняты, и дальнейшие ассоциации между червем и микробами из его окружающей среды еще предстоит раскрыть. В нескольких предыдущих исследованиях использовались бактериальные штаммы, выделенные из некоторой почвенной среды, естественных мест обитания C. elegans или из экспериментов с мезокосмом (то есть лабораторных сред, которые воссоздают естественную среду обитания) с лабораторными штаммами C. elegans 4,5,20. Несмотря на то, что эти исследования дали новое представление о влиянии микробов на конкретные черты нематод (например, метаболизм нематод21), актуальность этих взаимодействий для биологии C. elegans в природе неясна. Поэтому в данной рукописи описываются методы непосредственного выделения C. elegans от природы и выделения и последующей характеристики естественно связанных микробов как от отдельных червей, так и от групп червей. Описанные способы представляют собой обновленный и улучшенный вариант процедур, применявшихся ранее для выделения и характеристики природного C. elegans и его нативной микробиоты 2,6,7. Учитывая, что C. elegans широко встречается в разлагающемся растительном веществе по всему земному шару (особенно в гниющих фруктах, умеренных регионах и осенью)1,2,22,23,24,25, этот протокол может применяться любой лабораторией всякий раз, когда есть интерес к связи C. elegans черты к естественно связанным микробам и, следовательно, более естественно релевантный контекст. Последнее имеет решающее значение для полного понимания биологии нематоды, потому что из множества других систем-хозяев известно, что связанная микробиота может влиять на различные характеристики истории жизни26, аспект, который в настоящее время в значительной степени игнорируется во множестве исследований C. elegans почти во всех дисциплинах наук о жизни.
Protocol
Representative Results
Discussion
Нематода Caenorhabditis elegans является одним из наиболее интенсивно изучаемых модельных организмов в биологических исследованиях. Он был введен Сиднеем Бреннером в 1960-х годах, первоначально для понимания развития и функции нервной системы29. С тех пор C. elegans стал мощной м?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы признаем финансовую поддержку со стороны Немецкого научного фонда (проекты A1.1 и A1.2 Центра совместных исследований 1182 по происхождению и функциям метаорганизмов). Мы благодарим членов лаборатории Шуленбурга за их советы и поддержку.
Referências
- Schulenburg, H., Félix, M. -. A. The natural biotic environment of Caenorhabditis elegans. Genética. 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. Genética. 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. Genética. 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).
