TEIL 2 Regulatorischer Zusammenhang zwischen Qualitätsschwankungen und der Umgebung von Cistanche Deserticola in drei Ökotypen basierend auf Bodenmikrobiomanalyse

Mar 03, 2022


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Graphical summary at order level in group sample type of the top 15 biomarkers of C. deserticola soil in the three habitats. (b) Signifcant features identifed by Random Forest

Graphical summary at order level in group sample type of the top 15 biomarkers of C. deserticola soil in the three habitats. (b) Signifcant features identifed by Random Forest

Korrelationen zwischen der Häufigkeit wichtiger mikrobieller Gemeinschaften, dem PhG-Gehalt und ökologischen Faktoren.Die redundante Analyse des Kerns, der Biomarker-Mikrobiomhäufigkeit, des PhG-Gehalts und der ökologischen Faktoren wurde auf Auftragsebene durchgeführt, und die Reanalyse wurde auf der Grundlage von Effekten durchgeführt. Die angepasste Interpretation der Varianz betrug 82,70 Prozent (Tabelle S7). Die Sphingomonadales erklärten 45,7 Prozent des PhG-Inhalts (p=0.002). Die Pseudonocardiales erklärten 22,4 Prozent des PhG-Gehalts (p=0.01). Das 2'-Acetylacteosid war signifikant positiv korreliert mit Pseudonocardiales und Oceanospirillales und negativ korreliert mit Sphingomonadales (Fig. 5a). Das Echinacosid war bei Sphingomonadales signifikant positiv.

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Es wurde eine Korrelationsanalyse für die Häufigkeit von Biomarkern durchgeführt,PhGInhaltsstoffe (Abb. S3 und Tabelle S5) und ökologische Faktoren (Tabelle S6). Die Ergebnisse der Korrelationsnetzwerke (Abb. 5b) zeigten, dass 2'-Acetylacteosid in allen Bodenproben signifikant positiv mit Oceanospirillales, Rhizobiales und Thiotrichales korrelierte, während es mit Pseudonocardiales und Nitrosomonadales negativ korrelierte. Die Heatmap (Abb. 5c–e) zeigte, dass A am Tisch negativ mit dem durchschnittlichen jährlichen Wasserdampfdruck in Kochsalz-Alkali korrelierteKorrelationen zwischen der Häufigkeit wichtiger mikrobieller Gemeinschaften, dem PhG-Gehalt und ökologischen Faktoren.Die redundante Analyse des Kerns, der Biomarker-Mikrobiomhäufigkeit,PhGsInhaltliche und ökologische Faktoren wurden auf Auftragsebene durchgeführt und eine Reanalyse auf der Basis von Effekten durchgeführt. Die angepasste Interpretation der Varianz betrug 82,70 Prozent (Tabelle S7). Die Sphingomonadales erklärten 45,7 Prozent des PhG-Inhalts (p=0.002). Die Pseudonocardiales erklärten 22,4 Prozent des PhG-Gehalts (p=0.01). Das 2'-Acetylacteosid war signifikant positiv korreliert mit Pseudonocardiales und Oceanospirillales und negativ korreliert mit Sphingomonadales (Fig. 5a). Das Echinacosid war bei Sphingomonadales signifikant positiv.

Für den Biomarker Abun I Land wurde eine Korrelationsanalyse durchgeführt. Unterdessen korrelierte Cistanosid A signifikant positiv mit Micrococcales und negativ korreliert mit Rhizobiales in Salz-Alkali-Land (Abb. 5c). Im Grünland war 2′-Acetylacteosid negativ mit der durchschnittlichen Jahrestemperatur korreliert (Abb. 5d). In sandigem Land war Tubulosid A negativ mit Nitrosomonadales korreliert (Abb. 5e).

die prädiktive Funktion des bakteriellen Mikrobioms in den drei Ökotypen von C. deserticola.Die Funktionsprofile des bakteriellen Mikrobioms wurden anhand der 16S-rRNA-Genkopienzahl von entschlüsselten Bakterientaxa mit Tax4Fun nach den KEGG-Ortholog-Gruppen (KOs) vorhergesagt. Die Ergebnisse der funktionellen Vorhersage (Abb. 6) zeigten, dass die funktionellen Metabolismen der Bodenmikrobiome in den drei Ökotypen von C. deserticola identisch waren. Unter den Metabolismen waren Kohlenhydrate, Aminosäuren, Co-Faktoren und Vitamin- und Energiemetabolismus reichlich vorhanden. Membrantransport und Signaltransduktion waren auch bei der Verarbeitung von Umweltinformationen reichlich vorhanden.

