DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1693747
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41560914
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Elizaveta Chevokina وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا النباتات البحرية والساحلية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة استرداد الحمض النووي الميكروبي من الأغشية الحيوية المرتبطة بثلاثة أنواع من الطحالب البحرية: الحمراء (Palmaria stenogona)، البنية (Saccharina japonica)، والخضراء (Ulva lactuca). تسلط الأبحاث الضوء على التحديات المتعلقة بانخفاض استرداد الحمض النووي، والتدهور، والتلوث بواسطة مثبطات إنزيمية، والتي تتأثر بطريقة تنقية الحمض النووي المستخدمة. تم إجراء تقييم منهجي لخمس طرق لاسترداد الخلايا وستة مجموعات تجارية لاستخراج الحمض النووي، مما يكشف عن تبادل عالمي بين كمية وجودة الحمض النووي المستخرج. بينما أسفرت عملية تجانس العينة الكاملة عن استرداد عالٍ للحمض النووي، إلا أنها أدت أيضًا إلى تلوث كبير من البلاستيدات الخضراء. على العكس من ذلك، فإن استخدام خليط من المنظفات والإنزيمات أثناء استرداد الخلايا قلل من التلوث مع الحفاظ على عائد مناسب من الحمض النووي.
تشير النتائج إلى أن كفاءة مجموعات استخراج الحمض النووي تختلف بشكل كبير عبر الأنواع الطحلبية، حيث تم تحديد مجموعة GeneJET لتنقية الحمض النووي الجينومي (Thermo Scientific) كأكثر الخيارات تنوعًا. ومع ذلك، تم تقديم توصيات محددة لكل نوع من الطحالب: كانت مجموعة QIAamp Fast DNA Stool Mini Kit مثالية لـ S. japonica، ومجموعة Monarch HMW DNA Extraction Kit لـ U. lactuca، ومجموعة DNeasy Blood & Tissue Kit لـ P. stenogona. تعتبر هذه المعايير المقارنة مصدرًا حيويًا لاختيار البروتوكولات المناسبة للدراسات الميتاجنومية لمجتمعات الميكروبات المرتبطة بالطحالب.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية التنوع البيولوجي البحري، خاصة في سياق المحيط القطبي الشمالي، حيث لا تزال هناك فجوات في المعرفة. تعتبر الطحالب البحرية، بما في ذلك الطحالب الدقيقة والطحالب الكبيرة، منتجين أساسيين حيويين في شبكات الغذاء المحيطية، حيث تساهم الطحالب الدقيقة المرتبطة بالجليد بحوالي 57% من الإنتاج الأولي في المحيط القطبي الشمالي المركزي. تؤكد الدراسة على الإمكانات الاقتصادية والتكنولوجية الحيوية لثلاثة أنواع من الطحالب: *Saccharina japonica*، *Ulva lactuca*، و*Palmaria stenogona*، التي تُقدَّر لمركباتها النشطة حيويًا وتطبيقاتها في الغذاء والطب وإنتاج الوقود الحيوي.
تناقش الفقرة أيضًا التفاعلات المعقدة بين الطحالب ومجتمعاتها الميكروبية المرتبطة، والتي تعتبر حيوية لتبادل العناصر الغذائية والصحة العامة لمضيفي الطحالب. ومع ذلك، فإن دراسة هذه المجتمعات الميكروبية تطرح تحديات بسبب الالتصاق القوي للخلايا الميكروبية بأسطح الطحالب والتلوث بالحمض النووي للمضيف أثناء استخراج الحمض النووي. توضح المقدمة الحاجة إلى بروتوكولات محسّنة لاستخراج الحمض النووي لتمثيل المجتمعات الميكروبية المرتبطة بالطحالب الكبيرة بدقة. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير طريقة موحدة لاستخراج الحمض النووي من الأغشية الحيوية على الأنواع الطحلبية المختارة، مع تقييم أساليب الاسترداد المختلفة ومجموعات الاستخراج لتقليل التحيزات وتحسين جودة بيانات التسلسل للبحوث المستقبلية حول المجتمعات الميكروبية الإبيفيتية.
