Caenorhabditis elegans 是生物学中的主要模式物种之一,然而几乎所有研究都是在缺乏其天然共生微生物的情况下进行的。本文所述方法将有助于增进我们对这些共生微生物多样性的理解,为未来开展功能性的 C. elegans 研究奠定基础。
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Caenorhabditis elegans 是生物学中的主要模式物种之一,然而几乎所有研究都是在缺乏其天然共生微生物的情况下进行的。本文所述方法将有助于增进我们对这些共生微生物多样性的理解,为未来开展功能性的 C. elegans 研究奠定基础。
线虫 Caenorhabditis elegans 在自然界中与多种多样的微生物相互作用。通常情况下,C. elegans 常见于腐烂的植物物质中,尤其是腐烂的果实(如苹果)或堆肥堆中。它也与某些无脊椎动物宿主相关,例如蛞蝓和潮虫。这些生境富含微生物,既可作为 C. elegans 的食物,也可在其肠道内持续定植。迄今为止,不同生境和地理区域中 C. elegans 天然微生物群的精确多样性及其组成稳定性尚未完全明确。本文介绍了一种从自然环境中分离 C. elegans 并对其微生物群进行表征的适宜方法。线虫可轻松从堆肥材料、腐烂苹果、蛞蝓中分离获得,或通过在堆肥堆上放置苹果来诱集。在北半球,发现 C. elegans 的最佳时间为每年9月至11月。将采集的基质材料浸入缓冲液中,即可将线虫从基质中冲洗出来,随后收集线虫并将其转移至线虫生长培养基或PCR缓冲液中以进行后续分析。我们进一步说明了如何利用这些样品分离和纯化与线虫相关的微生物,并对线虫进行处理以开展微生物群落组成的16S核糖体RNA分析。总体而言,所述方法可促进针对不同生境和地理区域中 C. elegans 微生物群特征的新研究,从而有助于全面理解该线虫微生物群的多样性和稳定性,为未来的功能研究奠定基础。
在自然界中,C. elegans 通常存在于腐烂的植物物质中,尤其是苹果等腐烂果实或堆肥堆上1。它也与某些无脊椎动物宿主相关,例如蛞蝓和鼠妇2,3。这些生境富含微生物,不仅可作为线虫的食物,还可能与其形成稳定的共生关系。关于天然相关微生物多样性的信息直到2016年才首次发表4,5,6。自那时以来,这些研究以及少数后续研究揭示,C. elegans 与多种细菌和真菌相关,最常见的包括假单胞菌属(Pseudomonas)、肠杆菌属(Enterobacter)、慢生根瘤菌属(Ochrobactrum)、欧文氏菌属(Erwinia)、丛毛单胞菌属(Comamonas)、葡糖杆菌属(Gluconobacter)以及其他多种细菌6,7,8。部分相关细菌能够稳定定植于线虫肠道,但并非全部均可如此6,9,10,11,12。这些细菌可能对理解 C. elegans 的生物学具有关键意义,因为它们可提供营养、抵御病原体及其他潜在胁迫因素,并影响繁殖速率、发育过程和行为反应等核心生活史性状。
例如,假单胞菌属(Pseudomonas)、慢生根瘤菌属(Ochrobactrum),以及肠杆菌属(Enterobacter)或葡糖杆菌属(Gluconobacter)的天然共生菌株,可通过不同的机制保护线虫免受病原体感染并避免其被杀死5,6,11,13,14。伯克氏菌科(Comamonadaceae)中某一特定的Comamonas属菌株可影响线虫的饮食反应、发育、寿命及繁殖力15,16,17。普罗威登斯菌(Providencia)可产生神经调节物质酪胺,从而调节宿主神经系统活性及其相应的行为反应18。一组不同的天然共生细菌被证实可影响种群增长率、繁殖力及行为反应5,6,9,11,19。
迄今为止,秀丽隐杆线虫(C. elegans)在不同生境和地理区域中其天然微生物组的确切多样性和稳定性尚未完全阐明,线虫与其环境微生物之间的更多关联仍有待揭示。以往多项研究使用了从某些土壤环境、天然 C. elegans 栖息地或中型生态系统实验(即在实验室中模拟自然生境的环境)中分离的细菌菌株,并结合 C. elegans 实验室品系进行研究4,5,20。尽管这些研究揭示了微生物对特定线虫性状(例如线虫代谢21)的影响,但这些相互作用在自然条件下对 C. elegans 生物学的意义尚不明确。