Микробиом - Microbiome

Термин микробиом охватывает как микробиота (сообщество микроорганизмов) и их «театр активности» (структурные элементы, метаболиты /сигнальные молекулы, и окружающие условия окружающей среды.[1]

А микробиом (от Греческий микро что означает "маленький" и bíos значение "жизнь") был первоначально определен в 1988 году Whipps и другие. как «характерное микробное сообщество, занимающее достаточно четко определенную среду обитания, которая обладает отчетливыми физико-химическими свойствами. Таким образом, термин относится не только к вовлеченным микроорганизмам, но и охватывает театр их активности».[2]

В 2020 году международная группа экспертов опубликовала результаты своих дискуссий по определению микробиома.[1] Они предложили определение микробиома, основанное на возрождении «компактного, ясного и исчерпывающего описания термина», первоначально предоставленного Whipps et al., Но дополненного двумя пояснительными предложениями.[1]

Первое пояснительное предложение провозглашает динамический характер микробиома:

  • В микробиом определяется как характерное микробное сообщество, занимающее достаточно четко определенную среду обитания, обладающую отчетливыми физико-химическими свойствами. Микробиом не только относится к вовлеченным микроорганизмам, но и включает в себя театр их активности, что приводит к образованию специфических экологические ниши. Микробиом, который образует динамическую и интерактивную микросистему, подверженную изменениям во времени и масштабе, интегрирован в макроэкосистемы, включая эукариотических хозяев, и здесь имеет решающее значение для их функционирования и здоровья.[1]

Второе пояснительное предложение четко разделяет термин микробиота от срока микробиом:

Задний план

Хронология исследований микробиома семнадцатого века [1]

Исследования микробиома зародились в микробиологии и начались еще в семнадцатом веке. Разработка новых методов и оборудования стимулировала микробиологические исследования и вызвала сдвиг парадигмы в понимании здоровья и болезней. Поскольку инфекционные болезни поражали человеческое население на протяжении большей части истории, медицинская микробиология был одним из первых центров исследований и общественного интереса. Дополнительно, пищевая микробиология это старая область эмпирических приложений. Развитие первого микроскопы позволил открыть новый, неизвестный мир и привел к идентификации микроорганизмы.[1]

Доступ в ранее невидимый мир открыл глаза и умы исследователей семнадцатого века. Антони ван Левенгук исследовал разнообразные бактерии различной формы, грибы, и простейшие, который он назвал животные, в основном из воды, грязи и образцов зубного налета, и обнаружены биопленки в качестве первого признака взаимодействия микроорганизмов внутри сложные сообщества. Роберт Кох объяснение происхождения болезней человека и животных как следствия микробной инфекции и развитие концепции патогенность была важной вехой в микробиологии. Эти результаты сместили акцент исследовательского сообщества и общественности на роль микроорганизмов как болезнетворных агентов, которые необходимо устранить.[1]

Смена парадигмы
Подчеркивая сдвиг парадигмы от микробов как несоциальных организмов, вызывающих заболевания, к целостному взгляду на микроорганизмы, являющиеся центром всего Единая концепция здоровья: позитивно связывают все сферы жизни человека.[1]

Однако комплексные исследования, проведенные за последнее столетие, показали, что лишь небольшая часть микроорганизмов связана с заболеванием или патогенностью. Подавляющее большинство микробов необходимы для функционирование экосистемы и известен своим полезным взаимодействием с другими микробами, а также с макроорганизмами. В конце девятнадцатого века микробная экология начал с новаторской работы Мартинус В. Бейеринк и Сергей Виноградский. Недавно созданная наука о экологическая микробиология привело к другому сдвигу парадигмы: микроорганизмы повсюду в естественной среде, часто связанные с хозяева и впервые сообщалось о благоприятном воздействии на их хозяев.[3][4][1]

Впоследствии представление о том, что микроорганизмы существуют в виде отдельных клеток, начало меняться, поскольку становилось все более очевидным, что микробы встречаются в составе сложных сообществ, в которых межвидовые взаимодействия и коммуникации имеют решающее значение для динамики популяции и функциональной активности.[5] Открытие ДНК, развитие технологии секвенирования, ПЦР, и методы клонирования позволили исследовать микробные сообщества с использованием независимых от культивирования ДНК и РНК -основанные подходы.[6][1]

Следующим важным шагом стало внедрение филогенетические маркеры такой как 16S рРНК ген для анализа микробного сообщества Карл Вёзе и Джордж Э. Фокс в 1977 г.[7] Сегодня мы можем штрих-код бактерии археи, грибы, водоросли, и протисты в их естественной среде обитания, например, путем нацеливания на их 16S и 18S рРНК гены внутренняя расшифрованная прокладка (ITS) или, альтернативно, специфические функциональные области генов, кодирующих определенные ферменты.[8][9][10][1]

Еще один важный сдвиг парадигмы был начат в начале этого века и продолжается до сих пор, поскольку новые технологии секвенирования и накопленные данные о последовательностях подчеркнули повсеместное распространение микробные сообщества в ассоциации с высшими организмами и решающей роли микробов в здоровье человека, животных и растений.[11] Эти новые возможности произвели революцию микробная экология, потому что анализ геномы и метагеномы с высокой пропускной способностью обеспечивает эффективные методы решения функционального потенциала отдельных микроорганизмов, а также целых сообществ в их естественной среде обитания.[12][13] Мультиомика технологии, включая метатранскриптом, метапротеом и метаболом подходы теперь предоставляют подробную информацию о микробной активности в окружающей среде. Основываясь на обширном массиве данных, культивирование микробов, которое часто игнорировалось или недооценивалось в течение последних тридцати лет, приобрело новое значение и высокую производительность. культуромика в настоящее время является важной частью набора инструментов для изучения микробиомов. В нескольких обзорах подчеркивается высокий потенциал и мощь комбинирования нескольких методов «омики» для анализа взаимодействий между хозяином и микробом.[14][15][1]

