عزل وتوصيف الجراثيم الطبيعية للنموذج الديدان الخيطية Caenorhabditis elegans
Summary
Caenorhabditis elegans هو أحد الأنواع النموذجية الرئيسية في علم الأحياء ، ومع ذلك يتم إجراء جميع الأبحاث تقريبا في غياب الميكروبات المرتبطة بها بشكل طبيعي. ستساعد الطرق الموضحة هنا على تحسين فهمنا لتنوع الميكروبات المرتبطة بها كأساس لأبحاث C. elegans الوظيفية المستقبلية.
Abstract
تتفاعل الديدان الخيطية Caenorhabditis elegans مع مجموعة كبيرة ومتنوعة من الكائنات الحية الدقيقة في الطبيعة. بشكل عام ، توجد C. elegans بشكل شائع في المواد النباتية الفاسدة ، وخاصة الفواكه الفاسدة مثل التفاح أو على أكوام السماد. كما أنه يرتبط ببعض مضيفات اللافقاريات مثل الرخويات وقمل الخشب. هذه الموائل غنية بالميكروبات ، والتي تعمل كغذاء ل C. elegans والتي يمكنها أيضا استعمار الأمعاء الخيطية باستمرار. حتى الآن ، لم يتم فهم التنوع الدقيق والاتساق لميكروبات C. elegans الأصلية عبر الموائل والمواقع الجغرافية بشكل كامل. هنا ، نصف نهجا مناسبا لعزل C. elegans عن الطبيعة وتوصيف الكائنات الحية الدقيقة للديدان. يمكن عزل الديدان الخيطية بسهولة عن مواد السماد أو التفاح المتعفن أو الرخويات أو جذبها عن طريق وضع التفاح على أكوام السماد. وقت الذروة للعثور على C. elegans في نصف الكرة الشمالي هو من سبتمبر حتى نوفمبر. يمكن غسل الديدان من مواد الركيزة المجمعة عن طريق غمر الركيزة في محلول عازل ، يليها جمع الديدان الخيطية ونقلها إلى وسط نمو الديدان الخيطية أو مخزن PCR المؤقت للتحليل اللاحق. نوضح كذلك كيف يمكن استخدام العينات لعزل وتنقية الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بالديدان ومعالجة الديدان لتحليل الحمض النووي الريبي الريبوسومي 16S لتكوين مجتمع الميكروبات. بشكل عام ، قد تحفز الطرق الموصوفة أبحاثا جديدة حول توصيف الكائنات الحية الدقيقة C. elegans عبر الموائل والمواقع الجغرافية ، مما يساعد على الحصول على فهم شامل لتنوع واستقرار ميكروبات الديدان الخيطية كأساس للبحث الوظيفي في المستقبل.
Introduction
في الطبيعة ، توجد C. elegans بشكل شائع في المواد النباتية الفاسدة ، وخاصة الفواكه الفاسدة مثل التفاح أو على أكوام السماد1. كما أنه يرتبط ببعض مضيفات اللافقاريات مثل الرخويات وقمل الخشب 2,3. هذه الموائل غنية بالميكروبات ، والتي لا تعمل فقط كغذاء للدودة ، ولكنها قد تشكل أيضا ارتباطات مستقرة معها. تم نشر معلومات عن تنوع الكائنات الحية الدقيقة المرتبطة بشكل طبيعي فقط في عام 20164،5،6. منذ ذلك الحين ، كشفت هذه الدراسات وعدد قليل فقط من الدراسات الحديثة أن C. elegans مرتبطة بمجموعة متنوعة من البكتيريا والفطريات ، بما في ذلك البكتيريا من جنس Pseudomonas ، Enterobacter ، Ochrobactrum ، Erwinia ، Comamonas ، Gluconobacter ، والعديد من الدراسات الأخرى6،7،8. يمكن للعديد من البكتيريا المرتبطة بها استعمار أمعاء الدودة بثبات ، على الرغم من أنها ليست كلها6،9،10،11،12. من المحتمل أن تكون ذات أهمية رئيسية لفهمنا لبيولوجيا C. elegans لأنها يمكن أن توفر التغذية ، وتحمي من مسببات الأمراض وربما الضغوطات الأخرى ، وتؤثر على سمات تاريخ الحياة المركزية مثل معدل التكاثر أو التطور أو الاستجابات السلوكية.
