DEL 2 Reglerande samband mellan kvalitetsvariation och miljö för Cistanche Deserticola i tre ekotyper baserat på jordmikrobiomanalys

KLICKA HÄR FÖR DEL 1

För mer information vänligen kontakta:Joanna.jia@wecistanche.com

korrelationer mellan nyckelmikrobiella samhällen, PhG-innehåll och ekologiska faktorer.Den redundanta analysen av kärnan, överflöd av biomarkörmikrobiom, PhG-innehåll och ekologiska faktorer utfördes på ordernivå och omanalys utfördes på basis av effekter. Den justerade varianstolkningen var 82,70 procent (tabell S7). Sphingomonadales förklarade 45,7 procent av PhG-innehållet (s.=0.002). Pseudonocardiales förklarade 22,4 procent av PhG-innehållet (p=0.01). 2'-acetylakteosiden var signifikant positivt korrelerad med Pseudonocardiales och Oceanospirillales och negativt korrelerad med Sphingomonadales (Fig. 5a). Echinakosiden var signifikant positiv med Sphingomonadales.

Cistancheextrakt kan förhindraAlzheimerssjukdom

Korrelationsanalys utfördes för överflöd av biomarkörer,PhGinnehåll (Fig. S3 och Tabell S5), och ekologiska faktorer (Tabell S6). Resultaten av korrelationsnätverken (Fig. 5b) visade att 2'-acetylakteosid var signifikant positivt korrelerad med Oceanospirillales, Rhizobiales och Thiotrichales, medan negativt korrelerade med Pseudonocardiales och Nitrosomonadales i alla jordprover. Värmekartan (fig. 5c–e) avslöjade att A var negativt korrelerad med det genomsnittliga årliga vattenångtrycket i saltlösning-alkalikorrelationer mellan nyckelmikrobiella samhällen, PhG-innehåll och ekologiska faktorer.Den redundanta analysen av kärnan, överflöd av biomarkörmikrobiom,PhGsinnehåll och ekologiska faktorer utfördes på beställningsnivå, och omanalys gjordes på basis av effekter. Den justerade varianstolkningen var 82,70 procent (tabell S7). Sphingomonadales förklarade 45,7 procent av PhG-innehållet (s.=0.002). Pseudonocardiales förklarade 22,4 procent av PhG-innehållet (p=0.01). 2'-acetylakteosiden var signifikant positivt korrelerad med Pseudonocardiales och Oceanospirillales och negativt korrelerad med Sphingomonadales (Fig. 5a). Echinakosiden var signifikant positiv med Sphingomonadales.

Korrelationsanalys utfördes för biomarkör abun I land. Samtidigt var cistanosid A signifikant positivt korrelerad med Micrococcales och negativt korrelerad med Rhizobiales i salt-alkaliland (Fig. 5c). I gräsmark var 2'-acetylakteosid negativt korrelerad med årsmedeltemperaturen (Fig. 5d). I sandig mark var tubulosid A negativt korrelerad med Nitrosomonadales (Fig. 5e).

bakteriemikrobiomets prediktiva funktion i de tre ekotyperna av C. deserticola.De funktionella profilerna för bakteriemikrobiomet förutspåddes baserat på 16S rRNA-genkopiantalet för dechiffrerade bakteriella taxa med Tax4Fun enligt KEGG Ortholog-grupper (KOs). Resultaten av funktionell förutsägelse (Fig. 6) visade att de funktionella metabolismerna av jordmikrobiomer i de tre ekotyperna av C. deserticola var identiska. Bland metabolismerna var kolhydrater, aminosyror, kofaktorer och vitamin- och energimetabolismer rikliga. Membrantransport och signaltransduktion var också rikligt med miljöinformationsbehandling.