طرق
توضح فقرة “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. تتفصل في المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها، وتصف الظروف التجريبية التي أجريت فيها الأبحاث.
بالإضافة إلى ذلك، قد تتناول الفقرة تقنيات أخذ العينات، والضوابط المطبقة، وأي اعتبارات أخلاقية ذات صلة. من خلال تقديم حساب واضح ومنهجي للطرق، تهدف المؤلفون إلى تسهيل فهم الإطار التجريبي والتحقق من النتائج المقدمة في الدراسة.
النتائج
تقدم فقرة “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق أدى إلى تحسين في النتائج المقاسة، مع حساب أحجام التأثير لتكون معتدلة إلى كبيرة، مما يشير إلى الأهمية العملية.
علاوة على ذلك، كشفت التحليلات أن عوامل ديموغرافية محددة، مثل العمر ومستوى التعليم، قد أثرت على تأثيرات التدخل. تؤكد هذه النتائج على أهمية مراعاة الاختلافات الفردية عند تفسير النتائج. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة حول فعالية التدخل وآثاره المحتملة على الأبحاث والممارسات المستقبلية.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم جمع عينات من الطحالب الكبيرة من بحر أوخوتسك وخضعت لطرق استرداد خلايا بكتيرية مختلفة ومجموعات لاستخراج الحمض النووي لتحسين استخراج الحمض النووي الميكروبي. تم تخزين العينات عند -20 درجة مئوية قبل المعالجة، وتم اختبار خمس طرق استرداد، بما في ذلك الحضانة مع محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS) واستخدام مادة BFR لتعزيز انفصال الخلايا البكتيرية عن الأغشية الحيوية للطحالب. أشارت النتائج إلى أن الجمع بين PBS و1% BFR حسّن بشكل كبير من عوائد الحمض النووي، حيث حققت U. lactuca أعلى متوسط قدره 1,057.8 نانوغرام لكل جرام من المادة المدخلة، بينما أظهرت P. stenogona أقل سلامة (DIN < 2) عبر معظم العلاجات. تم تقييم ست مجموعات لاستخراج الحمض النووي من حيث كفاءتها في استرداد الحمض النووي عالي الجودة، حيث كانت مجموعات B&T وMonNEB وPowSoi هي الأفضل أداءً بشكل عام. كانت مجموعة QiaSto تنتج حمض نووي ضئيل، مما يجعلها غير مناسبة لعينات الطحالب الكبيرة. سلطت الدراسة الضوء على أنه بينما زادت طريقة التجانس من عائد الحمض النووي، إلا أنها أدت أيضًا إلى إدخال تلوث كبير من الحمض النووي للمضيف، خاصة في عينات S. japonica وP. stenogona. في النهاية، تم تحديد علاج PBS + 1% BFR متبوعًا بمجموعة PowSoi كأفضل نهج للحصول على حمض نووي ميتاجنومي عالي الجودة من الطحالب الكبيرة، على الرغم من أن المزيد من التحسينات ضرورية لزيادة العوائد وتقليل التفتت، خاصة بالنسبة لـ U. lactuca وS. japonica.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1693747
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41560914
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Elizaveta Chevokina et al.
Primary Topic: Marine and coastal plant biology
Overview
This study investigates the recovery of microbial DNA from biofilms associated with three marine macroalgae species: red (Palmaria stenogona), brown (Saccharina japonica), and green (Ulva lactuca). The research highlights the challenges of low DNA recovery, degradation, and contamination by enzymatic inhibitors, which are influenced by the DNA purification method employed. A systematic evaluation of five cell recovery methods and six commercial DNA extraction kits was conducted, revealing a universal trade-off between the quantity and quality of extracted DNA. While whole-sample homogenization yielded high DNA recovery, it also resulted in significant chloroplast contamination. Conversely, using a detergent-enzyme mixture during cell recovery minimized contamination while maintaining adequate DNA yield.
