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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Kompost-Mikrokosmen bringen die mikrobielle Vielfalt der Natur ins Labor, um die Mikrobiomforschung bei Caenorhabditis elegans zu erleichtern. Hier sind Protokolle für den Aufbau von Mikrokosmos-Experimenten, wobei die Experimente die Fähigkeit demonstrieren, die mikrobielle Vielfalt der Umwelt zu modulieren, um die Beziehungen zwischen der mikrobiellen Vielfalt der Umwelt und der Zusammensetzung des Mikrobioms des Wurmdarms zu untersuchen.
Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans entwickelt sich zu einem nützlichen Modell für die Untersuchung der molekularen Mechanismen, die den Interaktionen zwischen Wirten und ihren Darmmikrobiomen zugrunde liegen. Während Experimente mit gut charakterisierten Bakterien oder definierten Bakteriengemeinschaften die Analyse molekularer Mechanismen erleichtern können, ist die Untersuchung von Nematoden in ihrem natürlichen mikrobiellen Kontext unerlässlich, um die Vielfalt solcher Mechanismen zu erforschen. Gleichzeitig ist die Isolierung von Würmern aus der Wildnis nicht immer möglich, und selbst wenn möglich, schränkt die Probenahme aus der Wildnis die Verwendung des genetischen Werkzeugkastens ein, der sonst für die C. elegans-Forschung zur Verfügung steht. Das folgende Protokoll beschreibt eine Methode für Mikrobiomstudien unter Verwendung von Kompost-Mikrokosmen für das Wachstum im Labor in mikrobiell vielfältigen und naturähnlichen Umgebungen.
Lokal gewonnener Boden kann mit Produkten angereichert werden, um die mikrobiellen Gemeinschaften zu diversifizieren, in denen Würmer gezüchtet werden und aus denen sie geerntet, gewaschen und für nachfolgende Analysen oberflächensterilisiert werden. Repräsentative Experimente zeigen die Fähigkeit, die mikrobielle Gemeinschaft in einem gemeinsamen Boden zu modulieren, indem sie ihn mit verschiedenen Produkten anreichern, und zeigen weiter, dass Würmer, die in diesen unterschiedlichen Umgebungen aufgezogen werden, ähnliche Darmmikrobiome aufbauen, die sich von ihrer jeweiligen Umgebung unterscheiden, was die Vorstellung eines artspezifischen Kernmikrobioms des Darms unterstützt. Insgesamt bieten Kompost-Mikrokosmen natürliche Laborumgebungen für die Mikrobiomforschung als Alternative zu synthetischen mikrobiellen Gemeinschaften oder zur Isolierung wilder Nematoden.
Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans entwickelt sich zu einem nützlichen Modell für die Untersuchung von Interaktionen zwischen Wirten und ihren Darmmikrobiomen 1,2. Als Modell bietet es mehrere Vorteile. Erstens sind keimfreie oder gnotobiotische Tiere leicht zu beschaffen und zu pflegen; Bleichmittel kann verwendet werden, um Gravidenwürmer und assoziierte Mikroben abzutöten, wobei ihre bleichresistenten Eier unversehrt bleiben, um als alterssynchronisierte Populationen zu wachsen, die von Bakterien von Interesse besiedelt werden können 3,4. Darüber hinaus nimmt C. elegans, ein Bakterivor, wenn es in Gegenwart von Bakterien gezüchtet wird, die angetroffenen Bakterien auf, wobei anfällige Arten verdaut oder ausgeschieden werden, während resistente und persistente Arten den Wurmdarm stabil besiedeln. Darüber hinaus sind C. elegans meist hermaphroditisch und produzieren Populationen genetisch identischer Nachkommen, was die verwirrende genetische Variation reduziert. In Verbindung mit der Verfügbarkeit mutierter und transgener Wurmstämme bietet die Arbeit mit C. elegans den Forschern ein gnotobiotisches und genetisch beherrschbares Modell, um die molekularen Grundlagen von Wirt-Mikroben-Interaktionen zu untersuchen 5,6,7,8.
