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
he_IL
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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
מיקרוקוסמוסים של קומפוסט מביאים את המגוון המיקרוביאלי שנמצא בטבע למעבדה כדי להקל על מחקר המיקרוביום ב-Caenorhabditis elegans. מובאים כאן פרוטוקולים להקמת ניסויי מיקרוקוסמוס, כאשר הניסויים מדגימים את היכולת לווסת את המגוון המיקרוביאלי הסביבתי כדי לחקור את הקשרים בין המגוון המיקרוביאלי הסביבתי לבין הרכב המיקרוביום של מעי התולעים.
הנמטודה Caenorhabditis elegans מתגלה כמודל שימושי לחקר המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיס יחסי הגומלין בין פונדקאים לבין המיקרוביום של המעיים שלהם. בעוד שניסויים עם חיידקים מאופיינים היטב או קהילות חיידקים מוגדרות יכולים להקל על ניתוח מנגנונים מולקולריים, חקר נמטודות בהקשר המיקרוביאלי הטבעי שלהן חיוני לחקר המגוון של מנגנונים כאלה. יחד עם זאת, בידוד התולעים מהטבע אינו תמיד אפשרי, וגם כאשר הדבר אפשרי, דגימה מהטבע מגבילה את השימוש בארגז הכלים הגנטי הזמין אחרת למחקר C. elegans. הפרוטוקול הבא מתאר שיטה למחקרי מיקרוביום המשתמשת במיקרוקוסמוס קומפוסט לגידול במעבדה בסביבות מיקרוביאליות מגוונות וטבעיות.
ניתן להעשיר אדמה מקומית בתוצרת חקלאית כדי לגוון את הקהילות המיקרוביאליות שבהן מגדלים תולעים ומהן הן נקטפות, נשטפות ומעוקרות על פני השטח לצורך ניתוחים עתידיים. ניסויים מייצגים מדגימים את היכולת לווסת את הקהילה המיקרוביאלית בקרקע משותפת על ידי העשרתה בתוצרת שונה, ומראים עוד יותר כי תולעים שגדלו בסביבות מובחנות אלה מרכיבות מיקרוביום מעיים דומה הנבדל מסביבותיהן השונות, מה שתומך ברעיון של מיקרוביום מעי מרכזי ספציפי למין. באופן כללי, מיקרוקוסמוסים של קומפוסט מספקים סביבות מעבדה טבעיות למחקר מיקרוביום כחלופה לקהילות מיקרוביאליות סינתטיות או לבידוד של נמטודות בר.
הנמטודה Caenorhabditis elegans מתגלה כמודל שימושי לחקר אינטראקציות בין פונדקאים למיקרוביום המעייםשלהם 1,2. כמודל, הוא מציע מספר יתרונות. ראשית, קל להשיג ולתחזק בעלי חיים נטולי חיידקים או גנוטוביוטיים; ניתן להשתמש באקונומיקה כדי להרוג תולעים גרבידיות ומיקרואורגניזמים קשורים, ולהשאיר את הביצים העמידות לאקונומיקה שלהם ללא פגע כדי לגדול כאוכלוסיות מסונכרנות גיל שיכולות להיות מיושבות על ידי חיידקים בעלי עניין 3,4. בנוסף, כאשר גדל בנוכחות חיידקים, C. elegans, חיידק, לבלוע את החיידקים נתקל, עם מינים רגישים מתעכלים או מופרשים, בעוד מינים עמידים ומתמשכים ביציבות ליישב את המעיים תולעת. יתר על כן, C. elegans הם בעיקר הרמפרודיטיים, ומייצרים אוכלוסיות של צאצאים זהים גנטית, מה שמפחית את השונות הגנטית המבלבלת. יחד עם הזמינות של זני תולעים מוטנטיים ומהונדסים, העבודה עם C. elegans מציעה לחוקרים מודל גנוטוביוטי וניתן למתיחה גנטית כדי לחקור את היסודות המולקולריים של אינטראקציות בין חיידקים מארחים 5,6,7,8.