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Diskussion

Unsere früheren Arbeiten zeigten, dass die psbA-Turn-Sequenz und 2′-Acetylacteosid als molekulare und chemische Marker zur Unterscheidung verwendet werden könnenC. Deserticaaus Xinjiang und der Inneren Mongolei27. Bei Felduntersuchungen fanden wir heraus, dass C. desertica hauptsächlich drei Arten von Lebensräumen bewohnt, darunter Salz-Alkali-Land am Ebinur-See, Sandland um Alexa League und dazwischen liegendes Wüstengrasland. Die Stoffwechselprofile von drei Ökotypen C. desertica zeigten auch, dass 2′-Acetylacteosid als chemischer Marker zur Unterscheidung der drei Ökotypen verwendet werden kann1. Wir diskutierten die Variation der C. deserticola-Qualität und ihren Bildungsmechanismus aus den Dimensionen Vererbung, Stoffwechsel und klimatischen Faktoren. Daher aus einer Mikroperspektive die Korrelationsnetzwerkanalyse


Correlation analysis based on key microbiome (six biomarkers and six core microbiome), seven active components and ecological factors

der Mikrobiomfülle,PhGsInhalt und ökologische Faktoren wurden durchgeführt, um das Merkmal der mikrobiellen Bodengemeinschaft der drei Ökotypen aufzuklärenC. Deserticolaund ihre Beziehung zur Qualitätsvariation.

Wasser. Darüber hinaus produziert Bacillalescan reichhaltige Stoffwechselprodukte zur Synthese einer Vielzahl von organischen Säuren, Enzymen, physiologischen Aktivitäten und anderen Substanzen sowie einer Vielzahl anderer Nährstoffe, die leicht verwertet werden können33. Die gemeinsamen Umweltmerkmale der drei Ökotypen von C. Deserticolasind Dürre und Bodenverödung. Auch der Boden rund um den Ebinur-See wird von Salz-Alkali-Stress begleitet. Dies kann der Grund dafür sein, dass die mikrobiellen Gemeinschaften im Kernboden von drei Ökotypen bestimmte Eigenschaften wie Trockenheit, Salztoleranz, Alkaliresistenz und Stressresistenz aufweisen.

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Mikrobielle Faktoren, die die Variation von PhGs in drei Ökotypen von C. deserticola beeinflussen.Abb. S3 zeigt ein Kastendiagramm des PhG-Gehalts der drei Ökotypen von C. deserticola. Die Abbildung zeigt, dass der Gehalt an 2′-Acetylacteosid in salz-alkalischen Böden höher ist als in Grünland und sandigen Böden, was mit den vorherigen Ergebnissen übereinstimmt1. Redundante Analyse- und Assoziationsnetzwerk-Ergebnisse zeigen, dass Oceanospirillales signifikant positiv mit 2′-Acetylacteosid korreliert ist. Oceanospirillales, der höchste Biomarker in Bezug auf den LDA-Score in salzalkalischen Böden, werden speziell angereichert. Diese Bakterien sind metabolisch und morphologisch vielfältig, von denen einige in Gegenwart von Sauerstoff wachsen können, während andere eine anaerobe Umgebung benötigen34. Oceanospirillales sind eine Ordnung von Proteobakterien, die aus zwei Familien besteht. Marines Spirillum ist oft ein Endosymbiont knochenfressender Würmer (Osedax)35. Die meisten Oceanospirillales bevorzugen oder benötigen hohe Salzkonzentrationen zum Wachsen. Trotz ihres Wachstums in verschiedenen Nischen beziehen Oceanospirillales Energie aus dem Abbau verschiedener organischer Produkte. Daher sind der hohe Salzgehalt und die Alkalität die Hauptgründe für die Anreicherung von Oceanospirillales in salzalkalischen Landböden. Dieses Ergebnis deutet stark darauf hin, dass der höchste Gehalt an 2′-Acetylacteosid in Salzlauge mit der Anreicherung von Oceanospirillles zusammenhängt. Die regulatorische Beziehung zwischen Oceanospirillales und 2′-Acetylacteosid ist jedoch noch unklar, und weitere Forschung ist erforderlich.