Während Experimente mit gut charakterisierten Bakterien die Analyse molekularer Mechanismen erleichtern können, ist die Identifizierung und Untersuchung der Bakterien, mit denen Würmer in der Natur interagieren, unerlässlich, um die Vielfalt solcher Mechanismen zu erforschen, den natürlichen Kontext für ihre Funktion zu entschlüsseln und die selektiven Kräfte zu verstehen, die ihre Evolution geprägt haben. Außerhalb des Labors wird C. elegans weltweit in feuchten gemäßigten Klimazonen gefunden, in denen angenommen wird, dass Populationen einen "Boom-and-Bust" -Lebenszyklus durchlaufen, der durch ein schnelles Bevölkerungswachstum gekennzeichnet ist, wenn Ressourcen reichlich vorhanden sind, gefolgt von einer Entwicklungsverschiebung zu bahnbrechenden, stresstoleranten Dauers, wenn die Ressourcen erschöpft sind9. Obwohl sie als Bodennematode gelten, werden wild vermehrende C . elegans-Populationen am häufigsten gefunden, die sich von zersetzendem organischem Material wie verrottenden Blüten oder Früchten ernähren, wo Bakterienpopulationen reichlich vorhanden und vielfältig sind.
Untersuchungen des Darmmikrobioms in aus der Wildnis isolierten Nematoden haben verschiedene, aber charakteristische Bakteriengemeinschaften identifiziert 10,11, deren Zusammensetzung durch Studien mit Würmern, die in natürlichen Mikrokosmosumgebungen aufgezogen wurden, weiter unterstützt wurde 12,13. Zusammen ermöglichten solche Studien die Abgrenzung eines Kernwurm-Darmmikrobioms2. Während die Probenahme von C. elegans-Populationen in freier Wildbahn die direkteste Untersuchung natürlicher Wurm-Mikroben-Interaktionen darstellt, ist sie nicht überall und jederzeit durchführbar, da sie auf Regionen und Jahreszeiten mit reichlichem Niederschlag beschränkt ist10,11. Alternativ, anstatt Würmer von ihrem natürlichen Lebensraum zu isolieren, bringen Experimente mit Mikrokosmen den natürlichen Lebensraum ins Labor 6,8,12,13,14,15. Mikrokosmosumgebungen werden aus Erde hergestellt, die mit verschiedenen Obst- oder Gemüsesorten kompostiert wird, was eine weitere Diversifizierung der Ausgangsbodengemeinschaft ermöglicht. Sie bieten handhabbare experimentelle Methoden, die die mikrobielle Vielfalt und die dreidimensionale wilde Bodenumgebung mit den experimentellen Vorteilen einer kontrollierten Laboreinrichtung und genetisch definierten Wurmstämmen kombinieren. Das folgende Protokoll beschreibt die Schritte bei der Arbeit mit Kompostmikrokosmen und demonstriert ihre Verwendung zum Verständnis des Zusammenbaus eines charakteristischen Wurm-Darm-Mikrobioms aus verschiedenen Umgebungen.
1. Vorbereitung von Kompost
2. Herstellung von Kompost-Mikrokosmen
3. Aufzucht von Würmern im Kompost-Mikrokosmos

Abbildung 1: Vorbereitung von Kompost-Mikrokosmen, Aufzucht von Würmern und Ernte . (A) Lokalen Boden oder Kompost mit Produkten anreichern und 2 Wochen lang inkubieren. Kombinieren Sie (B) autoklavierten angereicherten Boden mit (C) mikrobiellem Extrakt und (D) inkubieren Sie für mindestens 24 Stunden, bevor Sie synchronisierte L1s-Würmer zu Mikrokosmen hinzufügen, um das Experiment zu beginnen. (E, F) Nach der Erntereife Kompost aus dem Mikrokosmos in einen Baermann Trichterträgerzylinder geben und mit M9 abdecken. (G) Nach 15 min wird das Filtrat in ein 50-ml-Röhrchen freigesetzt. Abkürzung: sup. = Überstand. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
4. Vorbereitung eines Baermann-Trichters für die Würmertung
5. Würmer aus Mikrokosmen ernten und entsprechende Bodenproben entnehmen
6. Waschen und Oberflächensterilisation von geernteten Würmern
7. DNA-Extraktion
HINWEIS: Die folgenden Schritte beschreiben die DNA-Extraktion der geernteten Würmer mit einem kommerziellen Kit, das für die Extraktion mikrobieller DNA aus dem Boden entwickelt wurde (siehe Materialtabelle), mit unten beschriebenen Modifikationen, um die Extraktion mikrobieller DNA aus Würmern zu erleichtern.