Определение микробиома

Микробные сообщества обычно определялись как совокупность микроорганизмов, живущих вместе. Более конкретно, микробные сообщества определяются как многовидовые сообщества, в которых (микро) организмы взаимодействуют друг с другом в непрерывной среде.[16] В 1988 году Уиппс и его коллеги, занимающиеся экологией ризосфера микроорганизмы дали первое определение термина микробиом.[2] Они описали микробиом как комбинацию слов микро и биом, называя «характерное микробное сообщество» в «достаточно четко определенной среде обитания, имеющей отличительные физико-химические свойства» как «театр активности». Это определение представляет собой существенное продвижение определения микробного сообщества, поскольку оно определяет микробное сообщество с различными свойствами и функциями, а также его взаимодействия с окружающей средой, что приводит к образованию конкретных экологических ниш.[1]

Однако за последние несколько десятилетий было опубликовано множество других определений микробиома. В настоящее время наиболее цитируемое определение Ледерберга[17] описывает микробиомы в экологическом контексте как сообщество комменсальный, симбиотический, и патогенный микроорганизмы в пространстве тела или другой окружающей среде. Марчези и Равель в своем определении сосредоточились на геномах и паттернах экспрессии микробных (и вирусных) генов и протеомах в данной среде и ее преобладающих биотический и абиотический условия.[18] Все эти определения подразумевают, что общие концепции макроэкологии могут быть легко применены к микробу-микробу, а также к взаимодействиям микроб-хозяин. Однако степень развития этих концепций для макро-эукариоты, может применяться к прокариоты с их разным образом жизни в отношении сна, вариативностью фенотип, и горизонтальный перенос генов[19] а также с микроэукариотами, что не совсем понятно. Это поднимает проблему рассмотрения совершенно нового корпуса концептуальных моделей экологии и теории для экологии микробиома, особенно в связи с разнообразной иерархией взаимодействий микробов друг с другом и с биотической и абиотической средой хозяина. Многие современные определения не отражают эту сложность и описывают термин микробиом как охватывающий только геномы микроорганизмов (см. Таблицу ↓).[1]

Определения микробиома[1]
Тип определенияПримеры
ЭкологическийОпределения, основанные на экологии, описывают микробиом в соответствии с концепциями, вытекающими из экологии многоклеточных организмов. Основная проблема здесь в том, что теории макроэкологии не всегда соответствуют правилам микробного мира.
  • «Удобная экологическая основа для изучения систем биоконтроля - это структура микробиома. Это можно определить как характерное микробное сообщество, занимающее достаточно четко определенную среду обитания, которое обладает отчетливыми физико-химическими свойствами. Таким образом, термин относится не только к микроорганизмам. вовлечены, но также включают в себя их театр деятельности ".[2]
  • «Этот термин относится ко всей среде обитания, включая микроорганизмы (бактерии, археи, низшие и высшие эуркариоты и вирусы), их геномы (т. Е. Гены) и условия окружающей среды. Это определение основано на определении« биом, »Биотические и абиотические факторы данной среды. Другие в этой области ограничивают определение микробиома набором генов и геномов членов микробиоты. Утверждается, что это определение метагенома, который в сочетании с окружающей средой составляет микробиом. Микробиом характеризуется применением одного или комбинации метагеномики, метабономики, метатранскриптомики и метапротеомики в сочетании с клиническими метаданными или метаданными окружающей среды ».[18]
  • "другие используют термин микробиом для обозначения всех микробов сообщества, и, в частности, для микробиома растения те микробные сообщества, связанные с растением, которые могут жить, процветать и взаимодействовать с различными тканями, такими как корни, побеги, листья, цветы и семена ».[20]
  • «Экологическое сообщество комменсальных, симбиотических и патогенных микроорганизмов в пространстве тела или другой среде».[17]
Организмы / зависит от хозяинаОпределения, зависимые от хозяина, основаны на микробных взаимодействиях с хозяином. Основные пробелы здесь касаются вопроса о том, могут ли данные о взаимодействии микробов с хозяином, полученные от одного хозяина, быть переданы другому. Понимание коэволюции и отбора в определениях, зависимых от хозяина, также недостаточно представлено.
  • «Сообщество микроорганизмов (таких как бактерии, грибки и вирусы), которые населяют определенную среду, и особенно набор микроорганизмов, живущих в человеческом теле или на нем».[21]
  • «Проект микробиома человека (HMP): [...] Микробиом человека - это совокупность всех микроорганизмов, живущих вместе с человеческим телом. Эти сообщества состоят из множества микроорганизмов, включая эукариоты, археи, бактерии и вирусы».[22]
Геномный / управляемый методомСуществует множество доступных определений микробиома, основанных на применяемых методах. В основном эти определения основаны на анализе последовательностей ДНК и описывают микробиом как коллективный геном микроорганизмов в определенной среде. Основным узким местом здесь является то, что каждая новая доступная технология будет приводить к необходимости нового определения.
  • «Коллективные геномы микроорганизмов, населяющих определенную среду и особенно человеческое тело».[21]
  • «Микробиом включает в себя весь генетический материал внутри микробиоты (весь набор микроорганизмов в определенной нише, например в кишечнике человека). Это также можно назвать метагеномом микробиоты».[23]
  • «Микробиом - это термин, который описывает геном всех микроорганизмов, симбиотических и патогенных, живущих внутри и на всех позвоночных. Микробиом кишечника состоит из коллективного генома микробов, населяющих кишечник, включая бактерии, археи, вирусы и грибы».[24]
  • «Различные подходы к определению популяции дают разную информацию. A | Микробиота: исследования 16S рРНК используются для таксономической идентификации микроорганизмов в окружающей среде. B | Метагеном: гены и геномы микробиоты, включая плазмиды, подчеркивающие генетический потенциал популяция. c | Микробиом: гены и геномы микробиоты, а также продукты микробиоты и окружающей среды хозяина ".[25]
  • «Совокупность геномов микробиоты. Часто используется для описания сущности микробных признаков (= функций), кодируемых микробиотой».[26]
КомбинированныйДоступны несколько определений микробиома, которые соответствуют нескольким категориям со своими преимуществами и недостатками.
  • «Микробиом - это экологическое сообщество комменсальных, симбиотических и патогенных микроорганизмов, которые буквально разделяют пространство нашего тела».[27]
  • «Микробиом - это сумма микробов и их геномных элементов в определенной среде».[28]
  • «Гены и геномы микробиоты, а также продукты микробиоты и среды хозяина».[29]

