RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ar
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
تجلب العوالم المصغرة للسماد التنوع الميكروبي الموجود في الطبيعة إلى المختبر لتسهيل أبحاث الميكروبيوم في Caenorhabditis elegans. فيما يلي بروتوكولات لإعداد تجارب العالم المصغر ، حيث تظهر التجارب القدرة على تعديل التنوع الميكروبي البيئي لاستكشاف العلاقات بين التنوع الميكروبي البيئي وتكوين ميكروبيوم الأمعاء الدودية.
تظهر الديدان الخيطية Caenorhabditis elegans كنموذج مفيد لدراسة الآليات الجزيئية الكامنة وراء التفاعلات بين المضيفين وميكروبيوم الأمعاء. في حين أن التجارب مع البكتيريا ذات الخصائص الجيدة أو المجتمعات البكتيرية المحددة يمكن أن تسهل تحليل الآليات الجزيئية ، فإن دراسة الديدان الخيطية في سياقها الميكروبي الطبيعي أمر ضروري لاستكشاف تنوع هذه الآليات. في الوقت نفسه ، فإن عزل الديدان عن البرية ليس ممكنا دائما ، وحتى عندما يكون ذلك ممكنا ، فإن أخذ العينات من البرية يقيد استخدام مجموعة الأدوات الجينية المتاحة بخلاف ذلك لأبحاث C. elegans. يصف البروتوكول التالي طريقة لدراسات الميكروبيوم باستخدام عوالم مصغرة للسماد للنمو داخل المختبر في بيئات متنوعة ميكروبيا وشبيهة بالطبيعة.
يمكن إثراء التربة من مصادر محلية بالمنتجات لتنويع المجتمعات الميكروبية التي تربى فيها الديدان والتي يتم حصادها وغسلها وتعقيمها سطحيا لإجراء تحليلات لاحقة. تظهر التجارب التمثيلية القدرة على تعديل المجتمع الميكروبي في تربة مشتركة عن طريق إثرائها بمنتجات مختلفة وتثبت كذلك أن الديدان التي تربى في هذه البيئات المتميزة تجمع ميكروبيوم الأمعاء المماثل المتميز عن بيئاتها الخاصة ، مما يدعم فكرة ميكروبيوم الأمعاء الأساسي الخاص بالأنواع. بشكل عام ، توفر العوالم المصغرة للسماد بيئات معملية شبيهة بالطبيعة لأبحاث الميكروبيوم كبديل للمجتمعات الميكروبية الاصطناعية أو لعزل الديدان الخيطية البرية.
تظهر الديدان الخيطية Caenorhabditis elegans كنموذج مفيد لدراسة التفاعلات بين المضيفين وميكروبيوم الأمعاء 1,2. كنموذج ، فإنه يوفر العديد من المزايا. أولا ، من السهل الحصول على الحيوانات الخالية من الجراثيم أو gnotobiotic وصيانتها ؛ يمكن استخدام المبيض لقتل الديدان الجاذبة والميكروبات المرتبطة بها ، تاركا بيضها المقاوم للتبييض دون أن يصاب بأذى لينمو كمجموعات متزامنة مع العمر يمكن أن تستعمرها البكتيريا ذات الأهمية 3,4. بالإضافة إلى ذلك ، عندما تزرع في وجود البكتيريا ، فإن C. elegans ، وهي بكتيريا ، تبتلع البكتيريا التي تمت مواجهتها ، مع هضم الأنواع الحساسة أو إفرازها ، في حين أن الأنواع المقاومة والمستمرة تستعمر أمعاء الدودة بثبات. علاوة على ذلك ، فإن C. elegans هي في الغالب خنثى ، وتنتج مجموعات من ذرية متطابقة وراثيا ، مما يقلل من التباين الجيني المربك. إلى جانب توافر سلالات الديدان الطافرة والمحورة وراثيا ، فإن العمل مع C. elegans يقدم للباحثين نموذجا جنوبيوتيا وقابلا للتتبع وراثيا للتحقيق في الأسس الجزيئية للتفاعلات بين المضيف والميكروب5،6،7،8.