Cistancheextrakt harantiinflammatoriskegenskaper

Diskussion

Vårt tidigare arbete visade att psbA-svängsekvens och 2'-acetylakteosid kan användas som molekylära och kemiska markörer för att skiljaC. deserticafrån Xinjiang och Inre Mongoliet27. Med fältundersökningar fann vi att C. desertica huvudsakligen lever i tre typer av livsmiljöer, inklusive salt-alkalimark vid EbinurLake, sandig mark runt Alexa League och mellanliggande ökengräsmarker. De metaboliska profilerna för tre ekotyp C. desertica visade också att 2'-acetylakteosid kan användas som en kemisk markör för att särskilja de tre ekotyperna1. Vi diskuterade variationen av C. deserticolas kvalitet och dess bildningsmekanism från dimensionerna av ärftlighet, metabolism och klimatfaktorer. Därför, ur ett mikroperspektiv, korrelationsnätverket analys

överflöd av mikrobiom,PhGsinnehåll och ekologiska faktorer utfördes för att klargöra särdragen hos markmikrobiella samhällen hos de tre ekotyperna avC. deserticolaoch deras förhållande till kvalitetsvariationen.

vatten. Dessutom producerar Bacillalescan rika metaboliska produkter för att syntetisera en mängd olika organiska syror, enzymer, fysiologiska aktiviteter och andra ämnen, såväl som en mängd andra näringsämnen som lätt kan användas33. De gemensamma miljöegenskaperna för de tre ekotyperna av C. deserticolaär torka och markökenspridning. Jorden runt Ebinur-sjön åtföljs också av salt-alkali-stress. Detta kan vara anledningen till att kärnjordens mikrobiella samhällen av tre ekotyper har vissa egenskaper som torka, salttolerans, alkaliresistens och stressresistens.

Cistancheextrakt kan motståstrålning

Mikrobiella faktorer som påverkar variationen av PhG i tre ekotyper av C. deserticola.Fig. S3 visar ett rutadiagram över PhG-innehållet i de tre ekotyperna av C. deserticola. Figuren avslöjar att 2′-acetylakteosidhalten är högre i salt-alkalimark än i gräsmark och sandig mark, vilket stämmer överens med tidigare resultat1. Redundant analys och associationsnätverksresultat visar att Oceanospirillales är signifikant positivt korrelerad med 2'-acetylakteosid. Oceanospirillales, den högsta biomarkören när det gäller LDA-poäng i salt-alkaliland, är specifikt berikade. Dessa bakterier är metaboliskt och morfologiskt olika, av vilka några kan växa i närvaro av syre medan andra kräver en anaerob miljö34. Oceanospirillales är en ordning av proteobakterier som består av två familjer. Marine spirillum är ofta en endosymbiont av benätande maskar (Osedax)35. De flesta Oceanospirillales föredrar eller kräver höga saltkoncentrationer för att växa. Trots deras tillväxt inom olika nischer, hämtar Oceanospirillales energi från nedbrytningen av olika ekologiska produkter. Därför är den höga salthalten och alkaliniteten de främsta orsakerna till anrikningen av Oceanospirillales i salt-alkalisk markjord. Detta resultat tyder starkt på att den högsta halten av 2'-acetylakteosid i saltlösning-alkali är relaterad till anrikningen av Oceanospirillales. Det reglerande förhållandet mellan Oceanospirillales och 2′-acetylakteosid är dock fortfarande tomt, och ytterligare forskning behövs.