因此,本文描述了直接从自然界中分离 C. elegans 个体,并从单条或群体线虫中分离及后续表征其天然相关微生物的方法。所述方法是对先前用于分离和表征天然 C. elegans 及其原生微生物组的流程2,6,7 的更新与优化版本。鉴于 C. elegans 广泛存在于全球范围内的腐烂植物材料中(尤其常见于腐烂果实、温带地区以及秋季)1,2,22,23,24,25,本实验方案可被任何实验室采用,适用于希望将 C. elegans 性状与其天然相关微生物相联系、从而构建更具自然相关性研究背景的研究场景。后者对于全面理解线虫生物学至关重要,因为已有大量其他宿主系统的研究表明,相关微生物组可影响宿主多种生活史特征26,而这一方面在当前几乎涵盖所有生命科学领域的 C. elegans 研究中仍普遍被忽视。
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1. 缓冲液和培养基的制备
2. 环境样品的制备(图1)

图1:从基质中分离线虫。 将基质样品置于空的培养皿中,并加入黏性培养基以冲出线虫。将线虫转移至M9-T缓冲液中,并反复清洗以去除体表附着的细菌。单个线虫可用于DNA提取、共生菌分离,或接种到琼脂平板上以培养线虫种群。本图由BioRender.com制作。 请点击此处查看该图的放大版本。
3. 线虫属(Caenorhabditis)线虫的分离(图1)
4. 准备用于分子鉴定的线虫 秀丽隐杆线虫 和微生物
5. 线虫相关细菌的分离与培养(图2)

图2物种鉴定与单个细菌的分离 使用珠磨匀浆器破碎单个线虫,提取DNA用于物种鉴定 通过 PCR 或测序。或者,将破碎的线虫样品进行连续稀释后涂布于生长培养基平板上。将平板孵育至细菌菌落出现,挑取单菌落划线接种至新的平板以获得纯培养物。挑取纯培养物的单菌落用于培养液体细菌培养物,以制备用于长期保存于 -80 °C 的细菌保存液。80 °C图由 BioRender.com 制作。 请点击此处以查看此图的放大版本。
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线虫 C. elegans 常见于腐烂的果实(如苹果)以及堆肥样品中。在德国北部,C. elegans 及其近缘物种(尤其是 C. remanei,也包括 C. briggsae)主要在9月至11月间被发现2。这些线虫最常存在于腐烂的植物材料中,特别是腐烂的果实(如苹果或梨),以及堆肥中,尤其偏好高度分解的物质。可将果实和堆肥样品带回实验室(图3A、B),分装至培养皿中(图3C、D),随后浸入液体或粘稠介质中,迫使线虫离开基质并游至介质表面(图3E、F)。之后可收集线虫,转移至琼脂平板或微量离心管中,并通过诊断性PCR确定其物种身份2,6...
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线虫 Caenorhabditis elegans 是生物学研究中最常被研究的模式生物之一。它由 Sydney Brenner 在 20 世纪 60 年代引入,最初用于研究神经系统发育及其功能29。自那时起,C. elegans 已成为研究所有生物学领域基本过程的强大模型,包括行为生物学、神经生物学、衰老、进化生物学、细胞生物学、发育生物学和免疫学。其成功源于一系列独特的优势特性,包括约 3 天的短世代时间、易于培养、通体透明(便于高效表型分析)、可耐受冷冻、高效的灭菌和发育同步化方法,以及通过诱变、CRISPR-Cas 或 RNAi 进行遗传操作的有效手段。如今,全球约有 1,500 个实验室正在研究 C. elegans。当 Sydney Brenner 最初在实验室中建立 C. elegans 作为模式系统时,他以革兰氏阴性菌 Escherichia coli OP50 作为食物来源来培养这种以细菌为食的线虫。自此以后,全世界的实验室一直采用单一细菌培养方式,以 E. coli...
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我们声明不存在利益冲突。
我们感谢德国科学基金会(协同研究中心1182“共生体的起源与功能”项目A1.1和A1.2)提供的经费支持。感谢舒伦堡实验室成员给予的建议与支持。
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