في حين أن التجارب على البكتيريا ذات الخصائص الجيدة يمكن أن تسهل تحليل الآليات الجزيئية ، فإن تحديد ودراسة البكتيريا التي تتفاعل معها الديدان في الطبيعة أمر ضروري لاستكشاف تنوع هذه الآليات ، وكشف السياق الطبيعي لوظيفتها ، وفهم القوى الانتقائية التي شكلت تطورها. خارج المختبر ، تم العثور على C. elegans عالميا في المناخات المعتدلة الرطبة ، حيث يعتقد أن السكان يخضعون لدورة حياة "الازدهار والكساد" ، والتي تتميز بالنمو السكاني السريع عندما تكون الموارد وفيرة ، يليها تحول تنموي إلى dauers رائدة وتتحمل الإجهاد عندما يتم استنفاد الموارد9. على الرغم من اعتبارها نيماتودا في التربة ، إلا أن مجموعات C. elegans المتكاثرة في البرية هي الأكثر شيوعا تتغذى على المواد العضوية المتحللة مثل الزهور أو الفواكه المتعفنة ، حيث تكون مجموعات البكتيريا وفيرة ومتنوعة.
حددت الدراسات التي أجريت على ميكروبيوم الأمعاء في الديدان الخيطية المعزولة من البرية مجتمعات بكتيرية متنوعة ، لكنها مميزة ، 10,11 ، تم دعم تكوينها بشكل أكبر من خلال الدراسات التي أجريت مع الديدان التي نشأت في بيئات مصغرة شبيهة بالطبيعة 12,13. مكنت هذه الدراسات معا من تحديد ميكروبيوم الأمعاء الدوديالأساسي 2. في حين أن أخذ عينات من مجموعات C. elegans في البرية يمثل الفحص الأكثر مباشرة للتفاعلات الطبيعية بين الدودة والميكروب ، إلا أنه غير ممكن في كل مكان وزمان ، لأنه يقتصر على المناطق والمواسم ذات الأمطار الوفيرة10,11. بدلا من ذلك ، بدلا من عزل الديدان عن بيئتها الطبيعية ، تجلب التجارب التي تستخدم العوالم المصغرة الموائل الطبيعية إلى المختبر6،8،12،13،14،15. يتم تحضير بيئات العالم المصغر من التربة المصنفة مع العديد من الفواكه أو الخضروات ، مما يتيح مزيدا من التنويع لمجتمع التربة الأولي. وهي توفر طرقا تجريبية قابلة للتتبع تجمع بين التنوع الميكروبي وبيئة التربة البرية ثلاثية الأبعاد مع المزايا التجريبية لمرفق مختبر خاضع للرقابة وسلالات دودة محددة وراثيا. يوضح البروتوكول أدناه بالتفصيل الخطوات التي ينطوي عليها العمل مع العوالم المصغرة للسماد ، مما يدل على استخدامها في فهم تجميع ميكروبيوم الأمعاء الدودي المميز من بيئات متنوعة.
1. تحضير السماد
2. إعداد السماد microalsms
3. تربية الديدان في عوالم مصغرة السماد

الشكل 1: تحضير العوالم المصغرة للسماد، وتربية الديدان، والحصاد . (أ) إثراء التربة المحلية أو السماد بالمنتجات واحتضانها لمدة 2 أسابيع. اجمع بين (B) التربة المخصبة المعقمة مع (C) المستخلص الميكروبي و (D) الاحتضان لمدة 24 ساعة على الأقل قبل إضافة ديدان L1s المتزامنة إلى العوالم المصغرة لبدء التجربة. (ه، واو) عندما تكون جاهزا للحصاد ، أضف السماد من العالم المصغر إلى أسطوانة دعم قمع بيرمان وقم بتغطيتها ب M9. (ز) بعد 15 دقيقة، حرر الراشح في أنبوب سعة 50 مل. اختصار: sup. = طاف طاف. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
4. تحضير قمع بيرمان لحصاد الديدان
5. حصاد الديدان من العوالم المصغرة وجمع عينات التربة المعنية
6. غسل وتعقيم سطح الديدان المحصودة
7. استخراج الحمض النووي
ملاحظة: تصف الخطوات التالية استخراج الحمض النووي للديدان المحصودة باستخدام مجموعة تجارية مصممة لاستخراج الحمض النووي الميكروبي من التربة (انظر جدول المواد) ، مع التعديلات الموضحة أدناه لتسهيل استخراج الحمض النووي الميكروبي من الديدان.
