A citobaktérium fajok növelik az energiaszüretet a bél mikrobiotájának modulálásával a halakban: a nem domináns fajok fontos funkciókat játszanak le

ABSZTRAKT

A hatékony energia-betakarítási mechanizmus valószínűleg kritikus az állatok számára a természetes környezetben. A magas zsírtartalmú étrenddúsított bélmikrobiota segíti a lipidfelhalmozódást, amely stratégia valószínűleg az emlősök energiatermelésére alakult ki. Az azonban továbbra sem tisztázott, hogy ez a stratégia konzervált-e a gerinces szervezetek körében. Szójaolajban gazdag táptalajon dúsított baktériumtörzset (S1) izoláltak a Nile tilapia béléből, és kimutatták, hogy a Citrobacter nemzetség tagja. Bár a magas zsírtartalmú étrend növelte a Citrobacter spp. Számát, ezek a baktériumok nem voltak bőségesek a belekben nagy áteresztőképességű szekvenálással. Az S1 baktérium hozzáadása magas zsírtartalmú étrend modulált bélmikrobiális összetételhez és fokozott zsírtartalmú étrend által kiváltott lipidfelhalmozódás a mesenterialis zsírszövetben, amit (i) fokozott triglicerid felszívódási hatékonyság és triglicerid reészterifikáció és (ii) fokozott bélpermeabilitás kísér. Eredményeink összességében bizonyítékot szolgáltatnak arra, hogy a specifikus bélbaktériumok segítik a gazdaszervezetet abban, hogy több energiát gyűjtsön a magas zsírtartalmú étrendből. Továbbá, a jelen tanulmány eredményei arra is utalnak, hogy a bélben lévő nem domináns baktériumok fontos szerepet játszhatnak a gazdaszervezet metabolizmusának szabályozásában.

FONTOSSÁG Ez a tanulmány azt mutatja, hogy a bél mikrobiota tagjainak képessége a gazdag zsírtartalmú étrendből a gazdaszervezet energiatermelésének fokozására konzervált jellemzője a gazdaszervezet-mikroba kölcsönhatásoknak a halakban, akárcsak az emlősökben. Hangsúlyozza azt is, hogy a bél mikrobiota tagjai alacsony dússág esetén is képesek jelentősen befolyásolni a gazda biológiáját.

BEVEZETÉS

Az állatok evolúciója során az energiamegtakarítási mechanizmusok létfontosságúak voltak a túlélés szempontjából, mivel a táplálékfelvétel szabálytalan volt és kevés volt (1). A felhalmozódott zsír energiatartalékként szolgálhat, és ez növeli az egyének túlélési arányát az élelmiszerhiány alatt (2). Ebből a szempontból a táplálékból több energia kinyerése adaptációs stratégia az élőlények életben maradásához (3).

Evolúciós szempontból a halak primitívebbek, mint az emlősök, de az emlősökhöz hasonlóan a halak is extra lipidet halmoznak fel, ha magas zsírtartalmú étrendet táplálnak (12), és az étrend összetevői befolyásolhatják a halak bél mikrobiotáját (13). Fontos azonban, hogy a halak egy proteobaktérium által uralt mikrobiotát hordoznak, amely különbözik az emberekben vagy egerekben domináns mikrobiótától (14). Az egyik zebrafish-alapú munka azt mutatta, hogy az étrend jelenléte gazdagíthatja a Firmicutes arányát az éhezési csoportokhoz viszonyítva, továbbá az étrenddúsított Firmicutes és termékeik növelhetik a lipidcseppek számát vagy méretét a bél hámsejtjeiben. Ezek a megfigyelések arra utaltak, hogy a bél mikrobiális közössége célként működhet az étrendi zsír felszívódásának szabályozásában a halakban (6). Ezért feltételeztük, hogy még a halakban is, amelyek bélmikrobiotájának összetétele nagymértékben eltér az emlősökétől, a bélbaktériumok szabályozhatják a lipid anyagcserét és hozzájárulhatnak az energiatermeléshez, ha az étrendi energia bőséges.

A Nílus-tilápia (Oreochromis niloticus) fontos akvakultúra-faj, és ez a táplálkozási és anyagcsere-vizsgálatok általános halmodellje (12, 15). Jelen tanulmányban magas zsírtartalmú szójaolajat tartalmazó étrendet alkalmaztak a Nílus tilápia táplálására lipidfelhalmozódás előidézésére (12), funkcióalapú megközelítést alkalmaztak egy olyan baktérium izolálására, amely elősegítheti a halak kalóriabevitelét, és a mechanizmust azonosítottak. A halak bélbakteriális sokféleségének vizsgálatával megfigyeltük, hogy az S1 baktérium, amely a hal bélében nem domináns baktérium, növeli a hal lipid felhalmozódását és modulálja a bél mikrobiális közösségét. A nem domináns baktériumok energiaszerzésben betöltött funkciójának megértése kibővíti a bél mikrobiota élettani szerepének megértését; a nem domináns szervezetek kritikus szerepet játszhatnak ebben a fontos folyamatban.