Det totala innehållet av de sju PhGs är det högsta i gräsmarken, bland vilka echinacoside är de dominerande PhGs. Echinakosid är signifikant positivt korrelerad med Sphingomonadales, som är en sekvens inom alfa-proteus och utgör familjen Erythrobacteraceae och Sphingomonadaceae. Båda familjerna är vanliga i naturen, särskilt i jordar, hav och sötvatten36. Sphingomonadales har ett brett spektrum av metabolisk kapacitet för aromatiska föreningar, och vissa stammar kan syntetisera värdefulla extracellulära biopolymerer37. Alla tidigare kända medlemmar av klassen Sphingomonas är aeroba och kemiskt organiska. Det enda undantaget är den fakultativa anaeroba etanoljäsningskärlet, som används för att producera fermenterad dryckesmassa. Vissa arter av släktet Rhodobacter, porfyrin och Staphylococcus aureus, samt vissa arter av släktet Sphingomonas, har klorofyll a och är därför valfria fotoorganotrofa (energi genererad via fotosyntes)38. Den bästa kvaliteten på C. deserticola i gräsmark kan bero på den rika mikrobiella mångfalden och metaboliska relaterade funktioner hos biomarkören (Sphingomonadales). Detta fynd ger ny insikt i studien om kvalitetsvariationen av C. deserticola i olika ekotyper.

Förutsägelse av metaboliska funktionsprofiler för markmikrobiomer av de tre ekotyperna C. deserticola.De metaboliska funktionsprofilerna (fig. 6 och fil S1) av jordmikrobiomer av C. deserticola i de tre ekotyperna visades för första gången i denna studie. När det gäller metabolism är kolhydratmetabolism (stärkelse- och sackarosmetabolism,ko00500; aminosocker- och nukleotidsockermetabolism, ko00520) och aminosyrametabolism (arginin- och prolinmetabolism, ko00330; glycin-, serin- och treoninmetabolism, ko00260) mycket berikade i mikrobiomer. Kolhydratmetabolism är ansvarig för bildning, nedbrytning och omvandling av kolhydrater i kroppen. Kolhydrater är grunden för många viktiga metabola vägar39. Kolhydrater som glukos är en del av flera metaboliska vägar över arter. Kolhydrater syntetiseras av växter från atmosfären genom fotosyntes och kan användas som substrat för cellandning40. Växter och mikroorganismer absorberar ammoniak, ammoniumsalt, nitrit, nitrat och annat oorganiskt kväve från miljön för att syntetisera proteiner och kvävehaltiga ämnen. Vissa mikrober kan omvandla N2 från luft till ammoniakkväve för att syntetisera aminosyror41. Den metaboliska funktionen hos markmikrobiomer berikades i den primära metabolismen. Denna berikning tyder på att mikrobiomen kan ge näring till växter och främja deras tillväxt under torka och andra påfrestningar.

Metaboliska funktionsprofiler visade också att membrantransport (ABC-transportörer, ko02010) och signaltransduktion (tvåkomponentsystem, ko02020) är mycket berikade i mikrobiomer inom miljöinformationsbehandling. Membrantransport är en samling mekanismer som reglerar passagen av lösta ämnen, såsom joner och små molekyler, genom en biofilm, som är ett dubbelskikt av lipider inbäddade i proteiner. Regleringen av korsande membran tillskrivs permeabiliteten hos selektiva membran, en egenskap hos biofilmer som möjliggör separation av ämnen med olika kemiska egenskaper. Med andra ord kan dessa membran vara genomsläppliga för vissa ämnen men inte för andra42. Bland dessa membran var ABC-transportvägen mycket berikad i jordmikrobiomer. ATP-bindande box (ABC) transportörer finns universellt i mikroorganismer som bakterier och är en av de största proteinfamiljerna som är kända idag. Dessa transportörer binder ATP-hydrolys för att delta i den aktiva transporten av mångfaldiga substrat såsom joner, peptider, lipider, läkemedel, sockerarter, proteiner och steroler. Strukturen hos ABC-transportörer i prokaryoter består vanligtvis av tre delar. I allmänhet har två intakta membranproteiner vardera sex transmembranfragment: två perifera proteiner som binder och hydrolyserar ATP, och ett perifert (eller lipoprotein) substrat av ett bindande protein. Som observerats i genomen hos många bakterier och arkéer bildar många gener av dessa tre komponenter operoner43. Torka, salthalt och alkalistress främjade membrantransportfunktionen, särskilt förbättringen av den aktiva transportfunktionen hos markmikrobiomer.