В 2020 году группа международных экспертов, организованная проектом MicrobiomeSupport, финансируемым ЕС,[30] опубликовали результаты своих обсуждений по определению микробиома.[1] В состав группы вошли около 40 лидеров из различных областей микробиома, и еще около сотни экспертов со всего мира внесли свой вклад в онлайн-опрос. Они предложили определение микробиома, основанное на возрождении компактного, ясного и исчерпывающего описания этого термина, первоначально предоставленного Уиппсом. и другие. в 1988 г.[2] дополнен набором рекомендаций с учетом последующих технологических разработок и результатов исследований. Они четко разделяют термины микробиом и микробиота и обеспечить всестороннее обсуждение с учетом состава микробиоты, неоднородности и динамики микробиомов во времени и пространстве, стабильности и устойчивости микробных сетей, определения основных микробиомов и функционально значимых ключевых видов, а также принципов коэволюции микробов. -хозяева и межвидовые взаимодействия в микробиоме.[1]

Панель расширила Whipps и другие. определение, которое содержит все важные моменты, действительные даже через 30 лет после его публикации в 1988 году, двумя пояснительными предложениями, дифференцирующими термины микробиом и микробиота и провозглашающими их динамический характер следующим образом:

  • В микробиом определяется как характерное микробное сообщество, занимающее разумно четко определенную среду обитания, обладающую отчетливыми физико-химическими свойствами. Микробиом относится не только к вовлеченным микроорганизмам, но и включает в себя театр их активности, что приводит к образованию определенных экологических ниш. Микробиом, который образует динамическую и интерактивную микросистему, подверженную изменениям во времени и масштабе, интегрирован в макроэкосистемы, включая эукариотических хозяев, и здесь имеет решающее значение для их функционирования и здоровья.[1]
  • В микробиота состоит из совокупности микроорганизмов, принадлежащих к разным царствам (прокариоты (бактерии, археи), эукариоты (водоросли, простейшие, грибы и т. д.), в то время как «театр их активности» включает микробные структуры, метаболиты, мобильные генетические элементы (такие как транспозоны, фаги) , и вирусы), и реликтовая ДНК, встроенная в экологические условия среды обитания.[1]

Микробиота - члены микробиома

Основная статья: микробиота

Микробиота включает всех живых членов, образующих микробиом. Большинство исследователей микробиома согласны с тем, что бактерии, археи, грибы, водоросли и мелкие протисты следует рассматривать в качестве членов микробиома.[18][1] Интеграция фаги, вирусы, плазмиды, а мобильные генетические элементы - более спорная проблема в определении микробиома. Также нет четкого консенсуса относительно того, принадлежит ли внеклеточная ДНК, полученная из мертвых клеток, так называемая «реликтовая ДНК», к микробиому.[31][1] Реликтовая ДНК может составлять до 40% секвенированной ДНК в почве,[32] и составляла до 33% от общей бактериальной ДНК в среднем по более широкому анализу местообитаний с самой высокой долей 80% в некоторых образцах.[33] Несмотря на свою вездесущность и изобилие, реликтовая ДНК оказала минимальное влияние на оценки таксономического и филогенетического разнообразия.[33][1]

Когда дело доходит до использования определенных терминов, четкое различие между микробиомом и микробиотой помогает избежать разногласий относительно членов микробиома.[1] Микробиота обычно определяется как совокупность живых микроорганизмов, присутствующих в определенной среде.[18] Поскольку фаги, вирусы, плазмиды, прионы, вироиды и свободная ДНК обычно не считаются живыми микроорганизмами,[34] они не принадлежат к микробиоте.[1]

Термин микробиом, как он изначально был предложен Уиппсом с соавторами,[2] включает не только сообщество микроорганизмов, но и их «театр активности». Последний включает весь спектр молекул, продуцируемых микроорганизмами, включая их структурные элементы (нуклеиновые кислоты, белки, липиды, полисахариды), метаболиты (сигнальные молекулы, токсины, органические и неорганические молекулы) и молекулы, продуцируемые сосуществующими хозяевами и структурированные. условиями окружающей среды. Следовательно, все мобильные генетические элементы, такие как фаги, вирусы, «реликтовая» и внеклеточная ДНК, должны быть включены в термин «микробиом», но не являются частью микробиоты. Термин микробиом также иногда путают с метагеном. Однако метагеном четко определяется как совокупность геномов и генов членов микробиоты.[18][1]

Исследования микробиома иногда сосредотачиваются на поведении определенной группы микробиоты, как правило, в связи с четкой гипотезой или оправданной ею. Все больше и больше терминов вроде бактериом, археома, микобиом, или виром начали появляться в научной литературе, но эти термины не относятся к биомам (региональной экосистеме с определенным набором (микро) организмов и физической среде, часто отражающей определенный климат и почву) как к самому микробиому.[1] Следовательно, было бы лучше использовать исходные термины (бактериальное, архейное или грибковое сообщество). В отличие от микробиоты, которую можно изучать отдельно, микробиом всегда состоит из всех членов, которые взаимодействуют друг с другом, живут в одной среде обитания и вместе образуют свою экологическую нишу. Устойчивый термин виром происходит из вируса и генома и используется для описания вирусного дробовика метагеномы состоящий из набора нуклеиновых кислот, связанных с конкретной экосистемой или холобионт.[35] Вирусные метагеномы может быть предложен как семантически и научно лучший термин.[1]

Микробиомы растений

Репрезентативные микробные сети в различных средах обитания растений [36]
Основная статья: Микробиом растений

Схема справа →
иллюстрирует микробные сообщества в почве, воздухе, ризосфера, филлосфера, и внутри растительной ткани (эндосфера). В каждой из этих сред обитания микробы (представленные цветными кружками) могут взаимодействовать положительно, отрицательно или не взаимодействовать с другими микробами (без линий). Конкретные микробы, часто определяемые как «узловые» или «краеугольные» виды (кружки, выделенные жирным шрифтом), тесно связаны с другими микробами в сети и, вероятно, оказывают более сильное влияние на структуру микробных сообществ. (а) Связанные с корнями микробы в основном происходят из почвенного биома. (б) Связанные с листьями микробы происходят из различных источников, таких как аэрозоли, насекомые или пыль. (c) Перемещение между представителями наземной и подземной микробиоты.[36]