على سبيل المثال ، يمكن للعزلات المرتبطة بشكل طبيعي من أجناس Pseudomonas و Ochrobactrum وأيضا Enterobacter أو Gluconobacter أن تحمي الدودة من العدوى الممرضة والقتل بطرق مميزة5،6،11،13،14. تؤثر عزلة محددة من جنس Comamonas على الاستجابة الغذائية للديدان الخيطية وتطورها وعمرها وخصوبتها15،16،17. تنتج بكتيريا بروفيدنسيا التيرامين المعدل العصبي وبالتالي تعدل نشاط الجهاز العصبي المضيف والاستجابات السلوكية الناتجة18. تم إثبات أن مجموعة من البكتيريا المختلفة المرتبطة بشكل طبيعي تؤثر على معدل النمو السكاني والخصوبة والاستجابات السلوكية5،6،9،11،19.
حتى الآن ، لم يتم فهم التنوع والاتساق الدقيق لميكروبات C. elegans الأصلية عبر الموائل والمواقع الجغرافية بشكل كامل ، ولا يزال يتعين الكشف عن المزيد من الارتباطات بين الدودة والميكروبات من بيئتها. استخدمت العديد من الدراسات السابقة سلالات بكتيرية معزولة من بعض بيئة التربة ، أو موائل C. elegans الطبيعية ، أو من تجارب mesocosm (أي البيئات القائمة على المختبر التي تعيد إنشاء الموائل الطبيعية) مع سلالات مختبر C. elegans 4،5،20. على الرغم من أن هذه الدراسات حصلت على رؤى جديدة حول تأثير الميكروبات على سمات الديدان الخيطية المحددة (على سبيل المثال ، استقلاب الديدان الخيطية21) ، فإن أهمية هذه التفاعلات لبيولوجيا C. elegans في الطبيعة غير واضحة. لذلك ، تصف هذه المخطوطة طرق عزل C. elegans مباشرة عن الطبيعة وعزل الميكروبات المرتبطة بشكل طبيعي وتوصيفها لاحقا من كل من الديدان المفردة ومجموعات الديدان. الطرق الموصوفة هي نسخة محدثة ومحسنة من الإجراءات المستخدمة سابقا لعزل وتوصيف C. elegans الطبيعية والميكروبات الأصلية2،6،7. بالنظر إلى أن C. elegans موجود على نطاق واسع في المواد النباتية المتحللة في جميع أنحاء العالم (خاصة في الفواكه المتعفنة والمناطق المعتدلة وفي الخريف)1،2،22،23،24،25 ، يمكن تطبيق هذا البروتوكول من قبل أي مختبر كلما كان هناك اهتمام بربط C. elegans سمات الميكروبات المرتبطة بشكل طبيعي وبالتالي سياق أكثر صلة بشكل طبيعي. هذا الأخير محوري لفهم كامل لبيولوجيا الديدان الخيطية لأنه من المعروف من مجموعة متنوعة من الأنظمة المضيفة الأخرى أن الجراثيم المرتبطة بها يمكن أن تؤثر على خصائص تاريخ الحياة المتنوعة26 ، وهو جانب يتم إهماله حاليا إلى حد كبير في العديد من دراسات C. elegans عبر جميع تخصصات علوم الحياة تقريبا.
Protocol
Representative Results
Discussion
الديدان الخيطية Caenorhabditis elegans هي واحدة من أكثر الكائنات النموذجية التي تمت دراستها بشكل مكثف في البحوث البيولوجية. تم تقديمه من قبل سيدني برينر في 1960s ، في الأصل لفهم تطور ووظيفة الجهاز العصبي29. منذ ذلك الحين ، أصبحت C. elegans نموذجا قويا لدراسة العمليات الأساسية في جميع ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نحن نعترف بالدعم المالي من مؤسسة العلوم الألمانية (المشروعان A1.1 و A1.2 لمركز الأبحاث التعاونية 1182 حول أصل ووظيفة الكائنات الحية). نشكر أعضاء مختبر شولنبورغ على نصائحهم ودعمهم.
References
- Schulenburg, H., Félix, M. -. A. The natural biotic environment of Caenorhabditis elegans. Genetics. 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. Genetics. 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. Genetics. 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).
