다양한 rhizosphere 토양에서 시너지 효과가 있는 다종 생물막 군집을 구축하기 위한 빠르고 표준화된 절차가 여기에 제시되어 있습니다. 이는 복잡한 rhizosphere 토양 미생물군을 조사하고 시뮬레이션하도록 설계된 고유한 프로토콜입니다.
방법 논문
다양한 rhizosphere 토양에서 시너지 효과가 있는 다종 생물막 군집을 구축하기 위한 빠르고 표준화된 절차가 여기에 제시되어 있습니다. 이는 복잡한 rhizosphere 토양 미생물군을 조사하고 시뮬레이션하도록 설계된 고유한 프로토콜입니다.
다종 생물막은 뿌리권 토양을 포함하여 자연에서 자연적으로 발생하는 박테리아의 지배적 인 생활 방식이지만 현재의 이해는 제한적입니다. 여기에서 우리는 시너지 효과가 있는 다종 생물막 커뮤니티를 신속하게 구축할 수 있는 접근 방식을 제공합니다. 첫 번째 단계는 차등 원심분리 방법을 사용하여 근권 토양에서 세포를 추출하는 것입니다. 그 후, 이러한 토양 세포를 배양 배지에 접종하여 펠리클 생물막을 형성합니다. 36시간의 배양 후 16S rRNA 유전자 앰플리콘 시퀀싱 방법을 사용하여 생물막의 박테리아 조성과 그 아래의 용액을 결정합니다. 한편, 펠리클 생물막에 대한 고처리량 세균 분리는 제한 희석 방법을 사용하여 수행됩니다. 그런 다음, 16S rRNA 유전자 앰플리콘 시퀀싱 데이터(펠리클 생물막 샘플)에서 가장 풍부도가 높은 상위 5개의 박테리아 분류군을 선택하여 다종 생물막 군집을 구축하는 데 추가로 사용합니다. 5가지 박테리아 분류군의 모든 조합은 24웰 플레이트를 사용하여 신속하게 확립되었으며, 결정 보라색 염색 분석에 의해 가장 강력한 생물막 형성 능력을 위해 선택되었으며 qPCR로 정량화되었습니다. 마지막으로, 가장 강력한 합성 박테리아 다종 생물막 군집은 위의 방법을 통해 얻어졌습니다. 이 방법론은 rhizosphere multispecies biofilm에 대한 연구를 수행하고 이러한 종 간의 상호 작용을 지배하는 원칙을 연구하기 위한 대표 군집을 식별하기 위한 유익한 지침을 제공합니다.
생물막은 표면에 부착되거나 계면으로 연결된 복잡한 미생물 군집을 나타냅니다. 자연 서식지, 임상 환경 및 산업 맥락과 같은 다양한 환경에서 발견되는 대부분의 박테리아가 생물막 군집 내에서 지속된다는 광범위한 인정이 있습니다1. 토양에서 뿌리 표면과 인접한 2mm 두께의 영역을 포함하는 뿌리권은 영양 가용성이 높은 생태학적 틈새를 형성합니다. 특정 박테리아는 이 틈새를 활용하기 위한 전략을 진화시켜 미생물 증식을 촉진하고 뿌리권에서 생물막 군집의 형성을 촉진했다2.
Rhizosphere 미생물은 식물의 '두 번째 게놈'으로 간주됩니다3. 식물 성장 촉진 미생물(PGPM)은 식물과 상호 공생하여 중요한 성장 촉진 및 생물 제어 기능을 제공합니다4. 한편으로, PGPM은 식물 뿌리에 영양분을 공급하고, 영양분 흡수를 촉진하고, 병원균에 대한 방어를 하고, 뿌리권 토양의 오염 물질을 분해할 수 있다5. 반면에 PGPM은 식물 뿌리 삼출물을 성장과 진화를 위한 영양 공급원으로 활용하여 자신의 신진대사를 통해 근권 토양과 뿌리 시스템에 영향을 미칩니다. 이러한 모든 기능의 전제 조건은 식물 뿌리권에서 PGPM의 효과적인 집락화로 안정적인 생물막을 형성하는 것이라는 점은 주목할 가치가 있습니다6.