Микробный компонент здоровых семян - микробиом семян - по-видимому, передается от поколения к поколению и может динамически влиять на прорастание, продуктивность растений и выживаемость. Таким образом, методы оптимизации микробиомов семян основных сельскохозяйственных культур могут иметь далеко идущие последствия для селекции растений и улучшения сельскохозяйственных культур для увеличения производства сельскохозяйственных продуктов питания, кормов и волокон.[37]

Внесение полезных бактерий в семена растений
(А) Цветки растений опрыскивают бактериальной суспензией. (B) Бактерии колонизируют цветы и развивающиеся семена. (C) Созревшие семена собирают и эндофиты сохранять жизнеспособность при хранении семян. (D) Эндофиты размножаются во время прорастания и колонизируют поколение потомков растений.[37]

Морские микробиомы

Отношения между хозяином и микробиомом морских животных
Обычно считается, что отношения существуют в симбиотическом состоянии и обычно подвергаются воздействию факторов окружающей среды и специфических для животных факторов, которые могут вызывать естественные вариации. Некоторые события могут превратить отношения в функционирующее, но измененное симбиотическое состояние, тогда как экстремальные стрессовые события могут вызвать дисбактериоз или разрыв отношений и взаимодействия.[38]

Все животные на Земле образуют ассоциации с микроорганизмами, включая простейшие, бактерии, археи, грибы и вирусы. В океане взаимоотношения животных и микробов исторически изучались в системах с одним хозяином и симбионтом. Тем не менее, новые исследования разнообразия микроорганизмов, связанных с различными морскими животными-хозяевами, продвигают область исследований, направленных на взаимодействие между животным-хозяином и более многомерным микробиомом. Потенциал микробиомов влиять на здоровье, физиологию, поведение и экологию морских животных может изменить текущие представления о том, как морские животные адаптируются к изменениям, и особенно к растущим изменениям, связанным с климатом и антропогенными факторами, уже влияющим на окружающую среду океана.[38]

Микробиомы различных морских животных в настоящее время изучаются, начиная с простых организмов, включая губки.[39] и гребневики [40] более сложным организмам, таким как морские сквирты[41] и акулы.[42][38]

Отношения между Кальмар гавайский бобтейл и биолюминесцентная бактерия Aliivibrio fischeri это одна из наиболее изученных симбиотических отношений в море и система выбора для общих исследований симбиоза. Эта взаимосвязь позволила понять фундаментальные процессы симбиоза животных и микробов, и особенно биохимические взаимодействия и передачу сигналов между хозяином и бактерией.[43][44][38]

Безжалостный морской олигохает червь Olavius ​​algarvensis - еще один относительно хорошо изученный морской хозяин микробов. Эти трехсантиметровые черви обитают в мелководных морских отложениях Средиземного моря. Черви не содержат ротовой полости, пищеварительной или выделительной системы, но вместо этого питаются с помощью набора внеклеточных бактериальных эндосимбионтов, которые живут при скоординированном использовании серы, присутствующей в окружающей среде.[45] В этой системе используются одни из самых сложных инструментов визуализации и омики.[46] Например, зондирование с несколькими метками улучшило визуализацию микробиома.[47] а транскриптомика и протеомика были применены для изучения взаимодействий хозяин-микробиом, включая передачу энергии между хозяином и микробами.[48] и распознавание консорциумов врожденной иммунной системой червя.[49] Основная сила этой системы заключается в том, что она предлагает возможность изучать взаимодействия хозяина и микробиома с микробным консорциумом с низким разнообразием, а также предлагает ряд ресурсов генома хозяина и микробов.[46][50][38]

Stylophora pistillata колония кораллов и бактерии Эндозоикомонады (Ez) зондировали клетки (желтые) внутри щупалец S. pistillata, находящиеся в агрегатах (Ez agg), а также сразу за их пределами (b).[51]

Кораллы являются одним из наиболее распространенных примеров животных-хозяев, чей симбиоз с микроводорослями может перерасти в дисбактериоз, что заметно проявляется как обесцвечивание. Микробиомы кораллов были изучены в различных исследованиях, которые демонстрируют, как изменения в окружающей среде океана, в первую очередь температуры, света и неорганических питательных веществ, влияют на численность и производительность симбионтов микроводорослей, а также кальцификация и физиология хозяина.[52][53] Исследования также показали, что местные бактерии, археи и грибы дополнительно способствуют круговороту питательных веществ и органических веществ внутри коралла, при этом вирусы также, возможно, играют роль в структурировании состава этих членов, тем самым давая одно из первых взглядов на множественные процессы. симбиоз морских животных домена.[54] В гаммапротеобактерии Эндозоикомонады становится центральным членом микробиома кораллов, с гибким образом жизни.[51][55] Учитывая недавнее массовое обесцвечивание рифов,[56] кораллы, вероятно, останутся полезной и популярной системой для исследования симбиоза и дисбиоза.[38]

Губки являются обычными членами разнообразных бентических местообитаний океана, и их изобилие и способность фильтровать большие объемы морской воды привели к осознанию того, что эти организмы играют решающую роль в влиянии на бентические и пелагические процессы в океане.[57] Это одна из старейших линий животных с относительно простым строением тела, которое обычно ассоциируется с бактериями, архей, протистами водорослей, грибами и вирусами.[58] Микробиомы губок состоят из специалистов и специалистов широкого профиля, и сложность их микробиома, по-видимому, определяется филогенезом хозяина.[59] Исследования показали, что микробиом губок способствует круговороту азота в океанах, особенно за счет окисления аммиака архей и бактерий.[60][61] Совсем недавно было показано, что микробные симбионты тропических губок производят и хранят гранулы полифосфата,[62] возможно, позволяя хозяину пережить периоды истощения фосфатов в олиготрофной морской среде.[63] Микробиомы некоторых видов губок, по-видимому, изменяются в структуре сообщества в ответ на изменение условий окружающей среды, включая температуру.[64] и закисление океана,[65][66] а также синергетические воздействия.[67]

