مطالعه تنوع ميكروبيوم چسبيده به ذرات كاه برنج در شكمبه گوسفند: آناليز مقايسه اي بين دو روش تعيين توالي 16S rDNA و كل متاژنوم

Study of rice straw-adherent sheep rumen microbiome diversity: a comparative 16S rDNA and whole metagenome analysis

شكمبه را به عنوان يكي از ظريف ترين و پيشرفته ترين سيستم هاي هضم سلولزي در طبيعت توصيف كرده اند. ميكروبيوم موجود در شكمبه با اتصال و كلونيزه شدن روي مواد غذايي و ترشح آنزيم هاي تجزيه كننده فيبر، تركيبات ليگنوسلولزي را تجزيه و به تركيبات قابل استفاده براي حيوان ميزبان تبديل مي كنند. هدف از اين تحقيق شناسايي و درك ارتباط بين مهم ترين باكتري هايي است كه طي انكوباسيون كاه برنج در شكمبه آن را كلونيزه مي كنند. هم چنين در اين مطالعه اثر استفاده از دو نوع داده متفاوت حاصل از تعيين توالي مبتني بر آمپليكون (ناحيه V3-V4 ژن 16S rRNA) و مبتني بر كل متاژنوم بر روي آناليز اجتماعات ميكروبي چسبيده به كاه برنج با يكديگر مقايسه شدند. در اين مطالعه از سه راس گوسفند نژاد شال فيستوله شده براي انكوبه كردن كاه برنج در دوره هاي زماني 24، 48، 72 و 96 ساعت استفاده شد. پس از جداسازي باكتري ها و استخراج DNA، از دو روش Illumina Miseq 300PE و Hiseq4000, 100bp PE به ترتيب براي تعيين توالي ناحيه V3-V4 ژن 16S rRNA و كل متاژنوم استفاده شد. پروفايل تاكسونوميكي و آناليز تنوع و غناي ميكروبي براي هر دو مجموعه داده، تهيه و با يكديگر مقايسه شد. نتايج نشان داد كه يك اثر هم افزايي و همپوشاني بين اعضاي فيلوم هاي شناسايي شده وجود دارد و با در نظر گرفتن فراواني نسبي به نظر مي رسد كه اعضاي فيلوم هاي Firmicutes، Fibrobacter و Spirochaetes نقش حياتي در اين زمينه ايفا مي كنند. يك همبستگي ضعيف بين دو روش تعيين توالي مورد استفاده مشاهده شد. شاخص ترين وجه تمايز بين دو روش تعيين توالي، شناسايي باكتري ها در سطح گونه بود كه روش Hiseq به لحاظ پوشش ژنومي و نوع الگوريتم تشخيصي قدرتمندتر ظاهر شد. هم چنين مشاهده شد كه نوع نرم افزارهاي انتخابي براي طبقه بندي تاكسونوميكي مي تواند نقش حياتي و حتي قدرت تفكيك بيش تري نسبت به نوع تكنولوژي انتخابي براي تعيين توالي كل متاژنوم و هم چنين نوع ناحيه انتخاب شده براي تكثير و توالي يابي ژن هدف داشته باشد.

The rumen is described as one of the most elegant and advanced cellulosic digestion systems in nature. The ruminal microbiome, by attaching and formatting microcolonies on feed particles and releasing the fiber degrading enzymes, decompose lignocellulose compounds and convert them into compounds that are usable for the host animal. The purpose of the present study was identifying and understanding the relationship between the most important bacteria that colonize rice straw during ruminal incubation and also comparing the amplicon and shotgun data generated on incubated rice straw during 24, 48, 72 and 96hrs in three fistulated animals. After bacterial isolation and DNA extraction processes, two sequencing strategies of Illumina Miseq 300PE and Hiseq4000, 100PE were used to sequence the V3-V4 region of 16S ribosomal RNA and the total metagenome. Taxonomic profiling, microbial diversity and species richness were separately prepared for each dataset and comparative analysis was performed. The results indicated that there are synergistic and/or overlapping effects among the members of the identified phyla, and with considering the frequency, it seems that the members of the Firmicutes, Fibrobacters, and Spirochaetes play a critical role in the colonisation process. Our study showed a weak correlation between the two methods, indicating that while taxonomic overlap exists in the phylum and family levels, the methods are different. The most highlighted difference between the two sequencing methods was species-level identification, which the Hiseq method appeared much more robust in terms of genomic coverage and taxonomic profiling algorithm. It was also observed that the selective software for taxonomic profiling could play a vital role and even more differentiation power than the technology utilized for whole metagenome and gene-targeted sequencing.