Rhizosphere biofilm은 rhizosphere microbes의 조립 과정에 영향을 미치며, rhizosphere microbe assembly의 시간적 및 공간적 특성은 다종 생물막7의 상호 작용과 밀접한 관련이 있습니다. 이는 식물-미생물 상호 작용의 허브 역할을 하여 식물-미생물 상호 작용이 효과적으로 상호 작용할 수 있는 안정적이고 제어 가능한 틈새를 제공합니다. 따라서 rhizosphere biofilm을 연구하는 것은 식물과 미생물 간의 상호 작용에 대한 통찰력을 얻는 중요한 방향이기도합니다.
그러나 현재 rhizosphere multispecies biofilms에 대한 연구는 거의 없습니다. 마이크로바이옴 구성의 높은 복잡성으로 인해 자연 미생물 군집을 둘러싼 근본적인 생태학적 질문에 답하기가 어렵습니다8. 실험 과정에서 토양 유형, 식물 유형 및 많은 수의 미생물 군집과 같은 많은 조건을 고려해야 합니다. 다양한 요인이 rhizosphere multispecies biofilms의 연구를 제한합니다.
종간 시너지 상호작용 또는 대사산물교차 섭식8과 같은 뿌리권 토양으로부터의 다종 생물막 군집을 추가로 조사하기 위해서는, 실험실 조건 하에서 단순화되고, 대표적이며, 안정적이고, 다루기 쉬운 합성 미생물 군집을 인위적으로 구축하는 것이 바람직하다(9,10). 여기에서 표준화된 프로토콜은 여러 최신 미생물학 및 생물정보학 기술을 결합합니다.
이 프로토콜은 일반적으로 다양한 식물의 뿌리권 토양 미생물군에 적용할 수 있습니다. 여기에서는 오이를 예로 듭니다. 연구에 사용된 시약 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 세균 분리
2. rhizosphere biofilm microbiota의 염기서열 분석 및 식별
3. 합성 미생물 군집의 구축
4. 펠리클 세포 수 정량화
참고: 펠리클 및 나머지 용액에서 각 종의 비율과 세포 수를 확인하려면 정량적 PCR이 필요합니다. 자세한 내용은 Sun et al.16을 참조하십시오.
언급된 절차에 따라, 오이 뿌리권 토양 미생물군으로부터 생물막 형성 능력의 상당한 구배가 관찰됩니다(그림 1). 생물막 앰플리콘 시퀀싱을 통해 펠리클의 종을 확인했습니다(그림 2). 염기서열 분석 데이터의 히트 매핑을 기반으로 펠리클의 풍부도가 나머지 용액의 농도보다 큰 상위 5개의 박테리아 종을 선택했습니다(그림 3). 여기에서는 일반적인 합성 커뮤니티 그룹을 예로 들었습니다. Crystal violet 염색 및 정량적 PCR은 펠리클 바이오매스의 차이와 군집 내 각 종의 상대적 풍부도를 직접 시각화합니다. 증가된 공동 배양 바이오매스는 rhizosphere 토양에서 시너지 효과가 있는 다종 생물막 군집을 구축하는 데 성공했음을 나타냅니다(그림 4 및 그림 5).
그 결과, 바실러스 벨레젠시스(Bacillus velezensis) SQR9, 아시네토박터 바우마니(Acinetobacter baumannii) XL-1 및 버크홀데리아 세노세파시아 XL-2(Burkholderia cenocepacia XL-2)가 세 종 모두로 구성된 가장 강력한 군집과 함께 탁월한 시너지 컨소시엄을 형성할 수 있음을 보여줍니다. 그들은 생물막 형성에서 강력한 시너지 효과를 나타낼 것으로 예측됩니다. XL-1이 '헌정자' 역할을 한다는 점도 주목할 만하다. 이는 XL-2 및 SQR9의 생물막 형성을 촉진합니다., 컨소시엄에서 성장이 미미하고 풍부함이 미미함에도 불구하고(그림 5). 많은 다종 공동 배양 생물막이 시너지 효과를 나타내는 표현형을 나타내지만, Chryseobacterium sp.와 같은 일부 종은 합성 생물막의 생물량을 감소시킴으로써 항상 다른 균주와 부정적인 관련이 있습니다(그림 2). 이 현상은 이 프로토콜의 대상과 관련이 없지만 향후 추가 조사가 필요할 수 있습니다.