Основная сложность

Компромисс между экспериментальными вопросами и сложностью систем микробиома [68]

Каждая микробиомная система подходит для решения различных типов вопросов, основанных на культивируемости микробов, генетической управляемости микробов и хозяина (где применимо), способности поддерживать систему в лабораторных условиях и способности обезболивать организм хозяина / окружающей среды.[68]

На рисунке справа показаны три разные системы. (A) Парные взаимодействия между почвенными бактериями Bacillus subtilis и Streptomyces виды хорошо подходят для характеристики функций вторичных метаболитов при микробных взаимодействиях. (B) Симбиоз между бобтейл кальмар и морская бактерия Aliivibrio fischeri имеет фундаментальное значение для понимания факторов хозяина и микробов, влияющих на колонизацию. (C) Использование гнотобиотик мыши имеют решающее значение для установления связи между рационом хозяина и воздействием на определенные таксоны микробов в сообществе.[68]

Коэволюция хозяина и микроба

Сдвиг в понимании коэволюции микробов и хозяев от теорий «разделения» к целостному подходу
При целостном подходе предполагается, что хозяева и связанная с ними микробиота эволюционировали вместе друг с другом.[1]
Смотрите также: Холобионт и Гологеномная теория эволюции

Согласно «разделительному» подходу (верхняя часть рисунка справа), микроорганизмы можно разделить на патогенные, нейтральные и симбионты, в зависимости от их взаимодействия с хозяином. Соответственно, совместная эволюция между хозяином и связанной с ним микробиотой может быть описана как антагонистическая (основанная на отрицательных взаимодействиях) или мутуалистическая (основанная на положительных взаимодействиях).[1]