لاستكشاف القدرة على تنويع مجتمع العوالم المصغرة للتربة ، قارنا المجتمعات الميكروبية في عوالم مصغرة للسماد تم تحضيرها عن طريق إثراء نفس التربة الأولية ، وهو سماد صناعي متاح من مدينة بيركلي ، كاليفورنيا ، مع منتجات مختلفة: التفاح أو الفلفل الحلو أو البرتقال أو البطاطس (كل مجموعة في ثلاث نسخ). قمنا كذلك بمقارنة المجتمعات الميكروبية لكل بيئة سماد مع ميكروبيوم الأمعاء من النوع البري C. elegans الذي نشأ في العالم المصغر المعني. تم إجراء التحليل باستخدام عينات الحمض النووي المستخرجة من حوالي 500 بالغ معقم سطحيا لكل صورة مصغرة ومن عينات سماد 250 مجم من العوالم المصغرة المعنية.
اعتمد توصيف التربة البيئية وميكروبيوم الأمعاء الدودية على تسلسل الجيل التالي لمنطقة V4 من جين 16S rRNA البكتيري. تم إعداد مكتبة التسلسل باستخدام المجموعات القياسية وتم تنفيذها وفقا لتعليمات الشركات المصنعة ، مع إجراء التسلسل على جهاز تسلسل تجاري (انظر جدول المواد). تمت معالجة التسلسلات غير المتعددة باستخدام DADA2 ، والتصنيف المخصص بناء على قاعدة البيانات المرجعية SILVA v132 ، وتحليلها باستخدام phyloseq16،17،18 (انظر الملف التكميلي 1 ، الشكل التكميلي S1 ، الشكل التكميلي S2 ، الشكل التكميلي S3 ، الجدول التكميلي S1 ، والجدول التكميلي S2 للحصول على وصف مفصل للتسلسل والتحليل ؛ يتوفر خط الأنابيب الحسابي الكامل في GitHub [https://github.com/kennytrang/CompostMicrocosms]). تتوفر البيانات الأولية في أرشيف قراءة تسلسل NCBI (معرف المشروع الحيوي PRJNA856419).
في المتوسط ، تم الحصول على 73220 تسلسلا لكل عينة. تمثل هذه التسلسلات 15027 متغيرا من تسلسل الأمبليكون (ASVs) ، تغطي 27 شعبة و 216 عائلة ، بما في ذلك العائلات التي تعتبر جزءا من ميكروبيوم الأمعاء C. elegans الأساسي 13 ، مثل Rhizobiaceae و Burkholderiaceae و Bacillaceae. كانت البكتيريا المعوية ، و Pseudomonadaceae ، التي وجد سابقا أنها أعضاء مهيمنة ، أقلية هذه المرة ، لكنها لا تزال مخصبة (2-10 أضعاف) مقارنة ببيئات التربة الخاصة بها. أظهرت المقارنات القائمة على مسافات UniFrac19,20 غير المرجحة والمرجحة إمكانية استنساخ جيدة بين ثلاثية العالم المصغر المخصب بنفس المنتج ، كما يتضح من التجميع الوثيق. في المقابل ، فإن ميكروبيوم التربة البيئي المخصب بمنتجات مختلفة متجمعة بعيدا عن بعضها البعض ، مما يدل على القدرة على تنويع مجتمع ميكروبي أولي من خلال إضافة منتجات مختلفة (الشكل 2).
