A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
يتم تقديم إجراء سريع وموحد لإنشاء مجتمعات الأغشية الحيوية متعددة الأنواع التآزرية من مختلف أنواع تربة الجذور هنا. إنه بروتوكول فريد مصمم لسبر ومحاكاة ميكروبيوتا التربة الجذرية المعقدة.
الأغشية الحيوية متعددة الأنواع هي نمط حياة طبيعي ومهيمن للبكتيريا في الطبيعة ، بما في ذلك في تربة الجذور ، على الرغم من أن الفهم الحالي لها محدود. هنا ، نقدم نهجا لإنشاء مجتمعات بيوفيلم تآزرية متعددة الأنواع بسرعة. الخطوة الأولى هي استخراج الخلايا من تربة الجذور باستخدام طريقة الطرد المركزي التفاضلي. بعد ذلك ، يتم تلقيح خلايا التربة هذه في وسط الاستزراع لتشكيل غشاء حيوي حبيبي. بعد 36 ساعة من الحضانة ، يتم تحديد التركيب البكتيري للغشاء الحيوي والمحلول الموجود تحته باستخدام طريقة تسلسل amplicon الجيني 16S rRNA. وفي الوقت نفسه ، يتم إجراء عزل بكتيري عالي الإنتاجية من الغشاء الحيوي للحبيبات باستخدام طريقة التخفيف الحد. بعد ذلك ، يتم اختيار أفضل 5 أصناف بكتيرية بأعلى وفرة في بيانات تسلسل amplicon الجيني 16S rRNA (عينات الأغشية الحيوية الحبيبية) لاستخدامها مرة أخرى في بناء مجتمعات الأغشية الحيوية متعددة الأنواع. تم إنشاء جميع مجموعات الأصناف البكتيرية ال 5 بسرعة باستخدام صفيحة من 24 بئرا ، تم اختيارها لأقوى قدرة على تكوين الأغشية الحيوية بواسطة مقايسة تلطيخ البنفسج البلوري ، وتم تحديدها كميا بواسطة qPCR. وأخيرا، تم الحصول على أقوى تجمعات الأغشية الحيوية البكتيرية متعددة الأنواع الاصطناعية من خلال الطرق المذكورة أعلاه. توفر هذه المنهجية إرشادات إعلامية لإجراء البحوث حول الأغشية الحيوية متعددة الأنواع في الجذور وتحديد المجتمعات التمثيلية لدراسة المبادئ التي تحكم التفاعلات بين هذه الأنواع.
تمثل الأغشية الحيوية مجتمعات ميكروبية معقدة إما مثبتة على الأسطح أو مرتبطة بواجهات بينية. هناك اعتراف واسع النطاق بأن غالبية البكتيريا التي تصادف في بيئات مختلفة ، مثل الموائل الطبيعية والبيئات السريرية والسياقات الصناعية ، تدوم داخل مجتمعات الأغشية الحيوية1. في التربة ، يشكل الريزوسفير - الذي يشمل سطح الجذر والمنطقة المجاورة له التي يبلغ سمكها 2 مم - مكانة بيئية مع توافر المغذيات المتزايدة. طورت بكتيريا معينة استراتيجيات لاستغلال هذا المكان المناسب ، وتعزيز انتشار الميكروبات وتعزيز تكوين مجتمعات الأغشية الحيوية في الجذور2.
تعتبر ميكروبات الجذور "الجينوم الثاني" للنباتات3. تشارك الكائنات الحية الدقيقة المعززة لنمو النبات (PGPM) في التعايش المتبادل مع النباتات ، مما يوفر وظائف كبيرة لتعزيز النمو والمكافحة الحيوية4. من ناحية ، يمكن ل PGPM توفير العناصر الغذائية لجذور النباتات ، وتعزيز امتصاص المغذيات ، والدفاع ضد مسببات الأمراض ، وتحلل الملوثات في تربة الجذور5. من ناحية أخرى ، يستخدم PGPM إفرازات جذور النبات كمصدر غذائي للنمو والتطور ، وبالتالي التأثير على تربة الجذور ونظام الجذر من خلال عملية التمثيل الغذائي الخاصة بهم. تجدر الإشارة إلى أن الشرط الأساسي لجميع هذه الوظائف هو الاستعمار الفعال ل PGPM في جذور النبات ، وتشكيل الأغشية الحيويةالمستقرة 6.
يؤثر الأغشية الحيوية للجذمور على عملية تجميع ميكروبات الريزوسفير ، وترتبط الخصائص الزمنية والمكانية لتجميع ميكروب الجذور ارتباطا وثيقا بتفاعل الأغشية الحيويةمتعددة الأنواع 7. إنه بمثابة محور لتفاعلات الميكروبيوم النباتي ، مما يوفر مكانا مستقرا ويمكن التحكم فيه للتفاعل بفعالية. لذلك ، تعد دراسة الأغشية الحيوية للجذور اتجاها مهما لاكتساب نظرة ثاقبة للتفاعل بين النباتات والميكروبات.