그림 1: 다양한 합성 군집(SynCom)의 생물막 형성. 여기서 샘플은 표준 24웰 플레이트에 있습니다. 사진은 확대 없이 캡처됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 펠리클과 용액의 박테리아 조성. 그래프는 프로토콜 step 2.3에서 언급한 16S rRNA 유전자 앰플리콘 염기서열분석 데이터를 기반으로 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 펠리클 및 용액의 생물막 형성 용량의 히트맵. 빨간색은 용액보다 높은 생물막의 풍부도를 나타내고 파란색은 그 반대를 나타냅니다. 속은 차이가 보이지 않습니다. 상위 5개 풍부도의 종은 왼쪽에 표시되어 있습니다. BB: 까만 biofilm; BS: 블랙 솔루션. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 그림 1의 합성 군집의 생물막 바이오매스 정량화. 데이터는 OD = 590 nm의 결정 보라색 정량화에서 얻은 것입니다. 제시된 데이터는 평균 ± SD, n = 5입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 그림 1의 합성 군집의 세포 수 및 종 상대적 풍부도. 데이터는 정량적 PCR에서 가져온 것입니다. 제시된 데이터는 평균 ± SD, n = 6입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
프로토콜에 따라, 다양한 식물의 뿌리권 토양에 있는 미생물군을 기반으로 일련의 강력한 합성 다종 생물막 군집이 구성됩니다. 정량적 PCR 기술을 사용하여 각 커뮤니티의 구성을 명확하게 해독합니다. 생물막의 바이오매스는 잠재적인 대사 상호 작용의 강도를 나타내지만, 협력 이면의 다양한 특성과 메커니즘은 여기에서 밝힐 수 없습니다19. 자연 미생물 군집의 규모와 복잡성을 감안할 때, 합성군집(synthetic communities, SynComs)은 기존의 장애물을 극복하기 위한 모델 시스템이다14. 이 프로토콜은 복잡한 rhizosphere 토양 미생물군으로부터 합성 생물막 군집을 구성하는 체계적이고 근본적인 방법론을 강조합니다.
SQR9, XL-1 및 XL-2는 실제 뿌리권에서 안정적인 식민지화에 대한 강력한 잠재력을 보여준다는 것이 마지막 부분에서 분명합니다. 연구자들은 이러한 균주를 기반으로 대사 관계와 공동 집락화 메커니즘을 조사하기 시작할 수 있습니다. 이후에도 오이에 대한 미생물 접종제에 대한 후속 연구도 가능합니다.
언급된 장점에도 불구하고 프로토콜의 단점을 간과하지 않는 것이 중요합니다. 실험실 배양과 현장 조건 간의 차이로 인해, 각 합성 군집의 결과는 실제 뿌리권 토양20에서 미생물군을 정확하게 나타내지 않을 수 있다. 추가 rhizosphere 접종을 통한 확인이 필요합니다. 또한 이러한 결과의 재현성은 상대적으로 낮습니다. 실험실의 펠리클 생물막 종은 토양의 야생 유형에 비해 여러 세대에 걸쳐 돌연변이를 겪었을 수 있으며, 이로 인해 통제할 수 없는 부정확성이 발생할 수 있습니다.
프로토콜의 특정 단계에 대한 몇 가지 대안이 있습니다. 예를 들어, 단계 1.2에서, Nycodenz 밀도 구배 원심분리법은 토양 세포 시료를 수집하는 데 상대적으로 더 효율적이다(13). 또한 2.4단계에서 최신 고처리량 배양 및 박테리아 식별은 더 높은 비용에도 불구하고 실험 효율성을 크게 향상시킵니다. 따라서 전통적인 희석 코팅 플레이트 방법은 몇 가지 종을 선택하는 데 여전히 적합합니다. 마지막으로, 3.2 단계에서 배양된 생물막의 바이오매스는 크리스탈 바이올렛 염색과 분석 저울에서 직접 칭량하여 평가할 수 있습니다.
이 프로토콜은 단순히 미생물 및 환경 연구를 위한 기본 실험 재료를 만드는 것 이상으로 확장됩니다. 가장 강력한 합성 박테리아 다종 생물막 군집을 식별하는 것은 개방적이고 복잡한 뿌리권 생태계를 밝히는 첫 번째 단계일 뿐입니다. SynCom의 핵심 종에 집중함으로써 연구자들은 보다 표적화되고 신속한 방식으로 실제 현장 상황에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이 접근법은 또한 rhizosphere 토양 응집체와 같은 더 큰 규모로 biofilms를 탐색하고 식물 성장과 건강을 위한 rhizosphere 미생물 군집의 정확한 관리를 위한 새로운 관점을 제공할 수 있습니다21.