في مقارنات ميكروبيوم الأمعاء الدودية والمجتمعات البيئية ، أظهر تحليل الإحداثيات الرئيسي (PCoA) مع مسافات UniFrac غير المرجحة أو المرجحة تجمعا متميزا لميكروبات الأمعاء الدودية بعيدا عن بيئاتها الخاصة لكل نوع من أنواع العالم المصغر (الشكل 2). في حين أن PCoA القائم على مسافات UniFrac غير المرجحة لم يميز بين ميكروبيوم التربة والديدان (الشكل 2 أ) ، فإن التجميع القائم على المسافات المرجحة كشف عن فصل واضح بين أمعاء الدودة وميكروبيوم السماد (الشكل 2 ب). تدعم هذه النتائج عملية تعمل فيها ترشيح المضيف على التوافر البيئي لتشكيل ميكروبيوم الأمعاء الذي لا يختلف تماما عن مصدره البيئي فيما يتعلق بوجود الأصناف ولكنه يعدل وفرتها عن طريق إثراء مجموعة فرعية من الأصناف المتاحة ، مما يؤدي في النهاية إلى ميكروبيوم أمعاء الدودة الأساسية المشتركة بين الديدان التي تربى في بيئات مختلفة.

الشكل 2: ميكروبيوم الأمعاء الدودية يتجمع بعيدا عن البيئات الميكروبية المتنوعة المنتجات الخاصة بكل منها. تم تحديد تكوين الميكروبيوم باستخدام تسلسل 16S ، وتم تجميع المجتمعات من العوالم المصغرة المخصبة بالمنتجات المحددة أو من الديدان التي أثيرت فيها باستخدام PCoA بناء على (A) مسافات UniFrac غير مرجحة أو (B). المحاور الموضحة هي تلك التي تفسر أكبر تباين في تكوين المجتمع بين العينات (N = 3 لكل نوع من أنواع العالم المصغر). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الملف التكميلي 1: الجيل التالي من التسلسل وتحليل البيانات. فيما يلي خطوات إعداد المكتبة والتسلسل داخل المختبر وتحليل البيانات. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي S1: مثال على الرسم البياني لمراقبة الجودة للقراءات العكسية من عينة واحدة. يظهر المحور X (دورة) موضع النوكليوتيدات على طول قراءة التسلسل. يظهر المحور Y الأيسر نقاط الجودة. تمثل خريطة الحرارة ذات التدرج الرمادي تردد درجة الجودة في كل موضع نيوكليوتيدات. يصور الخط الأخضر متوسط درجة الجودة في كل موضع نيوكليوتيدات. يصور الخط البرتقالي العلوي أرباع توزيع نقاط الجودة ؛ يصور الخط الأحمر السفلي النسبة المئوية لقراءات التسلسل التي مددت موضع النوكليوتيدات (المحور Y الأيمن ، هنا 100٪). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي S2: معدلات الخطأ للعينات المختلفة. يجب أن ينخفض تكرار الخطأ في العينات المختلفة (النقاط السوداء) مع زيادة نقاط الجودة لكل استبدال محتمل لزوج القاعدة الموضح ، مما يعكس الاتجاه المتوقع. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الشكل التكميلي S3: مثال على PCoA بناء على مسافات UniFrac المرجحة. تمثل أسماء المجموعات الموضحة في وسيلة الإيضاح المنتجات المستخدمة لإثراء السماد المستخدم في العوالم المصغرة المختلفة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الجدول التكميلي S1: تصفية التسلسل المتسلسل. أ عدد قراءات التسلسل قبل التصفية. b-d يمثل كل عمود عدد قراءات التسلسل المتبقية بعد خطوة الترشيح: تصفية القراءات منخفضة الجودة (الخطوة 2.5) ، وخوارزمية تقليل الضوضاء التي يقوم بها dada () (الخطوة 2.8) ، ودمج القراءات الأمامية والعكسية (الخطوة 2.9) ، وإزالة الوهم (الخطوة 2.11). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
الجدول التكميلي S2: جدول البيانات الوصفية. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإعلان عن أنه ذو صلة بمحتوى هذه المقالة.