По состоянию на 2020 год появление в публикациях о условно-патогенные микроорганизмы и патобионты привело к сдвигу в сторону целостного подхода в теории коэволюций (нижняя часть рисунка справа). Целостный подход рассматривает хозяина и связанную с ним микробиоту как единое целое (так называемый холобионт ), который развивается как единое целое. Согласно холистическому подходу, болезненное состояние холобионта связано с дисбактериоз, низкое разнообразие ассоциированной микробиоты и их изменчивость: так называемая патобиом штат. С другой стороны, здоровое состояние сопровождается эубиоз, высокое разнообразие и однородность соответствующей микробиоты.[1]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час я j k л м п о п q р s т ты v ш Икс у z аа ab ac объявление ае Берг, Габриэле; Дарья Рыбакова, Дорин Фишер, Томислав Чернава, Мари-Кристин Шампомье Верже, Тревор Чарльз, Сяоюлонг Чен, Лука Коколин, Келли Эверсол, Хема Эрреро Корраль, Мария Казу, Линда Кинкель, Лене Ланге, Нельсон Лима, Александр Лой, Джеймс А. Маклин , Эммануэль Магуин, Тим Мочлайн, Райан МакКлюр, Биргит Миттер, Мэтью Райан, Инга Саранд, Хауке Смидт, Беттина Шелкле, Хьюго Роум, Дж. Сегал Киран, Джозеф Селвин, Рафаэль Соарес Корреа де Соуза, Лео ван Овербек, Браджеш К. , Майкл Вагнер, Аарон Уолш, Анджела Сессич и Майкл Шлотер (2020) «Повторное посещение определения микробиома: старые концепции и новые проблемы». Микробиом, 8(103): 1–22. Дои:10.1186 / s40168-020-00875-0. CC-BY icon.svg Материал был скопирован из этого источника, который доступен под Международная лицензия Creative Commons Attribution 4.0.
  2. ^ а б c d е Whipps J., Lewis K. и Cooke R. (1988) "Микопаразитизм и борьба с болезнями растений". В: Burge M (Ed.) Грибы в системах биологической борьбы, Manchester University Press, страницы 161–187. ISBN  9780719019791.
  3. ^ Хилтнер Л. (1902) "Die Keimungsverhältnisse der Leguminosensamen und ihre Beeinflussung durch Organismenwirkung". В: Парей П. и Спрингер Дж. (Ред.) Arb Biol Abt Land u Forstw K Gsndhtsamt, 3, Берлин. Страницы 1-545.
  4. ^ Мечников Э. Продление жизни: оптимистические исследования. Сыновья Г.П. Патнэма; 1908 г.
  5. ^ Басслер, Б. (2002) «Светская беседа: межклеточная коммуникация в бактериях». Ячейка, 109(4): 421–424. Дои:10.1016 / S0092-8674 (02) 00749-3.
  6. ^ Брюл, С., Каллемейн, В. и Смитс, Г. (2008) "Функциональная геномика для пищевой микробиологии: молекулярные механизмы адаптации слабых органических кислот консервантов в дрожжах". CAB Rev, 3: 1–14. Дои:10.1079 / PAVSNNR20083005.
  7. ^ Woese, C.R., Fox, G.E. (1977) "Филогенетическая структура прокариотического домена: первичные царства". Труды Национальной академии наук, 74(11): 5088–5090. Дои:10.1073 / пнас.74.11.5088.
  8. ^ Укса, М., Шлотер, М., Эндесфельдер, Д., Кублик, С., Энгель, М., Каутц, Т., Кёпке, У. и Фишер, Д. (2015) «Прокариоты в недрах - свидетельство сильное пространственное разделение различных типов путем анализа сетей совместного возникновения ". Границы микробиологии, 6: 1269. Дои:10.3389 / fmicb.2015.01269.
  9. ^ Мариц, Дж. М., Роджерс, К. Х., Рок, Т. М., Лю, Н., Джозеф, С., Лэнд, К. М. и Карлтон, Дж. М. (2017) «Рабочий процесс 18S рРНК для характеристики протистов в сточных водах, с акцентом на зоонозные трихомонады». Микробная экология, 74(4): 923–936. Дои:10.1007 / s00248-017-0996-9.
  10. ^ Purahong, W., Wubet, T., Lentendu, G., Schloter, M., Pecyna, MJ, Kapturska, D., Hofrichter, M., Krüger, D. и Buscot, F. (2016) "Жизнь в листе помет: новое понимание динамики сообщества бактерий и грибов при разложении подстилки ». Молекулярная экология, 25(16): 4059–4074. Дои:10.1111 / mec.13739.
  11. ^ Лозупоне, C.A., Stombaugh, J.I., Gordon, J.I., Jansson, J.K. и Найт Р. (2012) «Разнообразие, стабильность и устойчивость микробиоты кишечника человека». Природа, 489(7415): 220–230. Дои:10.1038 / природа11550.
  12. ^ Вентер, Дж. К., Ремингтон, К., Гейдельберг, Дж. Ф., Халперн, А. Л., Руш, Д., Эйзен, Дж. А., Ву, Д., Паулсен, И., Нельсон, К. Э., Нельсон, В., Фаутс, Д. Э. (2004) "Секвенирование генома окружающей среды Саргассова моря". Наука, 304(5667): 66–74. Дои:10.1126 / science.1093857.
  13. ^ Лю, Л., Ли, Ю., Ли, С., Ху, Н., Хе, Й., Понг, Р., Лин, Д., Лу, Л. и Ло, М. (2012) "Сравнение системы секвенирования нового поколения ". BioMed Research International, 2012: 251364. Дои:10.1155/2012/251364.
  14. ^ Стеген, Дж. К., Боттос, Э. М., Янссон, Дж. К. (2018) «Единая концептуальная основа для прогнозирования и контроля микробиомов». Текущее мнение в микробиологии, 44: 20–27. Дои:10.1016 / j.mib.2018.06.002.
  15. ^ Найт, Р., Врбанак, А., Тейлор, BC, Аксенов, А., Каллеверт, К., Дебелиус, Дж., Гонсалес, А., Косчолек, Т., МакКолл, Л.И., Макдональд, Д. и Мельник, средний (2018) «Лучшие практики анализа микробиомов». Обзоры природы Микробиология, 16(7): 410–422. Дои:10.1038 / s41579-018-0029-9.
  16. ^ Конопка, А. (2009) "Что такое экология микробного сообщества?" Журнал ISME, 3(11): 1223–1230. {{doi | Конопка, А., 2009. Что такое экология микробного сообщества ?. Журнал ISME, 3 (11), стр.1223-1230. Дои:10.1038 / ismej.2009.88.
  17. ^ а б Ледерберг, Дж., Маккрей, А. (2001) «Ome Sweet'Omics - генеалогическая сокровищница слов». Ученый, 15(7): 8.
  18. ^ а б c d е Марчези, Дж. Р. и Равель, Дж. (2015) «Словарь исследования микробиома: предложение». Микробиом, 3(31). Дои:10.1186 / s40168-015-0094-5.
  19. ^ Проссер, Дж. И., Боханнан, Б. Дж., Кертис, Т. П., Эллис, Р. Дж., Файерстоун, М. К., Фреклтон, Р. П., Грин, Дж. Л., Грин, Л. Е., Киллхэм, К., Леннон, Дж. Дж. и Осборн, А. (2007) «Роль экологической теории в микробной экологии». Обзоры природы Микробиология, 5(5): 384–392. Дои:10.1038 / nrmicro1643.