Die Gesamtgehalte der sieben PhGs sind im Grasland am höchsten, unter denen Echinacosid die dominierenden PhGs ist. Echinacosid ist signifikant positiv korreliert mit Sphingomonadales, einer Sequenz innerhalb des Alpha-Proteus, die die Familie der Erythrobacteraceae und Sphingomonadaceae darstellt. Beide Familien kommen in der Natur häufig vor, insbesondere in Böden, Ozeanen und Süßwasser36. Sphingomonadales hat eine breite Palette an Stoffwechselkapazitäten für aromatische Verbindungen, und einige Stämme können wertvolle extrazelluläre Biopolymere synthetisieren37. Alle bisher bekannten Mitglieder der Klasse Sphingomonas sind aerob und chemisch organisch. Einzige Ausnahme ist der fakultativ anaerobe Ethanolfermenter, der zur Herstellung von fermentiertem Getränkebrei verwendet wird. Bestimmte Arten der Gattung Rhodobacter, Porphyrin und Staphylococcus aureus sowie bestimmte Arten der Gattung Sphingomonas haben Chlorophyll a und sind daher optional photoorganotroph (durch Photosynthese erzeugte Energie)38. Die beste Qualität von C. deserticola im Grünland kann auf die reiche Diversität der mikrobiellen Gemeinschaft und die stoffwechselbezogenen Funktionen des Biomarkers (Sphingomonadales) zurückzuführen sein. Dieser Befund liefert neue Einblicke in die Studie zur Qualitätsvariation von C. deserticola in verschiedenen Ökotypen.


Vorhersage von Stoffwechselfunktionsprofilen von Bodenmikrobiomen der drei Ökotypen C. deserticola.Die metabolischen Funktionsprofile (Abb. 6 und Datei S1) von Bodenmikrobiomen von C. deserticola in den drei Ökotypen wurden in dieser Studie erstmals nachgewiesen. Stoffwechselseitig sind Kohlenhydratstoffwechsel (Stärke- und Saccharosestoffwechsel, ko00500; Aminozucker- und Nukleotidzuckerstoffwechsel, ko00520) und Aminosäurestoffwechsel (Arginin- und Prolinstoffwechsel, ko00330; Glycin-, Serin- und Threoninstoffwechsel, ko00260) stark angereichert Mikrobiome. Der Kohlenhydratstoffwechsel ist für die Bildung, den Abbau und die Umwandlung von Kohlenhydraten im Körper verantwortlich. Kohlenhydrate sind die Grundlage vieler wichtiger Stoffwechselwege39. Kohlenhydrate wie Glukose sind Teil mehrerer Stoffwechselwege über Arten hinweg. Kohlenhydrate werden von Pflanzen aus der Atmosphäre durch Photosynthese synthetisiert und können als Substrate für die Zellatmung verwendet werden40. Pflanzen und Mikroorganismen absorbieren Ammoniak, Ammoniumsalz, Nitrit, Nitrat und anderen anorganischen Stickstoff aus der Umgebung, um Proteine ​​und stickstoffhaltige Substanzen zu synthetisieren. Einige Mikroben können N2 aus der Luft in Ammoniakstickstoff umwandeln, um Aminosäuren zu synthetisieren41. Die Stoffwechselfunktion von Bodenmikrobiomen wurde im Primärstoffwechsel angereichert. Diese Anreicherung deutet darauf hin, dass die Mikrobiome Pflanzen mit Nährstoffen versorgen und ihr Wachstum bei Trockenheit und anderen Belastungen fördern können.

Metabolische Funktionsprofile zeigten auch, dass bei der Umweltinformationsverarbeitung Membrantransport (ABC-Transporter, ko02010) und Signaltransduktion (Zweikomponentensystem, ko02020) in Mikrobiomen stark angereichert sind. Der Membrantransport ist eine Sammlung von Mechanismen, die den Durchgang von gelösten Stoffen wie Ionen und kleinen Molekülen durch einen Biofilm regulieren, der eine Doppelschicht aus Lipiden ist, die in Proteine ​​​​eingebettet sind. Die Regulation von sich kreuzenden Membranen wird auf die Permeabilität selektiver Membranen zurückgeführt, eine Eigenschaft von Biofilmen, die die Trennung von Stoffen mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften ermöglicht. Mit anderen Worten, diese Membranen könnten für einige Substanzen durchlässig sein, für andere jedoch nicht42. Unter diesen Membranen war der ABC-Transporterweg in Bodenmikrobiomen stark angereichert. ATP-Bindungsbox (ABC)-Transporter sind universell in Mikroorganismen wie Bakterien vorhanden und sind eine der größten Proteinfamilien, die heute bekannt sind. Diese Transporter binden ATP-Hydrolyse, um am aktiven Transport vielfältiger Substrate wie Ionen, Peptide, Lipide, Medikamente, Zucker, Proteine ​​und Sterole teilzunehmen. Die Struktur von ABC-Transportern in Prokaryoten besteht normalerweise aus drei Teilen. Im Allgemeinen haben zwei intakte Membranproteine ​​jeweils sechs Transmembranfragmente: zwei periphere Proteine, die ATP binden und hydrolysieren, und ein peripheres (oder Lipoprotein) Substrat eines Bindungsproteins. Wie in den Genomen vieler Bakterien und Archaeen beobachtet, bilden viele Gene dieser drei Komponenten Operons43. Trockenheit, Salzgehalt und Alkalistress förderten die Membrantransportfunktion, insbesondere die Verbesserung der aktiven Transportfunktion von Bodenmikrobiomen.

Die Signaltransduktion ist ein Prozess, bei dem ein chemisches oder physikalisches Signal als eine Reihe molekularer Ereignisse durch eine Zelle übertragen wird. Die häufigste ist die Proteinkinase-katalysierte Proteinphosphorylierung. Das Zwei-Komponenten-System ist ein Signalweg, der viele bakterielle Eigenschaften wie Toxizität, Pathogenität, Symbiose, Beweglichkeit, Nährstoffaufnahme, Produktion von Sekundärmetaboliten, Stoffwechselregulation und Zellteilung reguliert. Diese Systeme regulieren physiologische Prozesse basierend auf Umwelt- oder Zellparametern und ermöglichen ihnen so, sich an veränderte Bedingungen anzupassen44. Die Signaltransduktion von Bodenmikrobiomen wurde durch Trockenheit oder Salz-Alkali-Stress gefördert.

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Fazit

Diese Studie ist die erste, die die Bodenmikrobiome der drei Ökotypen von C. deserticola präsentiert. Es werden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen: (1) Die Bodenmikrobengemeinschaft im Grasland ist unter den drei Lebensräumen am reichlichsten vorhanden. (2) Die Biomarker der drei Ökotypen wurden ebenfalls bestimmt: Oceanospirillales (salzig-alkalisches Land), Sphingomonadales (Grasland) und Propionibacteriales (Sandland). (3) Die Analyse des Kernmikrobioms zeigte, dass die mikrobiellen Gemeinschaften von C. deserticola im Boden hauptsächlich eine Trockenheit, Salztoleranz, Alkaliresistenz und Stressresistenz aufwiesen, wie Micrococcales und Bacillales. (4) Die Korrelationsanalyse zeigte, dass 2′-Acetylacteosid positiv mit Oceanospirillales und Echinacosid signifikant positiv mit Sphingomonadales korreliert ist. (5) Tax4Fun prognostiziert, dass die metabolischen Funktionsprofile von drei Ökotypen des Bodenmikrobioms im Stoffwechsel und in der Umweltinformationsverarbeitung angereichert werden.


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