가장 중요한 것은 이 방법론이 뿌리권 토양 미생물군의 집합과 역학을 지배하는 종간 상호 작용에 대한 추가 연구에 빛을 비출 것이라는 것입니다. 예를 들어, 복잡한 rhizosphere community를 다룰 때, 동시 발생 네트워크 분석 또는 게놈 규모 대사 모델링(genome-scale metabolic modeling)15 과 같은 다른 분석 방법은 종종 이러한 기본 단계와 결합되어 대표적인 생물막 커뮤니티를 인위적으로 구축합니다. 여기에는 종간 관계에 대한 고려 사항이 포함됩니다.
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
이 연구는 중국 국립자연과학재단(42307173 및 42107328)과 국가 핵심 연구 개발 프로그램(2022YFD1500202 및 2022YFF1001800)의 재정 지원을 받았습니다. P.W, Z.X가 연구를 설계했습니다. P.W, B.X, Z.C, J.X, N.Z는 데이터를 분석하고 수치를 만들었습니다. P.W는 원고의 첫 번째 초안을 썼습니다. Z.X., R.Z. 및 Q.S.가 원고를 수정하였다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 0.2 % Na4P2O7 용액 | Sinopharm 화학 시약 Co., Ltd. | 20041418 | 토양 현탁액을 희석하는 데 사용됩니다. |
| 100 &뮤; m 나일론 셀 필터 | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | F613463-0001 | 배양액을 여과하고 펠리클 생물막을 분리하는 데 사용됩니다. |
| 2% NaClO 용액 | Sinopharm 화학 시약 Co., Ltd. | L03336903 | 씨앗을 살균하는 데 사용됩니다. |
| 24웰 플레이트 | Merck & Co., Inc. | PSRP010 | micobial 재배 및 펠리클 생물막 분리에 사용됩니다. |
| 3-(N-모르폴리노) 프로판 설폰산(MOPS) | Bioolook Scientific Research Special | 2360010 | MSgg 배지를 제조하는 데 사용됩니다. |
| 50mL 원심분리기 튜브 | Beijing Su-bio Biotech Co., Ltd. | 62.547.254 | 당사 프로토콜에 적합한 크기의 원심분리기 튜브. |
| 75 % C 2 < / sub>H < > 5 < / sub>OH 용액 | Sinopharm 화학 시약 (주) | 801769680 | 씨앗을 살균하는 데 사용됩니다. |
| Acinetobacter baumannii XL-1 | Nanjing Agricultural University | N/A | 근권 토양에서 분리된 균주. |
| Bacillus velezensis SQR9 | Nanjing Agricultural University | N/A | 근권 토양에서 분리된 균주. |
| 박테리아 DNA 키트 | Nanjing Dinsi Biotechnology Co., Ltd. | D3350020000K04U021 | 세균성 DNA를 추출하는 데 사용됩니다. |
| 검은 흙 I | 난징 농업 대학 | N/A | 길림성의 흑토. |
| 흑토 II | 난징 농업 대학 | N/A | 흑토 헤이룽장성. |
| Burkholderia cenocepacia XL-2 | Nanjing Agricultural University | N/A | 권 토양에서 분리된 균주. |
| CaCl2 | Xilong Scientific Co., Ltd. | 10035048 | MSgg 미디어를 준비하는 데 사용됩니다. |
| 원심분리기 | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | G508009-0001 | 고속 원심분리기. |
| ChamQ SYBR qPCR 마스터 믹스 | Vazyme Biotech Co., Ltd. | Q311-02 | qPCR에서 DNA 증폭에 사용됩니다. |
| 클린 벤치 | 쑤저우 안타이 Airtech Co., Ltd. | NB026143 | 무균 작동에 사용됩니다. |
| 항온 인큐베이터 | ShangHai CIMO Medical Instrument Co., Ltd | GNP-9080BS-![]() | 미생물 배양에 사용됩니다. |
| Cristal 바이올렛 염료 | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | A600331 | 펠리클 생물막 염색 및 정량화에 사용됩니다. |
| 오이 씨앗 | 난징 농업 대학 | N / A | "Jinchun I"오이 씨앗. |
| Culturome v 1.0 | The Institute of Genetics and Developmental Biology of the Chinese Academy of Sciences | N/A | 고처리량 뿌리권 토양 박테리아 배양 및 식별에 사용됨 |
| FeCl3 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 10011918 | MSgg 배지를 제조하는 데 사용됩니다. |