  20. ^ дель Кармен Ороско-Москеда, М., дель Кармен Роша-Гранадос, М., Глик, Б. и Santoyo, G. (2018) «Инженерия микробиома для улучшения механизмов биоконтроля и стимулирования роста растений». Микробиологические исследования, 208: 25–31. Дои:10.1016 / j.micres.2018.01.005.
  21. ^ а б Словарь Мерриама-Вебстера - микробиом.
  22. ^ Проект человеческого микробиома. Доступ 25 августа 2020 г.
  23. ^ Nature.com: Микробиом. Доступ 25 августа 2020 г.
  24. ^ ScienceDirect: Микробиом Доступ 25 августа 2020 г.
  25. ^ Аревало, П., ВанИнсберг, Д., Эльшербини, Дж., Гор, Дж. И Польз, М.Ф. (2019) «Обратный экологический подход, основанный на биологическом определении микробных популяций». Ячейка, 178(4): 820–834. Дои:10.1016 / j.cell.2019.06.033.
  26. ^ Schlaeppi, K. и Bulgarelli, D. (2015) «Растительный микробиом в действии». Молекулярные взаимодействия растений и микробов, 28(3): 212–217. Дои:10.1094 / MPMI-10-14-0334-FI.
  27. ^ Роджерс И-Х и Чжан К. (2016) «Геномные технологии в медицине и здоровье: прошлое, настоящее и будущее». В: Кумар Д. и Антонаракис С. (ред.) Медицина и геномика здоровья. Оксфорд: Academic Press, страницы 15–28. ISBN  9780127999227.
  28. ^ Хо, Е. и Буняванич, С. (2018) «Роль микробиома в пищевой аллергии». Текущие отчеты об аллергии и астме, 18(4): 27. Дои:10.1007 / s11882-018-0780-z.
  29. ^ Whiteside, S.A., Razvi, H., Dave, S., Reid, G. и Burton and J.P. (2015) «Микробиом мочевыводящих путей - роль, выходящая за рамки инфекции». Обзоры природы Урология, 12(2): 81–90. Дои:10.1038 / nrurol.2014.361.
  30. ^ МикробиомПоддержка проекта
  31. ^ Карини, Пол (2016) Перепись мертвых: история микробной «реликтовой ДНК» в почве Исследования природы: микробиология.
  32. ^ Карини, П., Марсден, П.Дж., Лефф, Дж. У., Морган, Э. Э., Стрикленд, М. и Фирер, Н. (2016) «Реликтовая ДНК в изобилии в почве и затрудняет оценку микробного разнообразия почвы». Природная микробиология, 2(3): 1–6. Дои:10.1038 / nmicrobiol.2016.242.
  33. ^ а б Леннон, J.T., Muscarella, M.E., Placella, S.A. и Lehmkuhl, B.K. (2018) «Как, когда и где реликтовая ДНК влияет на микробное разнообразие». мБио, 9(3). Дои:10,1128 / мBio.00637-18.
  34. ^ Dupré JO, O’Malley MA (2009) «Разновидности живых существ: жизнь на пересечении родословной и метаболизма». В: Normandin S и Wolfe C (ред.) Витализм и научный образ в науке о жизни после Просвещения 1800–2010 гг.. Дордрехт: Springer, страницы 311–344. ISBN  9789400724457.
  35. ^ Макдэниел, Л., Брейтбарт, М., Мобберли, Дж., Лонг, А., Хейнс, М., Ровер, Ф. и Пол, Дж. Х., 2008. Метагеномный анализ лизогении в заливе Тампа: значение для экспрессии гена профага. PLoS One, 3 (9), p.e3263. Дои:10.1371 / journal.pone.0003263.
  36. ^ а б Хассани, М.А., Дуран, П. и Хаккард, С. (2018) "Микробные взаимодействия внутри холобионта растения". Микробиом, 6(1): 58. Дои:10.1186 / s40168-018-0445-0. CC-BY icon.svg Материал был скопирован из этого источника, который доступен под [https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Международная лицензия Creative Commons Attribution 4.0
  37. ^ а б Миттер, Б., Пфаффенбихлер, Н., Флавелл, Р., Компант, С., Антониелли, Л., Петрич, А., Бернингер, Т., Навид, М., Шейбани-Тезерджи, Р., фон Мальцан, Г. и Сессич, А. (2017) «Новый подход к изменению микробиомов и свойств растений путем введения полезных бактерий во время цветения в семена потомства». Границы микробиологии, 8: 11. Дои:10.3389 / fmicb.2017.00011. CC-BY icon.svg Материал был скопирован из этого источника, который доступен под Международная лицензия Creative Commons Attribution 4.0.
  38. ^ а б c d е ж Апприл, А. (2017) «Микробиомы морских животных: к пониманию взаимодействия хозяина и микробиома в меняющемся океане». Границы морских наук, 4: 222. Дои:10.3389 / fmars.2017.00222. CC-BY icon.svg Материал был скопирован из этого источника, который доступен под Международная лицензия Creative Commons Attribution 4.0.
  39. ^ Webster, NS, Negri, AP, Botté, ES, Laffy, PW, Flores, F., Noonan, S., Schmidt, C. и Uthicke, S. (2016) «Связанные с хозяином микробы коралловых рифов реагируют на кумулятивное давление. потепления и закисления океана ". Научные отчеты, 6: 19324. Дои:10.1038 / srep19324.
  40. ^ Дэниелс, К. и Брейтбарт, М. (2012) «Бактериальные сообщества, связанные с гребневиками. Mnemiopsis leidyi и Берое яйцевидное". FEMS Microbiology Ecology, 82(1): 90–101. Дои:10.1111 / j.1574-6941.2012.01409.x.
  41. ^ Blasiak, L.C., Zinder, S.H., Buckley, D.H., Hill, R.T. (2014) «Бактериальное разнообразие, связанное с оболочкой хордовой модели. Циона кишечника". Журнал ISME, 8(2): 309–320. Дои:10.1038 / ismej.2013.156.
  42. ^ Гивенс К.Э., Рэнсом Б., Бано Н. и Холлибо Дж. (2015) «Сравнение микробиомов кишечника 12 костистых рыб и 3 видов акул». Серия "Прогресс морской экологии", 518: 209–223. Дои:10,3354 / meps11034.
  43. ^ McFall-Ngai, M.J. (2000) «Переговоры между животными и бактериями:« дипломатия »симбиоза кальмаров и вибрионов». Сравнительная биохимия и физиология, Часть A: Молекулярная и интегративная физиология, 126(4): 471–480. Дои:10.1016 / S1095-6433 (00) 00233-6.
  44. ^ Макфолл-Нгай, М. (2014) «Раскрытие сущности симбиоза: выводы из модели кальмара-вибриона». PLoS Биология, 12(2): e1001783. Дои:10.1371 / journal.pbio.1001783.
  45. ^ Dubilier, N., Mülders, C., Ferdelman, T., de Beer, D., Pernthaler, A., Klein, M., Wagner, M., Erséus, C., Thiermann, F., Krieger, J. и Giere, О. (2001) "Эндосимбиотические сульфатредуцирующие и сульфидокисляющие бактерии у олигохетического червя". Природа, 411(6835): 298–302. Дои:10.1038/35077067.
  46. ^ а б Войке, Т., Тилинг, Х., Иванова, Н.Н., Хантеманн, М., Рихтер, М., Глёкнер, Ф.О., Боффелли, Д., Андерсон, И.Дж., Барри, К.У., Шапиро, Х.Д. и Сзето, Э. 2006) «Понимание симбиоза посредством метагеномного анализа микробного консорциума». Природа, 443(7114): 950–955. Дои:10.1038 / природа05192.