בעוד שניסויים עם חיידקים מאופיינים היטב יכולים להקל על ניתוח מנגנונים מולקולריים, זיהוי ולימוד החיידקים שהתולעים מתקשרות איתם בטבע חיוניים לחקר המגוון של מנגנונים כאלה, לחשיפת ההקשר הטבעי לתפקודם ולהבנת הכוחות הסלקטיביים שעיצבו את האבולוציה שלהם. מחוץ למעבדה, C. elegans נמצא ברחבי העולם באקלים ממוזג ולח, שבו אוכלוסיות נחשבות לעבור מחזור חיים "בום וחזה", המאופיין בגידול מהיר באוכלוסייה כאשר המשאבים שופעים, ולאחר מכן במעבר התפתחותי לדאוארים חלוציים וסובלניים ללחץ כאשר המשאבים מתרוקנים9. אף על פי שהן נחשבות לנמטודת אדמה, אוכלוסיות C. elegans המתרבות בטבע נמצאות לרוב ניזונות מחומרים אורגניים מתפרקים כגון פרחים נרקבים או פירות, שבהם אוכלוסיות החיידקים שופעות ומגוונות.
מחקרים על מיקרוביום המעי בנמטודות שבודדו מהטבע זיהו קהילות חיידקים מגוונות, אך אופייניות, 10,11, שהרכבן נתמך עוד יותר על ידי מחקרים שבוצעו עם תולעים שגודלו בסביבות מיקרוקוסמוס טבעיות 12,13. יחד, מחקרים כאלה אפשרו תיחום של מיקרוביום מעי תולעת ליבה2. בעוד שהדגימה של אוכלוסיות C. elegans בטבע מייצגת את הבדיקה הישירה ביותר של אינטראקציות טבעיות בין תולעים למיקרובים, היא אינה אפשרית בכל מקום ובכל זמן, מכיוון שהיא מוגבלת לאזורים ועונות עם משקעיםרבים 10,11. לחלופין, במקום לבודד את התולעים מבית הגידול הטבעי שלהן, ניסויים באמצעות מיקרוקוסמוס מביאים את בית הגידול הטבעי למעבדה 6,8,12,13,14,15. סביבות מיקרוקוסמוס מוכנות מאדמה המורכבת מפירות או ירקות שונים, מה שמאפשר גיוון נוסף של קהילת הקרקע ההתחלתית. הם מציעים שיטות ניסיוניות הניתנות למתיחה המשלבות את המגוון המיקרוביאלי ואת סביבת הקרקע הפראית התלת-ממדית עם היתרונות הניסיוניים של מתקן מעבדה מבוקר וזני תולעים מוגדרים גנטית. הפרוטוקול שלהלן מפרט את השלבים הכרוכים בעבודה עם מיקרוקוסמוסים של קומפוסט, ומדגים את השימוש בהם בהבנת ההרכבה של מיקרוביום מעיים אופייני של תולעים מסביבות מגוונות.
1. הכנת קומפוסט
2. הכנת מיקרוקוסמוס קומפוסט
3. גידול תולעים במיקרוקוסמוס קומפוסט

איור 1: הכנת מיקרוקוסמוס קומפוסט, גידול תולעים וקציר . (A) להעשיר את האדמה המקומית או הקומפוסט בתוצרת חקלאית ולדגור במשך שבועיים. שלבו (B) אדמה מועשרת אוטומטית עם (C) תמצית מיקרוביאלית ו-(D) דגירה במשך 24 שעות לפחות לפני הוספת תולעי L1s מסונכרנות למיקרוקוסמוס כדי להתחיל בניסוי. (ה, ו) כאשר הוא מוכן לקטיף, הוסיפו קומפוסט מהמיקרוקוסמוס לתוך גליל תמיכה במשפך בארמן וכסו ב-M9. (G) לאחר 15 דקות, שחררו את התסנין לצינור של 50 מ"ל. קיצור: sup. = supernatant. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
4. הכנת משפך בארמן לקציר תולעים
5. קצירת תולעים ממיקרוקוסמוס ואיסוף דגימות הקרקע המתאימות
6. שטיפה ועיקור פני השטח של תולעים שנקטפו
7. מיצוי דנ"א
הערה: השלבים הבאים מתארים מיצוי דנ"א של התולעים שנקטפו באמצעות ערכה מסחרית המיועדת להפקת דנ"א מיקרוביאלי מהאדמה (ראה טבלת חומרים), עם שינויים המתוארים להלן כדי להקל על מיצוי דנ"א מיקרוביאלי מתולעים.
כדי לחקור את היכולת לגוון את קהילת המיקרוקוסמוסים של הקרקע, השווינו את הקהילות המיקרוביאליות במיקרוקוסמוסים של קומפוסט שהוכנו על ידי העשרת אותה אדמה ראשונית, קומפוסט ברמה תעשייתית הזמין מהעיר ברקלי, קליפורניה, עם תוצרת שונה: תפוחים, גמבה, תפוזים או תפוחי אדמה (כל אחד מהם משובץ במשולש). בנוסף, השווינו את הקהילות המיקרוביאליות של כל סביבת קומפוסט עם מיקרוביום המעיים של חיידקי בר מסוג C. elegans שגודלו במיקרוקוסמוס המתאים. הניתוח בוצע באמצעות דגימות דנ"א שחולצו מכ-500 מבוגרים מעוקרים על פני השטח למיקרוקוסמוס ומ-250 מ"ג דגימות קומפוסט של המיקרוקוסמוס בהתאמה.
אפיון המיקרוביום של הקרקע הסביבתית ומעי התולעים הסתמך על ריצוף הדור הבא של אזור ה-V4 של הגן החיידקי 16S rRNA. הכנת ספריית הריצוף הושגה באמצעות הערכות הסטנדרטיות ובוצעה על פי הוראות היצרן, כאשר הריצוף בוצע על גבי רצף מסחרי (ראו טבלת חומרים). רצפים שעברו דה-מולטיפלקס עובדו באמצעות DADA2, טקסונומיה שהוקצתה על בסיס מסד הנתונים של SILVA v132, ונותחו עם phyloseq16,17,18 (ראו קובץ משלים 1, איור משלים S1 , איור משלים S2, איור משלים S3, טבלה משלימה S1 וטבלה משלימה S2 לתיאור מפורט של הרצף והניתוח; הצינור החישובי המלא זמין ב- GitHub [https://github.com/kennytrang/CompostMicrocosms]). נתונים גולמיים זמינים בארכיון קריאת רצף NCBI (מזהה פרויקט ביולוגי PRJNA856419).
בממוצע, התקבלו 73,220 רצפים לכל מדגם. רצפים אלה מייצגים 15,027 גרסאות של רצפי אמפליקון (ASVs), המשתרעים על פני 27 phyla ו-216 משפחות, כולל משפחות הנחשבות לחלק מליבת מיקרוביום המעי C. elegans 13, כגון Rhizobiaceae, Burkholderiaceae ו-Bacillaceae. Enterobacteriaceae, ו- Pseudomonadaceae, שנמצאו בעבר כחברים דומיננטיים, היו מיעוט הפעם, אך עדיין היו מועשרים (פי 2-10) בהשוואה לסביבות הקרקע שלהם. השוואות שהתבססו על מרחקיUniFrac 19,20 לא משוקללים ומשוקללים הראו יכולת שכפול טובה בין מיקרוקוסמוס משולש מועשר באותה תוצרת, כפי שעולה מקיבוץ האותיות. לעומת זאת, מיקרוביום קרקע סביבתי מועשר בתוצרת שונה המקובצת הרחק זה מזה, ומדגים את היכולת לגוון קהילה מיקרוביאלית ראשונית באמצעות תוספת של תוצרת שונה (איור 2).
בהשוואות של מיקרוביום של מעי תולעים וקהילות סביבתיות, ניתוח קואורדינטות ראשי (PCoA) עם מרחקי UniFrac לא משוקללים או משוקללים הראה התקבצות שונה של מיקרוביום של מעי תולעים הרחק מזה של הסביבה המתאימה להן עבור כל סוג מיקרוקוסמוס (איור 2). בעוד ש-PCoA שהתבסס על מרחקי UniFrac שלא נשקלו לא הבחין בין מיקרוביום של אדמה למיקרוביום של תולעים (איור 2A), אשכולות המבוססים על מרחקים משוקללים חשפו הפרדה ברורה בין מיקרוביום של מעי תולעים ומיקרוביום של קומפוסט (איור 2B). תוצאות אלה תומכות בתהליך שבו סינון פונדקאים פועל על בסיס זמינות סביבתית כדי לעצב מיקרוביום מעיים שאינו שונה לחלוטין מהמקור הסביבתי שלו ביחס לנוכחות טקסה, אך מווסת את השפע שלהם על ידי העשרה לתת-קבוצה של הטקסה הזמינה, ובסופו של דבר התוצאה היא מיקרוביום מעיים של תולעים מרכזיות המשותף בין תולעים הגדלות בסביבות שונות.

איור 2: מיקרוביום של מעי תולעים מתרחק מהסביבה המיקרוביאלית המגוונת שלהן. הרכב המיקרוביום נקבע באמצעות ריצוף של 16S, וקהילות ממיקרוקוסמוסים שהועשרו בתוצרת המיועדת או מתולעים שגודלו בהן קובצו באשכולות באמצעות PCoA בהתבסס על (A) מרחקי UniFrac משוקללים או (B) משוקללים. הצירים המוצגים הם אלה המסבירים את השונות הגדולה ביותר בהרכב הקהילה בין דגימות (N = 3 עבור כל סוג מיקרוקוסמוס). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.
קובץ משלים 1: רצף וניתוח נתונים מהדור הבא. מוצגים כאן השלבים להכנת ספרייה, ריצוף במעבדה וניתוח נתונים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים S1: דוגמה לגרף בקרת איכות עבור קריאה הפוכה מדגימה אחת. ציר ה-X (מחזור) מראה את מיקום הנוקלאוטידים לאורך הרצף. ציר ה-Y השמאלי מציג את ציון האיכות. מפת החום בגווני אפור מייצגת את תדירות ציון האיכות בכל מיקום נוקלאוטיד; הקו הירוק מתאר את ציון האיכות החציוני בכל מיקום נוקלאוטיד; הקו הכתום העליון מתאר את הרבעונים של התפלגות ציוני האיכות; השורה האדומה התחתונה מתארת את אחוז קריאות הרצף שהרחיבו את מיקום הנוקלאוטידים (ציר Y ימני, כאן 100%). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים S2: שיעורי שגיאה עבור דגימות שונות. תדירות השגיאות בדגימות השונות (נקודות שחורות) אמורה לרדת עם הגדלת ציון האיכות עבור כל החלפה אפשרית של זוג בסיסים המתוארת, המשקפת את המגמה הצפויה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
איור משלים S3: דוגמה ל-PCoA המבוססת על מרחקי UniFrac משוקללים. שמות הקבוצות המוצגים במקרא מייצגים את התוצרת המשמשת להעשרת הקומפוסט המשמש במיקרוקוסמוסים השונים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
טבלה משלימה S1: סינון רצף רציף. א מספר קריאות הרצף לפני הסינון. b-d כל עמודה מייצגת את מספר קריאות הרצף שנותרו לאחר שלב סינון: סינון קריאות באיכות נמוכה (שלב 2.5), סימון אלגוריתם שבוצע על-ידי dada() (שלב 2.8), מיזוג קריאות קדימה ואחורה (שלב 2.9) והסרת כימרות (שלב 2.11). אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
טבלה משלימה S2: טבלת מטה-נתונים. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
למחברים אין ניגודי עניינים להצהיר כי הם רלוונטיים לתוכן מאמר זה.
מיקרוקוסמוסים של קומפוסט מביאים את המגוון המיקרוביאלי שנמצא בטבע למעבדה כדי להקל על מחקר המיקרוביום ב-Caenorhabditis elegans. מובאים כאן פרוטוקולים להקמת ניסויי מיקרוקוסמוס, כאשר הניסויים מדגימים את היכולת לווסת את המגוון המיקרוביאלי הסביבתי כדי לחקור את הקשרים בין המגוון המיקרוביאלי הסביבתי לבין הרכב המיקרוביום של מעי התולעים.
העבודה המתוארת בכתב יד זה נתמכה על ידי מענקי NIH R01OD024780 ו- R01AG061302. ק.ט. נתמך גם על ידי מלגת מחקר לתואר ראשון מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, במימון קרן רוז הילס. עיצובים מצוירים באיור 1 התקבלו מ-BioRender.com.
| AMPure XP Reagent, 60 מ"ל | בקמן קולטר | A63881 | קובץ משלים שלב 1.3 |
| אקונומיקה (נתרן היפוכלוריט) | סיגמא-אולדריץ' | 7681-52-9 | שלב 6.5 |
| DNeasy PowerSoil Pro Kit | Qiagen | 47016 | שלב 7 מיצוי DNA |
| סט dNTP 10 מ"מ | Invitrogen | 18427013 | משלים שלב 1.2 |
| Easypet 3 פיפטה סרולוגית בקר | Eppendorf | 4430000018 | משמש להסרת סופרנטנט כאשר צוין |
| Greiner Bio-One 25 מ"ל צנרת סרולוגית סטרילית | פישר סיינטיפיק | 07-000-368 | משמש להסרת סופרנטנט כאשר צוין |
| KH2PO4 | Fisher Scientific | P285-500 | משמש להפיכת M9 |
| Levamisole Hydrochloride | Fisher למדעי | AC187870100 שלב 6.4 | |
| M9 פתרון מדיה מינימלי | הוכן בבית | מתכוןN/A | ב-wormbook.org |
| MgSO4 | Fisher Scientific | M63-500 | משמש לייצור |
| ערכת ריאגנטים בתפוקה גבוהה M9 MiniSeq (150 מחזורים) | Illumina | FC-420-1002 | שלב משלים 1.7 |
| מערכת MiniSeq | Illumina | SY-420-1001 | נעשה שימוש ברצף מסחרי; שלב משלים 1.7 |
| Na2HPO4 | Fisher Scientific | S374-500 | משמש לייצור M9 |
| NaCl | Fisher Scientific | S271-3 | משמש לייצור |
| M9 Nematode Growth Media (NGM) | מתכון | N/A | מוכן בבית |
| בערכת הכנת ספריית ה-DNA wormbook.org Nextera XT (96 דגימות) | Illumina | FC-131-1096 | נעשה שימוש בערכת הכנה לספרייה; שלב משלים 1.4 |
| PhiX Control v3 | Illumina | FC-110-3001 | שלב משלים 1.7 |
| Phusion High Fidelity DNA Polymerase | New England Biolabs | M0530L | שלב משלים 1.2 |
| PowerLyzer 24 הומוגנייזר (110/220 V) | Qiagen | 13155 | שלב 7.3 |
| ערכת בדיקה Qubit dsDNA HS | Invitrogen | Q32851 | שלבים משלימים 1.1 ו-1.6 |
| קיוביט פלואורומטר | Invitrogen | Q33238 | שלבים משלימים 1.1 ו-1.6 |
| טריטון X-100 | פישר סיינטיפיק | BP-151 | משמש להכנת M9+T |
| זירקוניה/חרוזי סיליקה בקוטר 1.0 מ"מ | פישר סיינטיפיק | NC9847287 | שלב 7.1 |