تجلب العوالم المصغرة للسماد التنوع الميكروبي الموجود في الطبيعة إلى المختبر لتسهيل أبحاث الميكروبيوم في Caenorhabditis elegans. فيما يلي بروتوكولات لإعداد تجارب العالم المصغر ، حيث تظهر التجارب القدرة على تعديل التنوع الميكروبي البيئي لاستكشاف العلاقات بين التنوع الميكروبي البيئي وتكوين ميكروبيوم الأمعاء الدودية.
تم دعم العمل الموصوف في هذه المخطوطة من خلال منح المعاهد الوطنية للصحة R01OD024780 و R01AG061302. تم دعم KT أيضا من خلال زمالة بحثية صيفية للطلاب الجامعيين من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، بتمويل من مؤسسة روز هيلز. تم الحصول على تصاميم الرسوم المتحركة في الشكل 1 من BioRender.com.
| كاشف AMPure XP ، 60 مل | ملف تكميلي Beckman Coulter | A63881 | الخطوة 1.3 |
| مبيض (هيبوكلوريت الصوديوم) | Sigma-Aldrich | 7681-52-9 | الخطوة 6.5 |
| DNeasy PowerSoil Pro Kit | Qiagen | 47016 | الخطوة 7 استخلاص الحمض النووي |
| مجموعة dNTP 10 ملي مولار | Invitrogen | 18427013 | الخطوةالتكميلية 1.2 |
| Easypet 3 ماصة مصلية وحدة التحكم | Eppendorf | 4430000018 | تستخدم لإزالة المادة الطافية عند تحديدها |
| Greiner Bio-One 25 مل ماصات مصلية معقمة | فيشر Scientific | 07-000-368 | تستخدم لإزالة المادة الطافية عند تحديدها |
| KH2< / sub>PO4< / sub> | Fisher Scientific | P285-500 | تستخدم لصنع M9 |
| Levamisole Hydrochloride | Fisher Scientific | AC187870100 | الخطوة 6.4 |
| M9 الحد الأدنى من حل الوسائط | المحضر داخليا | وصفةغير | متوفرةفي wormbook.org |
| MgSO4< / sub> | Fisher Scientific | M63-500 | تستخدم لصنع |
| مجموعة كاشف M9 MiniSeq عالية الإخراج (150 دورة) | Illumina | FC-420-1002 | الخطوة التكميلية 1.7 |
| نظام MiniSeq | Illumina | SY-420-1001 | جهاز التسلسل التجاري المستخدم ؛ الخطوة التكميلية 1.7 |
| Na 2< / sub>HPO4< / sub> | Fisher Scientific | S374-500 | تستخدم لصنع M9 |
| NaCl | Fisher Scientific | S271-3 | المستخدمة في صنع |
| وسائط نمو الديدان الخيطية M9 (NGM) | وصفةغير | متوفرة فيالمنزل في wormbook.org | |
| مجموعة تحضير مكتبة Nextera XT DNA (96 عينة) | Illumina | FC-131-1096 | مجموعة أدوات إعداد المكتبة المستخدمة ؛ الخطوة التكميلية 1.4 |
| PhiX Control v3 | Illumina | FC-110-3001 | الخطوة التكميلية 1.7 |
| Phusion عالية الدقة DNA Polymerase | New England Biolabs | M0530L | الخطوة التكميلية 1.2 |
| PowerLyzer 24 الخالط (110/220 فولت) | Qiagen | 13155 | الخطوة 7.3 |
| Qubit dsDNA HS Assay Kit | Invitrogen | Q32851 | الخطوات التكميلية 1.1 و 1.6 |
| كيوبيت مقياس الفلور | Invitrogen | Q33238 | الخطوات التكميلية 1.1 & 1.6 |
| Triton X-100 | Fisher Scientific | BP-151 | تستخدم لتحضير M9 + T |
| الزركونيا / حبات السيليكا بقطر 1.0 مم | NC9847287 فيشر Scientific | الخطوة 7.1 |