  47. ^ Schimak, M.P., Kleiner, M., Wetzel, S., Liebeke, M., Dubilier, N., Fuchs, B.M. (2016) «MiL-FISH: олигонуклеотиды с множественной меткой для флуоресцентной гибридизации in situ улучшают визуализацию бактериальных клеток». Прикладная и экологическая микробиология, 82(1): 62–70. Дои:10.1128 / AEM.02776-15.
  48. ^ Кляйнер, М., Вентруп, К., Лотт, К., Тилинг, Х., Ветцель, С., Янг, Дж., Чанг, Ю.Дж., Шах, М., ВерБеркмос, Н.С., Заржицки, Дж. И Фукс, G. (2012) «Метапротеомика безвольного морского червя и его симбиотического микробного сообщества обнаруживает необычные пути использования углерода и энергии». Труды Национальной академии наук, 109(19): E1173 – E1182. Дои:10.1073 / pnas.1121198109.
  49. ^ Wippler, J., Kleiner, M., Lott, C., Gruhl, A., Abraham, PE, Giannone, RJ, Young, JC, Hettich, RL, Dubilier, N. (2016) «Транскриптомное и протеомное понимание врожденного иммунитет и адаптация к симбиотическому образу жизни у бесплодного морского червя Olavius ​​algarvensis". BMC Genomics, 17(1): 942. Дои:10.1186 / s12864-016-3293-у.
  50. ^ Ruehland, C., Blazejak, A., Lott, C., Loy, A., Erséus, C. и Dubilier, N. (2008) «Множественные бактериальные симбионты у двух видов одновременно встречающихся кишечных червей-олигохет из средиземноморской морской травы. отложения ». Экологическая микробиология, 10(12): 3404–3416. Дои:10.1111 / j.1462-2920.2008.01728.x.
  51. ^ а б Neave, M.J., Apprill, A., Ferrier-Pagès, C. и Voolstra, C.R. (2016) "Разнообразие и функции распространенных симбиотических морских бактерий в этом роду Эндозоикомонады". Прикладная микробиология и биотехнология, 100(19): 8315–8324. Дои:10.1007 / s00253-016-7777-0.
  52. ^ Дубинский, З., Йокиель, П. (1994) «Соотношение потоков энергии и питательных веществ регулирует симбиоз между зооксантеллами и кораллами». Тихоокеанская наука, 48(3): 313–324.
  53. ^ Энтони, К.Р., Клайн, Д.И., Диас-Пулидо, Г., Дав, С., и Хуг-Гулдберг, О. (2008) «Закисление океана вызывает обесцвечивание и потерю продуктивности у строителей коралловых рифов». Труды Национальной академии наук, 105(45): 17442–17446. Дои:10.1073 / pnas.0804478105.
  54. ^ Борн Д.Г., Морроу К.М. и Вебстер, Н. (2016) «Взгляд на микробиом кораллов: поддержание здоровья и устойчивости рифовых экосистем». Ежегодный обзор микробиологии, 70: 317–340. Дои:10.1146 / annurev-micro-102215-095440.
  55. ^ Neave, M.J., Michell, C.T., Apprill, A. и Voolstra, C.R. (2017) «Геномы Endozoicomonas обнаруживают функциональную адаптацию и пластичность бактериальных штаммов, симбиотически связанных с различными морскими хозяевами». Научные отчеты, 7: 40579. Дои:10.1038 / srep40579.
  56. ^ Хьюз, Т.П., Керри, Дж. Т., Альварес-Норьега, М., Альварес-Ромеро, Дж. Г., Андерсон, К. Д., Бэрд, А. Х., Бэбкок, Р. К., Бегер, М., Беллвуд, Д. Р., Беркельманс, Р., Бридж, Т. (2017) «Глобальное потепление и периодическое массовое обесцвечивание кораллов». Природа, 543(7645): 373–377. Дои:10.1038 / природа21707.
  57. ^ Белл, Дж. Дж. (2008) «Функциональные роли морских губок». Эстуарии, прибрежные районы и шельфовые науки, 79(3): 341–353. Дои:10.1016 / j.ecss.2008.05.002.
  58. ^ Вебстер, Н. и Томас Т. (2016) «Гологеном губки». мБио, 7(2). Дои:10.1128 / mBio.00135-16.
  59. ^ Thomas, T., Moitinho-Silva, L., Lurgi, M., Björk, JR, Easson, C., Astudillo-García, C., Olson, JB, Erwin, PM, López-Legentil, S., Luter, Х. и Чавес-Фоннегра, А. (2016) "Разнообразие, структура и конвергентная эволюция глобального микробиома губок". Nature Communications, 7(1): 1-12. Дои:10.1038 / ncomms11870.
  60. ^ Байер К., Шмитт С. и Хентшель У. (2008) "Физиология, филогения и доказательства in situ бактериальных и архейных нитрификаторов в морской губке". Aplysina aerophoba". Экологическая микробиология, 10(11): 2942–2955. Дои:10.1111 / j.1462-2920.2008.01582.x.
  61. ^ Радакс, Р., Хоффманн, Ф., Рапп, Х.Т., Лейнингер, С. и Шлепер, К. (2012) «Археи, окисляющие аммиак, как основные движущие силы нитрификации в губках с холодной водой». Экологическая микробиология, 14(4): 909_923. Дои:10.1111 / j.1462-2920.2011.02661.x.
  62. ^ Zhang, F., Blasiak, L.C., Karolin, J.O., Powell, R.J., Geddes, C.D. и Хилл, Р. (2015) «Секвестрация фосфора в форме полифосфата микробными симбионтами в морских губках». Труды Национальной академии наук, 112(14): 4381–4386. Дои:10.1073 / pnas.1423768112.
  63. ^ Колман, А. (2015) «Губчатые симбионты и морской цикл P». Труды Национальной академии наук, 112(14): 4191–4192. Дои:10.1073 / pnas.1502763112.
  64. ^ Симистер, Р., Тейлор, М.В., Цай, П., Фан, Л., Брюкснер, Т.Дж., Кроу, М.Л. и Вебстер, Н. (2012) "Реакции на термический стресс в бактериальной биосфере губки Большого Барьерного рифа", Rhopaloeides odorabile. Экологическая микробиология, 14(12): 3232–3246. Дои:10.1111/1462-2920.12010.
  65. ^ Морроу, К.М., Борн, Д.Г., Хамфри, К., Ботте, Э.С., Лаффи, П., Заневельд, Дж., Утике, С., Фабрициус, К. и Вебстер, Н. (2015) «Естественные вулканические просачивания CO 2 показывают будущие траектории для ассоциаций хозяев и микробов в кораллах и губках». Журнал ISME, 9(4): 894–908. Дои:10.1038 / ismej.2014.188.
  66. ^ Рибес, М., Кальво, Э., Мовилла, Дж., Логарес, Р., Кома, Р. и Пелехеро, К. (2016) «Реструктуризация микробиома губок способствует устойчивости к закислению океана.. Отчеты по микробиологии окружающей среды, 8(4): 536–544. Дои:10.1111/1758-2229.12430.
  67. ^ Лессер, М.П., ​​Фиоре, К., Слэттери, М., и Заневельд, Дж. (2016) «Стресс-факторы изменения климата дестабилизируют микробиом карибской губки. Xestospongia muta". Журнал экспериментальной морской биологии и экологии, 475: 11–18. Дои:10.1016 / j.jembe.2015.11.004.
  68. ^ а б c Chevrette, M.G., Bratburd, J.R., Currie, C.R., Stubbendieck, R.M. (2019 «Экспериментальные микробиомы: модели без масштабирования». mSystems, 4(4): e00175-19. Дои:10.1128 / mСистем.00175-19.