Um die Fähigkeit zu untersuchen, die Gemeinschaft der Bodenmikrokosmen zu diversifizieren, verglichen wir die mikrobiellen Gemeinschaften in Kompost-Mikrokosmen, die durch Anreicherung desselben Ausgangsbodens, eines industriellen Komposts, der aus der Stadt Berkeley, Kalifornien, mit verschiedenen Produkten hergestellt wurde: Äpfel, Paprika, Orangen oder Kartoffeln (jeweils dreifach gesetzt). Darüber hinaus verglichen wir die mikrobiellen Gemeinschaften jeder Kompostumgebung mit dem Darmmikrobiom von Wildtyp-C. elegans , die im jeweiligen Mikrokosmos aufgezogen wurden. Die Analyse wurde mit DNA-Proben durchgeführt, die von etwa 500 oberflächensterilisierten Erwachsenen pro Mikrokosmos und von 250 mg Kompostproben der jeweiligen Mikrokosmen extrahiert wurden.
Die Charakterisierung der Umweltboden- und Wurmdarmmikrobiome beruhte auf der Next-Generation-Sequenzierung der V4-Region des bakteriellen 16S-rRNA-Gens. Die Vorbereitung der Sequenzierungsbibliothek erfolgte unter Verwendung der Standardkits und wurde gemäß den Anweisungen des Herstellers durchgeführt, wobei die Sequenzierung auf einem kommerziellen Sequenzer durchgeführt wurde (siehe Materialtabelle). Demultiplex-Sequenzen wurden mit DADA2 verarbeitet, der Taxonomie basierend auf der SILVA v132-Referenzdatenbank zugeordnet und mit phyloseq16,17,18 analysiert (siehe Zusatzdatei 1, Zusatzfigur S1, Zusatzfigur S2, Zusatzfigur S3, Zusatztabelle S1 und Zusatztabelle S2 für eine detaillierte Beschreibung der Sequenzierung und Analyse; die vollständige Rechenpipeline ist in GitHub [https://github.com/kennytrang/CompostMicrocosms]) verfügbar. Rohdaten sind im NCBI Sequence Read Archive verfügbar (Bioproject ID PRJNA856419).
Pro Probe wurden durchschnittlich 73.220 Sequenzen erhalten. Diese Sequenzen repräsentieren 15.027 Amplikon-Sequenzvarianten (ASVs), die 27 Stämme und 216 Familien umfassen, einschließlich Familien, die als Teil des Kernmikrobioms C. elegans Darm13 gelten, wie Rhizobiaceae, Burkholderiaceae und Bacillaceae. Enterobacteriaceae und Pseudomonadaceae, die sich zuvor als dominante Mitglieder erwiesen hatten, waren diesmal eine Minderheit, waren aber im Vergleich zu ihren jeweiligen Bodenumgebungen immer noch angereichert (2-10-fach). Vergleiche, die sowohl auf ungewichteten als auch auf gewichteten UniFrac 19,20-Entfernungen basierten, zeigten eine gute Reproduzierbarkeit zwischen Mikrokosmos-Triplikaten, die mit den gleichen Produkten angereichert waren, wie durch enge Clusterbildung angezeigt wird. Im Gegensatz dazu gruppierten sich Umweltbodenmikrobiome, die mit verschiedenen Produkten angereichert waren, voneinander entfernt und zeigten die Fähigkeit, eine anfängliche mikrobielle Gemeinschaft durch die Zugabe verschiedener Produkte zu diversifizieren (Abbildung 2).