ومع ذلك ، لا يوجد حاليا سوى القليل من الأبحاث حول الأغشية الحيوية متعددة الأنواع في الجذور. التعقيد العالي لتكوين الميكروبيوم يجعل من الصعب الإجابة على الأسئلة البيئية الأساسية المحيطة بالمجتمعات الميكروبية الطبيعية8. في عملية التجارب ، يجب مراعاة العديد من الظروف ، مثل نوع التربة ونوع النبات والعدد الكبير من المجتمعات الميكروبية. هناك عوامل مختلفة تحد من البحث في الأغشية الحيوية متعددة الأنواع في الجذور.
لمزيد من التحقيق في مجتمعات الأغشية الحيوية متعددة الأنواع من تربة الجذور ، مثل التفاعلات التآزرية بين الأنواع أو التغذية المتقاطعة للمستقلب8 ، من المستحسن بناء مجتمع ميكروبي اصطناعي مبسط وتمثيلي ومستقر وقابل للتتبع في ظل ظروف المختبر 9,10. هنا ، يجمع بروتوكول موحد بين العديد من أحدث التقنيات الميكروبيولوجية والمعلوماتية الحيوية.
ينطبق هذا البروتوكول بشكل عام على ميكروبيوتا التربة الجذرية من النباتات المختلفة. هنا ، يتم استخدام الخيار كمثال. تفاصيل الكواشف والمعدات المستخدمة للدراسة مدرجة في جدول المواد.
1. العزلة البكتيرية
2. تسلسل وتحديد ميكروبيوتا الأغشية الحيوية للجذمور
3. بناء المجتمعات الميكروبية الاصطناعية
4. تحديد عدد خلايا الكريات
ملاحظة: لتحديد نسبة كل نوع وعدد الخلايا في الحبيبات والمحلول المتبقي ، من الضروري إجراء تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي. لمزيد من التفاصيل ، راجع Sun et al.16.
باتباع الإجراء المذكور ، لوحظت تدرجات كبيرة في قدرة تكوين الأغشية الحيوية من ميكروبيوتا التربة في جذور الخيار (الشكل 1). أكد تسلسل amplicon الأغشية الحيوية الأنواع الموجودة في الحبيبات (الشكل 2). استنادا إلى رسم الخرائط الحرارية لبيانات التسلسل ، تم اختيار الأن?...
وفقا للبروتوكول ، يتم بناء سلسلة من مجتمعات الأغشية الحيوية الاصطناعية القوية متعددة الأنواع على أساس الكائنات الحية الدقيقة في تربة الجذور من نباتات مختلفة. باستخدام تقنيات تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي ، يتم فك تشفير تكوين كل مجتمع بوضوح. تشير الكتلة الحيوية للأغشية الحيوية إلى قو?...
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للكشف عنه.
تم دعم هذا العمل ماليا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (42307173 و 42107328) والبرنامج الوطني للبحث والتطوير الرئيسي (2022YFD1500202 و 2022YFF1001800). صمم P.W، Z.X الدراسة. قام كل من P.W و B.X و Z.C و JX و NZ بتحليل البيانات وإنشاء الأرقام. كتب P.W المسودة الأولى للمخطوطة. قام كل من Z.X. و R.Z. و Q.S. بمراجعة المخطوطة.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.2 % Na4P2O7 solution | Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd. | 20041418 | Used to dilute the soil suspension. |
100 μm Nylon Cell Filter | Sangon Biotech (Shanghai) Co.,Ltd. | F613463-0001 | Used to filter culture solution and separate pellicle biofilm. |
2% NaClO solution | Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd. | L03336903 | Used to sterilize the seeds. |
24-well Plate | Merck & Co., Inc. | PSRP010 | Used for micobial cultivation and pellicle biofilm separation. |
3-(N-morpholino) propane sulfonic acid (MOPS) | Bioolook Scientific Research Special | 2360010 | Used to prepare MSgg media. |
50 mL Centrifuge Tube | Beijing Su-bio Biotech Co., Ltd. | 62.547.254 | Properly-sized centrifuge tubes for our protocol. |
75% C2H5OH solution | Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd. | 801769680 | Used to sterilize the seeds. |
Acinetobacter baumannii XL-1 | Nanjing Agricultural University | N/A | Strains isolated from rhizosphere soil. |
Bacillus velezensis SQR9 | Nanjing Agricultural University | N/A | Strains isolated from rhizosphere soil. |
Bacteria DNA Kit | Nanjing Dinsi Biotechnology Co.,Ltd. | D3350020000K04U021 | Used to extract bacterial DNA. |
Black Soil I | Nanjing Agricultural University | N/A | Black soil from Jilin Province. |
Black Soil II | Nanjing Agricultural University | N/A | Black soil from Heilongjiang Province. |
Burkholderia cenocepacia XL-2 | Nanjing Agricultural University | N/A | Strains isolated from rhizosphere soil. |
CaCl2 | Xilong Scientific Co.,Ltd. | 10035048 | Used to prepare MSgg media. |
Centrifuge | Sangon Biotech (Shanghai) Co.,Ltd. | G508009-0001 | High-speed centrifuge. |