EREDMÉNYEK

Az S1 baktériumot a szójaolaj fő szénforrásaként izolálják. A szójaolajban gazdag környezetben növekedésre hajlamosabb baktériumok izolálása érdekében a szójaolajat választották a táptalaj fő szénforrásának. Az amplifikált rRNS gén restrikciós elemzés (ARDRA) után in vitro nagyobb baktériumot izoláltak és használtak fel további kutatásokhoz (S1). A 16S rRNS teljes hosszúságú génszekvencia azt mutatta, hogy az izolált baktérium legközelebbi szomszédja a Citrobacter freundii (1A. Ábra).

A baktériumtörzs in vitro izolálása és működésének detektálása in vivo. (A) Az izolált baktérium filogenetikai fája. A távolságot a szomszéd csatlakozási kritérium alapján számoltuk, és a bootstrap megbízhatósági értékei 100 ismétlés voltak. (B) Testtömeg a kísérlet során (n = 16). CON vagy CONB, a halakat bazális táplálékkal etették az izolált baktérium nélkül vagy anélkül; HF vagy HFB, a halakat magas zsírtartalmú étrenddel etették az izolált baktérium nélkül vagy anélkül. (C) A teljes test lipidtartalma (n = 3). (D) A Citrobacter spp. Mennyiségi meghatározása négy csoportban (n = 5). Az adatokat átlagértékekként ± SEM fejezzük ki. Az egyes oszlopok fölött található különböző kisbetűk jelentős különbséget jelentenek (P Az S1 baktérium bélrendszeri kolonizációja, valamint annak hatása a halak növekedésére és testének lipidtartalmára. Annak kimutatására, hogy az S1 baktérium képes-e eljutni és szaporodni a hal bélében, egy kolóniát választottunk rifampin rezisztenciával A székletanyagot rifampint tartalmazó táptalajra szélesztettük annak megállapítására, hogy a rifampin-rezisztens törzs megtelepítheti-e a Tilapia bélét. Az S1 baktérium kimutatható volt a diéta S1 baktériumokkal kiegészítve a baktérium hozzáadás utáni 4. héttől (1. táblázat).

A baktériumok kolonizációs hatékonyságának meghatározása

Az S1 baktériumnak a hal anyagcseréjére gyakorolt in vivo hatásának tanulmányozása céljából az S1 baktériumot a kontroll vagy a magas zsírtartalmú étrend csoport étrendjébe 10 9 CFU g-1 koncentrációjú étrendben adtuk, és a növekedési jellemzőket. halakat vizsgáltak. 8 hetes diétás beavatkozás után azt tapasztaltuk, hogy a baktériummal történő kiegészítés nem növelte jelentősen a testtömeget (1B. Ábra). Azonban az S1 baktérium hozzáadása a magas zsírtartalmú étrendben jelentősen növelte a test lipidtartalmát a többi csoportéhoz képest (1C. Ábra).

A magas zsírtartalmú étrend vagy az S1 baktérium hozzáadása a halak bélmikrobiotájára. A Citrobacter spp. Populációs szintjének meghatározása halbélben nemzetspecifikus primereket alkalmaztak a Citrobacter spp. a négy csoportban (CON [táplálék bazális étrenddel], CONB [bazális étrenddel táplálva 10 9 CFU S1 g –1 étrend hozzáadásával], HF [magas zsírtartalmú étrenddel táplálva] és HFB [magas zsíros étrend] 10 9 CFU S1 g −1 étrend hozzáadásával). Az eredményekből kiderült, hogy a Citrobacter spp. a zsírtartalmú étrendben szignifikánsan nőtt a kontroll csoporthoz képest, ami arra utal, hogy a magas zsírtartalmú étrend elősegítette a Citrobacter spp. in vivo (1D. ábra). Ezenkívül az S1 baktérium hozzáadása jelentősen megnövelte a Citrobacter spp. a HFB csoportban a HF csoportéval összehasonlítva (1D. ábra). A kétirányú varianciaanalízis (ANOVA) azt is sugallta, hogy a magas zsírtartalmú étrend interakciója és az S1 baktérium hozzáadása összefüggésben van a megnövekedett Citrobacter spp. (lásd az S5 táblázatot a kiegészítő anyagban).

A magas zsírtartalmú étrend vagy az izolált baktérium hozzáadása jelentős változásokat váltott ki a mikrobiota összetételében. (A) Az egyes csoportok közösségi bősége menekültügyi szinten (n = 3–5). (B) OTU-alapú PCoA diagram négy csoportból. (C) 31 OTU hőtérkép-elemzése. Az egyes kezelések mindegyik OTU színsávja látható. Az OTU-k (nemzetség, család és törzs) rendszertana a jobb oldalon látható. A különbségeket a Kruskal-Wallis R csomagban felhasználásával detektáltuk.