Signaltransduktion är en process där en kemisk eller fysisk signal överförs genom en cell som en serie molekylära händelser. Det vanligaste är proteinkinaskatalyserad proteinfosforylering. Tvåkomponentssystemet är en signalväg som reglerar många bakteriella egenskaper, såsom toxicitet, patogenicitet, symbios, motilitet, näringsabsorption, produktion av sekundära metaboliter, metabolisk reglering och celldelning. Dessa system reglerar fysiologiska processer baserat på miljömässiga eller cellulära parametrar, vilket gör det möjligt för dem att anpassa sig till förändrade förhållanden44. Signaltransduktionen av markmikrobiomer främjades av torka eller saltlösning-alkali-stress.

CistancheExtrahera burkAntioxidant

slutsats

Denna studie är den första som presenterar markmikrobiomen för de tre ekotyperna av C. deserticola. Följande slutsatser erhålls: (1) markens mikrobiella samhälle i gräsmark är den vanligaste av de tre livsmiljöerna. (2) Biomarkörerna för de tre ekotyperna bestämdes också: Oceanospirillales (salt-alkaliland), Sphingomonadales (gräsmark) och Propionibacteriales (sandmark). (3) Kärnmikrobiomanalys visade att de mikrobiella samhällena i marken i C. deserticola mestadels hade torka, salttolerans, alkaliresistens och stressresistens, såsom Micrococcales och Bacillales. (4) Korrelationsanalysen visade att 2′-acetylakteosid är positivt korrelerad med Oceanospirillales och echinacosid är signifikant positivt korrelerad med Sphingomonadales. (5) Tax4Fun förutspår att de metaboliska funktionsprofilerna för tre ekotyper av markmikrobiomet är berikade i metabolism och miljöinformationsbearbetning.

Referenser

1. Zheng, S., Jiang, X., Wu, L., Wang, Z. & Huang, L. Kemisk och genetisk diskriminering av cistanches herba baserat på UPLC-QTOF/MS och DNA-streckkodning. Plus One 9, e98061 (2014).

2. Li, Z. et al. Ekologisk modellering av Cistanche deserticola YC Ma i Alxa, Kina. Scientific reports 9, 13134, https://doi.org/10.1038/ s41598-019-48397-6 (2019).

3. Joseph, E. et al. Struktur, variation och sammansättning av de rotassocierade mikrobiomen av ris. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112, E911 (2015).

4. Jansson, JK & Hofmockel, KS Markmikrobiom och klimatförändringar. Naturrecensioner. Microbiology, https://doi.org/10.1038/ s41579-019-0265-7 (2019).

5. Wang, X. et al. Jämförelse av de kemiska profilerna och antioxidantaktiviteterna hos olika delar av odlad Cistanche deserticola med hjälp av Ultra Performance vätskekromatografi-Quadrupole Time-of-Flight masspektrometri och en 1,1-Diphenyl-2- pikrylhydrazyl-baserad analys. Molecules 22, 2011 (2017).

6. Yang, L. et al. Fördelaktiga effekter av total fenyletanoidglykosidfraktion isolerad från Cistanche deserticola på benmikrostruktur hos råttor som behandlats med äggstockar. Oxidativ medicin och cellulär livslängd 2019, 2370862, https://doi. org/10.1155/2019/2370862 (2019).

7. Liu, W. et al. Från (1)H NMR-baserad icke-riktad till LC-MS-baserad målinriktad metabolomikstrategi för djupgående kamomilljämförelser mellan fyra Cistanche-arter. Journal of pharmaceutical and biomedical analysis 162, 16–27, https://doi.org/10.1016/j. jpba.2018.09.013 (2019).

8. Chen, H. et al. Kärnmikrobiomet hos medicinalväxten Salvia miltiorrhiza-frö: En rik reservoar av nyttiga mikrober för sekundär metabolism? International Journal of Molecular Sciences 19, 672 (2018).