ChamQ SYBR qPCR Master Mix | Vazyme Biotech Co.,Ltd. | Q311-02 | Used for DNA amplification in qPCR. |
Clean Bench | Suzhou Antai Airtech Co., Ltd. | NB026143 | Used for aseptic operation. |
Constant Temperature Incubator | ShangHai CIMO Medical Instrument Co.,Ltd | GNP-9080BS-![]() | Used for microbial cultivation. |
Cristal Violet Dye | Sangon Biotech (Shanghai) Co.,Ltd. | A600331 | Used for pellicle biofilm staining and quantifivation. |
Cucumber Seed | Nanjing Agricultural University | N/A | "Jinchun I" cucumber seed. |
Culturome v 1.0 | The Institute of Genetics and Developmental Biology of the Chinese Academy of Sciences | N/A | Used for high-throughput rhizosphere soil bacterial cultivation and identification |
FeCl3 | Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd | 10011918 | Used to prepare MSgg media. |
Fridge | Hefei Midea Refrigerator Co.,Ltd. | BCD-556WKPM(Q) | Used for strain preservation. |
Glutamate | Bioolook Scientific Research Special | 2180020 | Used to prepare MSgg media. |
Glycerol | Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd | 10010618 | Used to prepare MSgg media. |
Hydroponic Planting Basket | Yulv Furniture Store | 6526262626 | Used for cucumber hydroponics. |
KH2PO4 | Xilong Scientific Co.,Ltd. | 10017618 | Used to prepare MSgg media. |
MgCl2 | Xilong Scientific Co.,Ltd. | 7791186 | Used to prepare MSgg media. |
MnCl2 | Xilong Scientific Co.,Ltd. | 10400101 | Used to prepare MSgg media. |
Msgg Medium | Shanghai Bioesn Biotechnology Co.,Ltd. | BES20791KB | Pellicle biofilm culture medium. |
Na2HPO4·7H2O | Merck & Co., Inc. | S9390-100G | Used to prepare TSB media. |
NaCI | Chinasun Specialty Products co., Ltd. | HS0416 | Used to prepare TSB media. |
NaH2PO4·H2O | Merck & Co., Inc. | S9638-25G | Used to prepare TSB media. |
PBS-S Buffer | Sangon Biotech (Shanghai) Co.,Ltd. | E607008-0001 | Basic buffer for living tissues. |
Phenylalanine | RYON | RT3486L005 | Used to prepare MSgg media. |
Pipette | Beijing Labgic Technology Co.,Ltd. | BS-1000-T | Used for strain inoculation. |
PMD19T Plasmid | Takara Biomedical Technology (Beijing) Co.,Ltd. | D102A | Used to generate qPCR standard curves. |
Pot | Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd. | YHHWS2401 | Used for cucumber soil culture. |
Primer for qPCR | Sangon Biotech (Shanghai) Co.,Ltd. | N/A | Used for DNA amplification in qPCR. |
Real-Time PCR Instrument | Thermo Fisher Scientific (China) Co.,Ltd. | 4484073 | Used to perform qPCR on selected pellicle biofilm. |
Roary | The Wellcome Trust SangerInstitute | N/A | Used to design primers of qPCR |
Shaker | Shanghai Zhichu Instrument Co.,Ltd | ZQTY-50S | Used for solution mixing and microbial cultivation. |
Silwet L-77 | Cytiva Bio-technology(Hangzhou) Co., Ltd. | SL77080596 | Used to prepare TSB media. |
Soy peptone | Qingdao Hi-tech Industrial Park Hope Bio-technology Co., Ltd | HB8275 | Used to prepare TSB media. |
Spectrophotometer | Shanghai Yidian Analysis Instrument Co.,Ltd. | 76713100010 | Used for pellicle biofilm cristal violet quantifivation. |
Sterile Water | Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd. | SW150302 | Used to wash the pellicle biofilm. |
Sterilized Nitrile Gloves | Beijing Labgic Technology Co.,Ltd. | 223016852LLZA | Used for basic experimental operations. |
Template DNA | Sangon Biotech (Shanghai) Co.,Ltd. | N/A | Used for DNA amplification in qPCR. |
Thiamine | Bioolook Scientific Research Special | 2180020 | Used to prepare MSgg media. |
Tryptone | Thermo Fisher Scientific | LP0042B | Used to prepare TSB media. |
Tryptophan | Bioolook Scientific Research Special | 2190020 | Used to prepare MSgg media. |
TSB Medium | Guangdong Huankai Microbial Sci. & Tech. Co.,Ltd. | 024048 | Broad-spectrum bacterial medium. |
TSB-Msgg Meidium | Nanjing Agricultural University | N/A | Mixed medium for pellicle biofilm culture with wider applicability. |
ZnCl2 | Nanjing Chemical Reagent Co.,Ltd | C0310520123 | Used to prepare MSgg media. |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved