DOI: https://doi.org/10.1186/s40168-023-01715-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38167330
تاريخ النشر: 2024-01-02
المؤلف: Ming Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة الأمراض في تربية الأحياء المائية والميكروبيوتا
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الميكروبيوم المعوي لسمك العشب، مشددة على أهميته في تربية الأحياء المائية والحاجة الملحة للبدائل للمضادات الحيوية في علف الأسماك. من خلال تسلسل الميتاجينوم، حددت الدراسة 575,856 جين غير متكرر، كاشفة عن تركيبة ميكروبيوم معوي مميزة في سمك العشب مقارنة بالثدييات. صنفت تحليل التواجد المشترك الميكروبات إلى مجموعتين وظيفيتين: المجموعة الوظيفية 1 (Proteobacteria) والمجموعة الوظيفية 2 (Fusobacteria وFirmicutes وBacteroidetes). أظهرت هذه المجموعات ارتباطات متضادة مع التعبير الجيني في أمعاء الأسماك وكبدها، مما يدل على وظائف مختلفة، خاصة في استخدام الكربوهيدرات، وعوامل الضراوة، ومقاومة المضادات الحيوية.
تشير النتائج إلى أن نسبة “المجموعة الوظيفية 2/المجموعة الوظيفية 1” تعمل كعلامة حيوية محتملة لتقييم الخصائص الهيكلية والوظيفية لميكروبيوم أمعاء سمك العشب. لا توسع هذه الدراسة فقط من فهم الميكروبيوم المعوي في سمك العشب ولكنها أيضًا تؤكد على الحاجة إلى مزيد من الدراسات حول البكتيريا المعوية المتعايشة في الأسماك، والتي تم استكشافها أقل من الثدييات. قد تُفيد الرؤى المكتسبة في استراتيجيات تنظيم الميكروبات، مما يسهم في تطوير ممارسات تربية أحياء مائية مستدامة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم لاستهلاك الأسماك في تناول البروتين العالمي، حيث يمثل سدس البروتين الحيواني في العالم (منظمة الأغذية والزراعة، 2020). مع قيود مصايد الأسماك، ظهرت تربية الأحياء المائية كطريقة رئيسية لتعزيز إمدادات الأسماك. ومع ذلك، فإن التحديات مثل قيود الإنتاج والضغوط البيئية، جنبًا إلى جنب مع حظر المضادات الحيوية كمضافات علف، تستدعي استكشاف البدائل، خاصة من خلال دراسة ميكروبيومات الأسماك. تشير الأبحاث إلى أن الميكروبات المتعايشة تؤثر بشكل كبير على وظيفة المناعة والصحة في كل من البشر والأسماك، حيث تكشف الدراسات الميتاجينومية عن رؤى قيمة حول دور الميكروبيوم المعوي في استقلاب المضيف والمناعة.
على الرغم من التقدم في أبحاث الميتاجينوم للحيوانات الزراعية والدواجن، تظل الدراسات في الأنواع السمكية ذات الأهمية الاقتصادية محدودة. تهدف هذه الورقة إلى معالجة هذه الفجوة من خلال بناء كتالوج جيني ميكروبي معوي لسمك العشب (Ctenopharyngodon idella)، السمكة الرائدة في تربية الأحياء المائية العذبة في الصين. تستخدم الدراسة تسلسل الميتاجينوم لتحليل الميكروبات في سمك العشب الذي يتغذى على أنظمة غذائية آكلة للحوم، وعامة، وعشبية، مما يوضح الخصائص الهيكلية والوظيفية للميكروبيوم المعوي ويقيم تداعيات الأنواع الميكروبية الرئيسية في تفاعلات المضيف من خلال نهج متعدد الأومكس.
طرق البحث
في هذه الدراسة، صمم المؤلفون أنظمة غذائية تجريبية لسمك العشب بناءً على المتطلبات الغذائية الموضحة من قبل NRC (2011) وWang et al. (2012). تم صياغة ثلاث أنظمة غذائية متميزة: نظام غذائي عشبي (HD) يستخدم مركز بروتين الصويا والجلوتين من القمح، نظام غذائي آكل للحوم (CD) يتكون من الكازين والجيلاتين، ونظام غذائي عام (OD) يجمع بين نسب متساوية من مصادر البروتين من كل من HD وCD. بالإضافة إلى ذلك، تم تضمين السليلوز المجهري كمصدر للألياف الغذائية لنظام الغذاء العشبي، بينما كان زيت الصويا هو مصدر الدهون، مصمم لتلبية مستويات التغذية العالية من الدهون النموذجية في تربية الأحياء المائية.
شمل التصميم التجريبي اختيار سمك العشب بوزن ابتدائي يقارب 20 ± 0.28 جرام، والذي تم تكييفه لمدة ثلاثة أسابيع قبل التجربة. بعد فترة تكيف لمدة أسبوع واحد على نظام CD الغذائي، تم توزيع 108 سمكة عشوائيًا في ثلاثة خزانات وتغذيتها بأحد الأنظمة الغذائية الثلاثة (CD أو OD أو HD) ثلاث مرات يوميًا لمدة ثلاثة أسابيع. تم الحفاظ على درجة حرارة الماء باستمرار عند 26 ± 2 درجة مئوية. في نهاية الأسبوعين 1 و3، تم اختيار 18 سمكة من كل مجموعة غذائية عشوائيًا لإنشاء ستة مكررات بيولوجية، كل منها يتكون من مزيج من ثلاث سمكات. تم جمع محتويات الأمعاء والأنسجة بعد التغذية للتسلسل، حيث تم تجميد العينات بسرعة في النيتروجين السائل وتخزينها عند -80 درجة مئوية لمزيد من التحليل.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مشددًا على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. من الجدير بالذكر أن النتائج تُظهر أن التدخل المطبق يؤدي إلى تحسين قابل للقياس في النتائج المستهدفة، كما يتضح من المقاييس المستخدمة.
علاوة على ذلك، يكشف التحليل عن أنماط محددة تشير إلى آليات أساسية قد تؤثر على اتجاهات البحث المستقبلية. تدعم النتائج تمثيلات رسومية وجداول توضح الاتجاهات والتباينات الملحوظة في البيانات، مما يعزز الاستنتاجات المستخلصة من الدراسة. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مقدمة أساسًا لمزيد من الاستكشاف وتطبيق نتائج البحث.
المناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجيات المستخدمة لاستخراج الحمض النووي والحمض النووي الريبي، وتسلسل الميتاجينوم، وتحليل البيانات اللاحق للتحقيق في الميكروبات المعوية لسمك العشب. تم استخراج الحمض النووي الكلي باستخدام طريقة CTAB، وتم تقييم الجودة عبر الرحلان الكهربائي وقياس التركيز باستخدام اختبار Qubit. تم بناء مكتبات ميتاجينومية عالية الجودة وتسلسلها على منصة Illumina NovaSeq 6000، مما أسفر عن بيانات واسعة لمزيد من التحليل. تبع استخراج الحمض النووي الريبي من عينات الأمعاء والكبد بروتوكول صارم مماثل، مما أدى إلى إنشاء مجموعة بيانات كبيرة من النسخ، والتي تم بعد ذلك رسمها على جينوم مرجعي وتحليلها للبحث عن الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) وإثراء المسارات باستخدام أدوات المعلوماتية الحيوية المختلفة.
نجحت الدراسة في إنشاء كتالوج شامل للجينات الميتاجينومية، حيث حددت 575,856 جين غير متكرر بشكل رئيسي من الفصائل Proteobacteria وBacteroidetes وFirmicutes. كشف التحليل عن اختلافات كبيرة في القدرات الوظيفية بين مجموعتين بيئيتين محددتين من الميكروبات المعوية: المجموعة الوظيفية 1 (Proteobacteria) والمجموعة الوظيفية 2 (Fusobacteria وFirmicutes وBacteroidetes). من الجدير بالذكر أن المجموعة الوظيفية 1 أظهرت قدرة جينية أعلى لعوامل الضراوة ومقاومة المضادات الحيوية، بينما كانت المجموعة الوظيفية 2 غنية بالإنزيمات النشطة للكربوهيدرات (CAZy)، مما يشير إلى تباين محتمل في أدوارها داخل نظام الأمعاء للمضيف. تؤكد النتائج على تأثير التركيب الغذائي على هيكل المجتمع الميكروبي ووظائفه، مع تداعيات لفهم تفاعلات المضيف والميكروبات في تربية الأحياء المائية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40168-023-01715-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38167330
Publication Date: 2024-01-02
Author(s): Ming Li et al.
Primary Topic: Aquaculture disease management and microbiota
Overview
The research investigates the gut microbiome of grass carp, highlighting its significance in aquaculture and the urgent need for alternatives to antibiotics in fish feed. Through metagenomic sequencing, the study identified 575,856 non-redundant genes, revealing a distinct gut microbiome composition in grass carp compared to mammals. Co-occurrence analysis categorized the microbiota into two functional groups: Functional Group 1 (Proteobacteria) and Functional Group 2 (Fusobacteria, Firmicutes, and Bacteroidetes). These groups exhibited opposite associations with gene expression in the fish gut and liver, indicating differential functionalities, particularly in carbohydrate utilization, virulence factors, and antibiotic resistance.
The findings suggest that the ratio of “Functional Group 2/Functional Group 1” serves as a potential biomarker for assessing the structural and functional characteristics of the grass carp gut microbiome. This research not only extends the understanding of the gut microbiome in grass carp but also emphasizes the need for further studies on gut commensal bacteria in fish, which are less explored than in mammals. The insights gained may inform strategies for microbiota regulation, ultimately contributing to the development of sustainable aquaculture practices.
Introduction
The introduction highlights the critical role of fish consumption in global protein intake, accounting for one-sixth of the world’s animal protein (FAO, 2020). With the limitations of capture fisheries, aquaculture has emerged as a primary method to enhance fish supply. However, challenges such as production constraints and environmental stresses, alongside a ban on antibiotics as feed additives, necessitate the exploration of alternatives, particularly through the study of fish microbiomes. Research indicates that commensal microbiota significantly influences immune function and health in both humans and fish, with metagenomic studies revealing valuable insights into the gut microbiome’s role in host metabolism and immunity.
Despite advancements in metagenomic research for livestock and poultry, studies in economically significant fish species remain limited. This paper aims to address this gap by constructing a gut microbial gene catalogue for grass carp (Ctenopharyngodon idella), the leading freshwater farmed fish in China. The study employs metagenome sequencing to analyze the microbiota of grass carp fed carnivorous, omnivorous, and herbivorous diets, thereby elucidating the structural and functional characteristics of the gut microbiome and assessing the implications of key microbial taxa in host interactions through a multi-omics approach.
Methods
In this study, the authors designed experimental diets for grass carp based on the nutritional requirements outlined by the NRC (2011) and Wang et al. (2012). Three distinct diets were formulated: a herbivorous diet (HD) utilizing soy protein concentrate and wheat gluten, a carnivorous diet (CD) comprising casein and gelatin, and an omnivorous diet (OD) that combined equal proportions of the protein sources from both the HD and CD. Additionally, microcrystalline cellulose was included as a dietary fiber source for the herbivorous diet, while soybean oil served as the fat source, tailored to meet the high-fat feeding levels typical in aquaculture.
The experimental design involved selecting grass carp with an initial weight of approximately 20 ± 0.28 g, which were acclimatized for three weeks prior to the experiment. Following a one-week adaptation period on the CD diet, 108 fish were randomly distributed into three tanks and fed one of the three diets (CD, OD, or HD) three times daily for three weeks. The water temperature was consistently maintained at 26 ± 2 °C. At the end of weeks 1 and 3, 18 fish from each dietary group were randomly selected to create six biological replicates, each consisting of a mixture of three fish. Intestinal contents and tissues were collected post-feeding for shotgun sequencing, with samples rapidly frozen in liquid nitrogen and stored at -80 °C for further analysis.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention applied leads to a measurable improvement in the target outcomes, as evidenced by the metrics used.
Furthermore, the analysis reveals specific patterns that suggest underlying mechanisms at play, which may inform future research directions. The findings are supported by graphical representations and tables that illustrate the trends and variances observed in the data, reinforcing the conclusions drawn from the study. Overall, the results contribute valuable insights into the field, offering a foundation for further exploration and application of the research outcomes.
Discussion
In this section, the authors detail the methodologies employed for DNA and RNA extraction, metagenomic sequencing, and subsequent data analysis to investigate the gut microbiota of grass carp. Total DNA was extracted using the CTAB method, with quality assessed via electrophoresis and concentration measured using a Qubit assay. High-quality metagenomic libraries were constructed and sequenced on the Illumina NovaSeq 6000 platform, yielding extensive data for further analysis. RNA extraction from intestinal and liver samples followed a similar rigorous protocol, leading to the generation of a substantial transcriptome dataset, which was then mapped to a reference genome and analyzed for differentially expressed genes (DEGs) and pathway enrichment using various bioinformatics tools.
The study successfully established a comprehensive metagenomic gene catalog, identifying 575,856 non-redundant genes predominantly from the phyla Proteobacteria, Bacteroidetes, and Firmicutes. The analysis revealed significant differences in functional capacities between two identified ecological groups of gut microbiota: Functional Group 1 (Proteobacteria) and Functional Group 2 (Fusobacteria, Firmicutes, and Bacteroidetes). Notably, Functional Group 1 exhibited a higher genetic capacity for virulence factors and antibiotic resistance, while Functional Group 2 was enriched in carbohydrate-active enzymes (CAZy), indicating a potential divergence in their roles within the host’s gut ecosystem. The findings underscore the influence of dietary composition on microbial community structure and functionality, with implications for understanding host-microbe interactions in aquaculture.