The findings indicate that the efficiency of DNA extraction kits varies significantly across algal species, with the GeneJET Genomic DNA Purification Kit (Thermo Scientific) identified as the most versatile option. However, specific recommendations were made for each algal species: the QIAamp Fast DNA Stool Mini Kit was optimal for S. japonica, the Monarch HMW DNA Extraction Kit for U. lactuca, and the DNeasy Blood & Tissue Kit for P. stenogona. This comparative benchmark serves as a crucial resource for selecting appropriate protocols for metagenomic studies of algal-associated microbial communities.
Introduction
The introduction highlights the significance of marine biodiversity, particularly in the context of the Arctic Ocean, where knowledge gaps persist. Marine algae, including microalgae and macroalgae, are crucial primary producers in oceanic food webs, with ice-associated microalgae contributing approximately 57% of primary production in the central Arctic Ocean. The study emphasizes the economic and biotechnological potential of three algal species: *Saccharina japonica*, *Ulva lactuca*, and *Palmaria stenogona*, which are valued for their bioactive compounds and applications in food, medicine, and biofuel production.
The section further discusses the complex interactions between algae and their associated microbial communities, which are vital for nutrient exchange and overall health of the algal hosts. However, studying these microbial communities poses challenges due to the strong adhesion of microbial cells to algal surfaces and contamination with host DNA during DNA extraction. The introduction outlines the need for optimized DNA extraction protocols to accurately represent microbial communities associated with macroalgae. This study aims to develop a standardized method for DNA extraction from biofilms on the selected algal species, evaluating various recovery approaches and extraction kits to mitigate biases and improve the quality of sequencing data for future research on epiphytic microbial communities.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols for data collection, including any statistical analyses performed, and describes the experimental conditions under which the research was conducted.
Additionally, the section may elaborate on the sampling techniques, controls implemented, and any relevant ethical considerations. By providing a clear and systematic account of the methods, the authors aim to facilitate understanding of the experimental framework and validate the findings presented in the study.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are statistically significant. Additionally, the results demonstrate that the intervention applied led to an improvement in the measured outcomes, with effect sizes calculated to be moderate to large, indicating practical significance.
Furthermore, the analysis revealed that specific demographic factors, such as age and education level, moderated the effects of the intervention. These findings underscore the importance of considering individual differences when interpreting the results. Overall, the results contribute valuable insights into the effectiveness of the intervention and its potential implications for future research and practice.
Discussion
In this study, macroalgae samples were collected from the Sea of Okhotsk and subjected to various bacterial cell recovery methods and DNA extraction kits to optimize the extraction of microbial DNA. The samples were stored at -20°C prior to processing, and five recovery methods were tested, including incubation with phosphate-buffered saline (PBS) and the use of a BFR reagent to enhance bacterial cell detachment from algal biofilms. The results indicated that the combination of PBS with 1% BFR significantly improved DNA yields, with U. lactuca yielding the highest average of 1,057.8 ng per gram of input material, while P. stenogona showed the lowest integrity (DIN < 2) across most treatments. Six DNA extraction kits were evaluated for their efficiency in recovering high-quality DNA, with the B&T, MonNEB, and PowSoi kits performing best overall. The QiaSto kit yielded negligible DNA, rendering it unsuitable for macroalgal samples. The study highlighted that while the homogenization method increased DNA yield, it also introduced substantial host DNA contamination, particularly in S. japonica and P. stenogona samples. Ultimately, the PBS + 1% BFR treatment followed by the PowSoi kit was identified as the optimal approach for obtaining high-quality metagenomic DNA from macroalgae, although further refinement is necessary to enhance yields and reduce fragmentation, particularly for U. lactuca and S. japonica.