| 냉장고 | Hefei Midea 냉장고 Co., Ltd. | BCD-556WKPM(Q) | 변형 보존에 사용됩니다. |
| 글루타메이트 | Bioolook Scientific Research Special | 2180020 | MSgg 배지를 제조하는 데 사용됩니다. |
| 글리세롤 | Sinopharm 화학 시약 유한 공사 | 10010618 | MSgg 매체를 제조하는 데 사용됩니다. |
| 수경 재배 바구니 | Yulv 가구점 | 6526262626 | 오이 수경법에 사용됩니다. |
| KH2PO4 | Xilong Scientific Co., Ltd. | 10017618 | MSgg 미디어를 준비하는 데 사용됩니다. |
| MgCl2 | Xilong Scientific Co., Ltd. | 7791186 | MSgg 미디어를 준비하는 데 사용됩니다. |
| MnCl2 | Xilong 과학적인 Co., 주식 회사. | 10400101 | MSgg 미디어를 준비하는 데 사용됩니다. |
| Msgg 매체 | Shanghai Bioesn Biotechnology Co., Ltd. | BES20791KB | Pellicle 생물막 배양 배지. |
| Na2HPO4· 7H2O | Merck & Co., Inc. | S9390-100G | TSB 매체를 준비하는 데 사용됩니다. |
| 공급자:NaCI | Chinasun Specialty Products co., Ltd. | HS0416 | TSB 매체를 제조하는 데 사용됩니다. |
| NaH2PO4· H2O | Merck & Co., Inc. | S9638-25G | TSB 매체를 준비하는 데 사용됩니다. |
| PBS-S 완충기 | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | E607008-0001 | 생체 조직을 위한 기본 완충액. |
| 페닐알라닌 | RYON | RT3486L005 | MSgg 매체를 제조하는 데 사용됩니다. |
| 피펫 | 베이징 Labgic 기술 Co., Ltd. | BS-1000-T | 균주 접종에 사용됩니다. |
| PMD19T 플라스미드 | Takara Biomedical Technology (Beijing) Co., Ltd. | D102A | qPCR 표준 곡선을 생성하는 데 사용됩니다. |
| 냄비 | Sinopharm 화학 시약 Co., Ltd. | YHHWS2401 | 오이 토양 재배에 사용됩니다. |
| qPCR | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | N/A: | qPCR에서 DNA 증폭에 사용됩니다. |
| Real-Time PCR 기기 | Thermo Fisher Scientific (China) Co.,Ltd. | 4484073 | 선택된 펠리클 생물막에서 qPCR을 수행하는 데 사용됩니다. |
| Roary | The Wellcome Trust SangerInstitute | N/A | 의 프라이머를 설계하는 데 사용되며 |
| 용액 혼합 및 미생물 배양에 사용됩니다. | |||
| Silwet L-77 | Cytiva Bio-technology(항저우) Co., Ltd. | SL77080596 | TSB 매체를 준비하는 데 사용됩니다. |
| 콩 펩톤 | 칭다오 하이테크 산업 단지 희망 생명 공학 Co., Ltd | HB8275 | TSB 매체를 준비하는 데 사용됩니다. |
| 분광 광도계 | Shanghai Yidian Analysis Instruments Co., Ltd. | 76713100010 | 펠리클 생물막 크리스탈 바이올렛 정량화에 사용됩니다. |
| 멸균 물 | Sinopharm 화학 시약 Co., Ltd. | SW150302 | 펠리클 생물막을 세척하는 데 사용됩니다. |
| 살균 니트릴 장갑 | Beijing Labgic Technology Co., Ltd. | 223016852LLZA | 기본 실험 작업에 사용됩니다. |
| 템플렛 DNA | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd. | N/A: | qPCR에서 DNA 증폭에 사용됩니다. |
| 티아민 | Bioolook Scientific Research Special | 2180020 | MSgg 배지를 제조하는 데 사용됩니다. |
| Tryptone | Thermo Fisher Scientific | LP0042B | TSB 배지를 준비하는 데 사용됩니다. |
| 트립토판 | Bioolook Scientific Research Special | 2190020 | MSgg 배지를 제조하는 데 사용됩니다. |
| TSB 매체 | Guangdong Huankai Microbial Sci. & Tech. Co., Ltd. | 024048 | 광범위한 박테리아 매체. |
| TSB-Msgg Meidium | Nanjing Agricultural University | N/A | 적용 가능성이 더 넓은 펠리클 생물막 배양을 위한 혼합 배지. |
| ZnCl2 | Nanjing Chemical Reagent Co., Ltd | C0310520123 | MSgg 매체를 제조하는 데 사용됩니다. |