In Vergleichen von Wurm-Darm-Mikrobiomen und Umweltgemeinschaften zeigte die Hauptkoordinatenanalyse (PCoA) mit entweder ungewichteten oder gewichteten UniFrac-Abständen eine deutliche Clusterbildung von Wurm-Darm-Mikrobiomen weg von der ihrer jeweiligen Umgebung für jeden Mikrokosmostyp (Abbildung 2). Während PCoA basierend auf ungewichteten UniFrac-Abständen nicht zwischen Boden- und Wurmmikrobiomen unterschied (Abbildung 2A), zeigte die Clusterbildung basierend auf gewichteten Abständen eine klare Trennung von Wurmdarm- und Kompostmikrobiomen (Abbildung 2B). Diese Ergebnisse unterstützen einen Prozess, bei dem die Wirtsfilterung auf der Umweltverfügbarkeit arbeitet, um ein Darmmikrobiom zu formen, das sich in Bezug auf das Vorhandensein von Taxa nicht vollständig von seiner Umweltquelle unterscheidet, sondern deren Häufigkeit moduliert, indem es sich für eine Teilmenge der verfügbaren Taxa anreichert, was letztendlich zu einem Kernwurm-Darmmikrobiom führt, das von Würmern geteilt wird, die in verschiedenen Umgebungen aufgezogen werden.

Abbildung 2: Wurm-Darm-Mikrobiome, die sich von ihren jeweiligen produktdiversifizierten mikrobiellen Umgebungen entfernen. Die Zusammensetzung des Mikrobioms wurde mit 16S-Sequenzierung bestimmt, und Gemeinschaften aus Mikrokosmen, die mit den bezeichneten Produkten angereichert waren, oder aus Würmern, die in ihnen gezüchtet wurden, wurden unter Verwendung von PCoA basierend auf (A) ungewichteten oder (B) gewichteten UniFrac-Abständen gruppiert. Die gezeigten Achsen sind diejenigen, die die größte Variation in der Gemeinschaftszusammensetzung zwischen den Proben erklären (N = 3 für jeden Mikrokosmostyp). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Zusatzdatei 1: Next-Generation-Sequencing und Datenanalyse. Hier werden die Schritte für die Bibliotheksvorbereitung, die Sequenzierung im Labor und die Datenanalyse vorgestellt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung S1: Beispiel für eine Qualitätskontrollkurve für die umgekehrten Lesevorgänge aus einer Probe. Die X-Achse (Zyklus) zeigt die Nukleotidposition entlang der gelesenen Sequenz. Die linke Y-Achse zeigt den Qualitätsfaktor an. Die Graustufen-Heatmap stellt die Häufigkeit des Qualitätsfaktors an jeder Nukleotidposition dar. Die grüne Linie stellt den mittleren Qualitätsfaktor an jeder Nukleotidposition dar; Die obere orangefarbene Linie zeigt die Quartile der Qualitätsfaktorverteilung. Die untere rote Linie zeigt den Prozentsatz der Sequenzlesevorgänge, die diese Nukleotidposition verlängert haben (rechte Y-Achse, hier 100%). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung S2: Fehlerquoten für verschiedene Stichproben. Die Fehlerhäufigkeit in den verschiedenen Proben (schwarze Punkte) sollte mit steigender Qualitätsbewertung für jede mögliche Basenpaarsubstitution abnehmen, was den erwarteten Trend widerspiegelt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung S3: Ein Beispiel für PCoA basierend auf gewichteten UniFrac-Abständen. Die in der Legende gezeigten Gruppennamen repräsentieren die Produkte, die zur Anreicherung des Komposts verwendet werden, der in den verschiedenen Mikrokosmen verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Zusatztabelle S1: Sequentielle Sequenzfilterung. ein Anzahl der Sequenzlesevorgänge vor dem Filtern. b-d Jede Spalte stellt die Anzahl der Sequenzlesevorgänge dar, die nach einem Filterschritt verbleiben: Filtern von Lesevorgängen niedriger Qualität (Schritt 2.5), Rauschunterdrückungsalgorithmus von dada() (Schritt 2.8), Zusammenführen von Vorwärts- und Rückwärtslesevorgängen (Schritt 2.9) und Entfernen von Chimären (Schritt 2.11). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Zusatztabelle S2: Metadatentabelle. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu erklären, die für den Inhalt dieses Artikels relevant sind.
Kompost-Mikrokosmen bringen die mikrobielle Vielfalt der Natur ins Labor, um die Mikrobiomforschung bei Caenorhabditis elegans zu erleichtern. Hier sind Protokolle für den Aufbau von Mikrokosmos-Experimenten, wobei die Experimente die Fähigkeit demonstrieren, die mikrobielle Vielfalt der Umwelt zu modulieren, um die Beziehungen zwischen der mikrobiellen Vielfalt der Umwelt und der Zusammensetzung des Mikrobioms des Wurmdarms zu untersuchen.
Die in diesem Manuskript beschriebene Arbeit wurde durch die NIH-Zuschüsse R01OD024780 und R01AG061302 unterstützt. K.T. wurde außerdem durch ein Summer Undergraduate Research Fellowship der University of California, Berkeley, unterstützt, das von der Rose Hills Foundation finanziert wurde. Die Cartoon-Designs in Abbildung 1 stammen aus BioRender.com.
| AMPure XP Reagenz, 60 mL | Beckman Coulter | A63881 | Ergänzende Datei Schritt 1.3 |
| Bleiche (Natriumhypochlorit) | Sigma-Aldrich | 7681-52-9 | Schritt 6.5 |
| DNeasy PowerSoil Pro Kit | Qiagen | 47016 | Schritt 7 DNA-Extraktionen |
| dNTP Set 10 mM | Invitrogen | 18427013 | Ergänzender Schritt 1.2 |
| Easypet 3 Serologische Pipette Controller | Eppendorf | 4430000018 | Wird verwendet, um Überstand zu entfernen, wenn angegeben |
| Greiner Bio-One 25 mL sterile serologische Pipets | ,Fisher Scientific | 07-000-368 | Wird verwendet, um Überstand zu entfernen, wenn angegeben |
| KH2PO4 | Fisher Scientific | P285-500 | Wird verwendet, um M9 |
| Levamisolhydrochlorid | herzustellen Fisher Scientific | AC187870100 | Schritt 6.4 |
| M9 Minimal Media Solution | Hergestellt im eigenen | HausN/A | Rezeptur in wormbook.org |
| MgSO4 | Fisher | Scientific M63-500 | Wird zur Herstellung des M9 |
| MiniSeq High Output Reagenz-Kits (150 Zyklen) verwendetIllumina | FC-420-1002 | Ergänzender Schritt 1.7 | |
| MiniSeq System | Illumina | SY-420-1001 | Kommerzieller Sequenzer verwendet; Ergänzender Schritt 1.7 |
| Na2HPO4 | Fisher | Scientific S374-500 | Wird zur Herstellung von M9 |
| NaCl | verwendet Fisher Scientific | S271-3 | Wird zur Herstellung von M9-Nematoden-Wachstumsmedien |
| (NGM) verwendetHergestellt | im eigenen HausN/ | A-Rezept | in wormbook.org |
| Nextera XT DNA Library Preparation Kit (96 Proben) | Illumina | FC-131-1096 | Verwendetes Bibliotheksvorbereitungsset; Ergänzender Schritt 1.4 |
| PhiX Control v3 | Illumina | FC-110-3001 | Ergänzender Schritt 1.7 |
| Phusion High-Fidelity DNA-Polymerase | New England Biolabs | M0530L | Ergänzender Schritt 1.2 |
| PowerLyzer 24 Homogenisator (110/220 V) | Qiagen | 13155 | Schritt 7.3 |
| Qubit dsDNA HS Assay Kit | Invitrogen | Q32851 | Ergänzende Schritte 1.1 & 1.6 |
| Qubit Fluorometer | Invitrogen | Q33238 | Ergänzende Schritte 1.1 & 1.6 |
| Triton X-100 | Fisher Scientific | BP-151 | Wird zur Herstellung von M9+T |
| Zirkonoxid/Kieselsäure-Kügelchen mit einem Durchmesser von 1,0 mm | verwendet Fisher Scientific | NC9847287 | Schritt 7.1 |