شناسایی متاژنومیکس چند گونه باکتری همزیست حشرات با استفاده از روش توالی یابی نسل جدید از استان آذربایجان شرقی

کد مقاله : 1851-24IPPC (R2)
نویسندگان
1گروه گیاهپزشکی. دانشکده کشاورزی. دانشگاه تبریز
2گروه گیاهپزشکی دانشکده کشاورزی دانشگاه تبریز
32 گروه گیاهپزشکی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تبریز، تبریز، ایران.
4گروه گیاهپزشکی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد تبریز، تبریز، ایران
چکیده
مطالعات متاژنومیکس این امکان را فراهم ساخته است که بتوان به ترکیب جمعیتی موجودات زنده‏ هرنوع اکوسیستمی باسرعت و دقت بالا وهزینه کمتر دست یافت. درخت سنجد بعنوان درختی بومی آذربایجان در داخل و حاشیه اکثر باغات یافت می‏شود و این امکان وجود دارد که به عنوان مخزنی برای میکروارگانیسم‏های مفید و مضر برای درختان مثمر مجاور عمل کند. بمنظور بررسی جمعیت میکروبی درون‏زیست درختان سنجد بومی آذربایجان شرقی، توالی ژنومی کامل درختان سنجد جمع آوری شده از فضای سبز شهر تبریز به روش next-generation sequencing (NGS) در پلتفروم llumina 1.9 Novaseq 6000 بدست آمد. برای استخراج DNA کل گیاهی، برگ‏ها و شاخه ‏های نرم درختان جدا سازی شده وبا استفاده از ازت مایع کاملا پودر گردید. برای انجام توالی ‏یابی نسل جدید، 100 میکرولیتر از محلول DNA به غلظت 5 میکروگرم در داخل لوله ‏های میکروتیوب کاملا دربسته به شرکت نووژن چین ارسال شد. نهایتا توالی‏ها که بصورت 12 گیگابیت داده خام اولیه و بصورت paired end تعیین توالی شده بودند، دریافت و در مرحله اول کیفیت توالی‏ها بااستفاده از نرم افزار FastQC ارزیابی شدند. سپس برای تعیین ترکیب جمعیت میکروبی موجود در درون شاخ و برگ درختان سنجد، توالی‏ها با استفاده از نرم افزار MetaPhlan2 آنالیز شدند. نتایج نشان داد ژنوم کامل گونه Buchnera aphidicola که گونه باکتریایی درون هم‏زیست شته ها می‌باشد، گونهCandidatus Carsonella ruddii که گونه باکتریایی درون هم‏زیست پسیل‏ها می‌باشد و گونه Candidatus Sulcia muelleri که گونه باکتریایی درون هم‏زیست زنجرک‌ها می‏باشد به ترتیب به میزان 4/2، 4 و 0/1 درصد جمعیت میکروبی توالی‏ یابی شده را تشکیل می‏دهند. لذا ژنوم مرجع این باکتری‌های همزیست از NCBI اخذ شده و بااستفاده از نرم افزار Bowtie2 بر روی توالی‏های خام اولیه هم‏ترازسازی شد. سپس هم‏گذاری توالی‏ها انجام شده و ژنوم‌های باکتریایی بصورت کانتیگ استخراج شدند. در نهایت ژنوم کامل باکتری‏های همزیست حشرات Buchnera aphidicola به اندازهbp 657623، گونه Ca. Sulcia muelleri به اندازه bp 270516 و گونه Ca. Carsonella ruddii به اندازهbp 175756 از توالی‏های خام سنجد جداسازی شده و در پایگاه اطلاعاتی NCBI برای اولین بار از ایران ثبت شدند. علاوه بر این، بخشی از توالی‌ ژنوم های باکتری‌های همزیست حشرات Regiella insecticola، Ca. Zinderia insecticola، Ca. Portiera aleyrodidarum و Serratia symbiotica نیز در داخل توالی خام بدست آمده از سنجد ردیابی شدند. استخراج ژنوم باکتری‌های همزیست حشرات از ژنوم گیاهی بیانگر این بود که بقایای حشرات کامل یا لارو و تخم آنها به‌ویژه شته‌ها در زمان نمونه‏ برداری بر روی شاخ وبرگ درختان سنجد حضور داشته‏ اند و DNA این باکتری‌ها در کنار DNA سنجد استخراج و تعیین توالی شده است. نتایج بدست آمده از این تحقیق نشان داد که روش توالی یابی نسل جدید روشی بسیار سودمند برای تعیین جمعیت میکروبی موجود برروی شاخ و برگ درختان و سایر محیط های زیستی می‏باشد.
کلیدواژه ها
 
Title
Metagenomics identification of several insect endosymbiotic bacteria using Next-generation sequencing in the East Azerbaijan province
Authors
Leila Zirak, Reza Khakvar, Sevil Nematolahi, Nadia Azizpour
Abstract
Metagenomics studies have made it possible to achieve the population composition of living organisms of any ecosystem with high accuracy at a lower cost and at high speed. Russian olive trees are found as a native tree of Azerbaijan in and around most of the orchards of this region and it is possible to act as a reservoir for beneficial and harmful microorganisms for nearby fruit trees. In order to study the microbial population on the foliage of Russian olive trees, native to East Azerbaijan, the whole genome sequence of Russian olive trees collected from Tabriz city green space was obtained by next-generation sequencing (NGS) using llumina 1.9 Novaseq 6000 platform. To extract total DNA, the leaves and soft branches were separated and completely powdered using liquid nitrogen without surface disinfection. For Next-generation sequencing, 100 μl of DNA solution at a concentration of 5 μg/μl, was sent in completely closed vials to Novogen company, China. Finally, the paired end sequences were received as 12 GB of raw data. In the first step, the quality of the sequences was evaluated using FastQC software. Then, to determine the composition of the microbial population on the Russian olive trees branches and leaves, the sequences were analyzed using MetaPhlan2 software. The results indicated that the complete genome of Buchnera aphidicola, which is an endosymbiotic bacteria associated with aphids, Candidatus Carsonella ruddii, which is an endosymbiotic bacteria associated with psyllids and Candidatus Sulcia muelleri which is an endosymbiotic bacteria associated with leafhoppers were respectively comprised 4.2%, 4% and 0.1% of the total microbial population on Russian olive trees. Therefore, the reference genome of these endosymbiotic bacteria was obtained from NCBI and was mapped on the primary raw sequence using Bowtie2 software. Sequences were then assembled and bacterial genomes were extracted as contigs. Finally, the complete genome of Buchnera aphidicola in 657623 bp size, Ca. Sulcia muelleri in 270516 bp size and Ca. Carsonella ruddii in 175756 bp size were derived from the raw sequences and recorded in the NCBI database for first time from Iran. In addition to the complete genome of these three endosymbiotic bacteria, partial genomes of other endosymbiotic bacteria including Regiella insecticola, Ca. Zinderia insecticola, Can. Portiera aleyrodidarum and Serratia symbiotica were also predicted within the raw sequences. Genomic characterization of insect endosymbiotic bacteria associated with Russian olive trees showed that insects or their larvae and eggs, especially aphids, were present on Russian olive foliage at the time of sampling and DNA of endosymbiotic bacteria has been extracted and sequenced along with Russian olive DNA. The results of this study indicated that the next-generation sequencing is a very useful method to determine the microbial population on tree foliage and other living environments.
Keywords
endosymbiotic bacteria, NGS, Buchnera aphidicola, Ca. Carsonella ruddii, Ca. Sulcia muelleri