9. Sonnenburg, JL & Backhed, F. Diet-mikrobiota-interaktioner som moderatorer av mänsklig metabolism. Nature 535, 56–64, https://doi. org/10.1038/nature18846 (2016).

10. Ju, F. & Zhang, T. 16S rRNA-gen med hög genomströmning för sekvensering av datautvinning av mikrobiell mångfald och interaktioner. Tillämpad mikrobiologi och bioteknik 99, 4119–4129 (2015).

11. Cui, J.-L., Vijayakumar, V. & Zhang, G. Uppdelning av svampendofyter i rotparasitiska växten Cynomorium songaricum och dess värd Nitraria tangutorum. Frontiers in microbiology 9, 666 (2018).

12. Fan, P., Liu, P., Song, P., Chen, X. & Ma, X. Måttlig dietproteinrestriktion förändrar sammansättningen av tarmmikrobiotan och förbättrar ilealbarriärfunktionen i en vuxen grismodell. Vetenskapliga rapporter 7, 43412 (2017).

13. Munyaka, PM et al. Mo1774 Prenatal antibiotikabehandling ökar avkommans känslighet för experimentell kolit: en roll för tarmmikrobiotan. Plus One 10, e0142536 (2015).

14. Zhao, Y. et al. Effekten av blandningsintensitet på prestandan och mikrobiell dynamik hos en enda vertikal reaktor som integrerar acidogena och metanogene faser i lignocellulosaisk biomassarötning. Bioresource technology 238, 542–551 (2017).

15. Cole, JR et al. Ribosomal Database Project: förbättrade anpassningar och nya verktyg för rRNA-analys. (2009).

16. Edgar, RC UPARSE: mycket exakta OTU-sekvenser från mikrobiella amplikonavläsningar. Nature Methods 10, 996 (2013).

17. Yu, W. et al. Jämförelse av nivåerna av bakteriell mångfald i sötvatten, våtmarker mellan tidvatten och marina sediment genom att använda miljontals Illumina-taggar. Applied & Environmental Microbiology 78, 8264 (2012).

18. Jiang, XT et al. Illumina-sekvensering av 16S rRNA-tagg avslöjade rumsliga variationer av bakteriesamhällen i en mangrovevåtmark. Microbial Ecology 66, 96–104 (2013).

19. Sanner, MF Python: ett programmeringsspråk för mjukvaruintegration och utveckling. Journal of Molecular Graphics & Modeling

17, 57–61 (1999).

20. Caporaso, JG et al. QIIME tillåter analys av högkapacitetsdata för community-sekvensering. Nat Methods 7, 335–336, https://doi. org/10.1038/nmeth.f.303 (2010).

21. Chong, J., Liu, P., Zhou, G. & Xia, J. Använda MicrobiomeAnalyst för omfattande statistisk, funktionell och metaanalys av mikrobiomdata. Nature Protocols, 1–23 (2020).

22. Dhariwal, A. et al. MicrobiomeAnalyst: ett webbaserat verktyg för omfattande statistisk, visuell och metaanalys av mikrobiomdata. Nukleinsyraforskning 45, W180–W188 (2017).

23. Šmilauer, P. & Lepš, J. Multivariat analys av ekologiska data med användning av CANOCO 5. (Cambridge university press (2014).

24. Shannon, P. et al. Cytoscape: en mjukvarumiljö för integrerade modeller av biomolekylära interaktionsnätverk. Genome Research 13, 2498–2504 (2003).

25. Asshauer, KP, Wemheuer, B., Daniel, R. & Meinicke, P. Tax4Fun: förutsäga funktionella profiler från metagenomiska 16S rRNA-data. Bioinformatics (Oxford, England) 31, 2882–2884, https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btv287 (2015).

26. Koo, H. et al. Jämförelse av två bioinformatiska verktyg som används för att karakterisera den mikrobiella mångfalden och prediktiva funktionella egenskaper hos mikrobiella mattor från Lake Obersee, Antarktis. Journal of microbiological methods 140, 15–22 (2017).

27. Huang, L., Zheng, S., Wu, L., Jiang, X. & Chen, S. Ekotyper av Cistanche deserticola baserade på kemisk sammansättning och molekylära egenskaper. Scientia Sinica Vitae 44, 318–328 (2014).

28. Gabriele, B. & Kornelia, S. Växtarter och jordtyp formar tillsammans strukturen och funktionen hos mikrobiella samhällen i rhizosfären. Fems Microbiology Ecology 68, 1–13 (2010).

29. Parte, AC LPSN–lista över prokaryota namn med ställning i nomenklaturen. Nukleinsyraforskning 42, 613–616 (2014).

30. Pirog, T., Grinberg, T. & Malashenko, YR Skyddsfunktioner av exopolysackarider producerade av en Acinetobacter sp. Microbiology (New York, NY) 66, 279-283 (1997).

31. Liu, Y.-H. et al. Mångfald, gemenskapsfördelning och tillväxtfrämjande aktiviteter för endofyter associerade med halofyten Lycium ruthenicum Murr. 3 Biotech 9, 144 (2019).

32. Staley, Bryant, Pfennig, Holt & JG Bergeys manual of systematic bacteriology - volym 4. Bergeys Manual of Systematic Bacteriology 38, 89–100 (1989).

33. Pasqua, RD et al. Inverkan av olika lignocellulosakällor på endo-1,4- -glukanasgenuttryck och enzymatisk aktivitet av Bacillus amyloliquefaciens B31C. Bioresurser 9 (2014).

34. Pot, B. & Gillis, M. Oceanospirillum. (2015).

35. Euzeby, JP Lista över bakterienamn med stående i nomenklaturen: en mapp tillgänglig på Internet. International journal of systematic bacteriology 47, 590–592, https://doi.org/10.1099/00207713-47-2-590 (1997).

36. Balkwill, DL, Fredrickson, JK & Romine, MF Sphingomonas and Related Genera. Prokaryotes 7, 605-629 (2003).

37. Takeuchi, M., Hamana, K. & Hiraishi, A. Förslag av släktet Sphingomonas sensu stricto och tre nya släkten, Sphingobium, Novosphingobium och Sphingopyxis, på grundval av fylogenetiska och kemotaxonomiska analyser. International Journal of Systematic & Evolutionary Microbiology 51, 1405–1417 (2001).

38. Saori, S. & Akira, H. Novosphingobium naphthalenivorans sp. nov., en naftalennedbrytande bakterie isolerad från polyklorerade dioxinförorenade miljöer. Journal of General & Applied Microbiology 53, 221–228 (2007).

39. Alánt, O., Pulay, I., Esztergályos, J. & Bodnár, A. Effekt av kirurgi på kolhydratmetabolism. Acta Chirurgica Academiae Scientiarum Hungaricae 16, 307 (1975).

40. Grå, GM Kolhydratnedbrytning och absorption. Encyclopedia of Gastroenterology 58, 275–278 (2004).

41. Coon, MJ & Robinson, WG Amino AcidMetabolism. (2003).

42. Purves, WK, Orians, G., Heller, C. & Sadava, D. Vida, LaCiencia de la Biología. 8ª upplaga. Panamericana (2009).

43. Schneider, E. & Hunke, S. Transportsystem för ATP-bindande kassett (ABC): Funktionella och strukturella aspekter av de ATP-hydrolyserande subenheterna/domänerna. Fems Microbiology Reviews 22, 1–20 (1998).

44. Kleerebezem, M., Quadri, LE, Kuipers, OP & Vos, WM De. Kvorumavkänning av peptidferomoner och tvåkomponents signaltransduktionssystem i grampositiva bakterier. Molecular Microbiology 24, 895–904 (2010).