Dietary Biopolymers : Fermentation Potentials of a Primitive Gut Ecosystem

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Zeibich, Lydia:
Dietary Biopolymers : Fermentation Potentials of a Primitive Gut Ecosystem.
Bayreuth , 2019 . - XVIII, 337 S.
( Dissertation, 2019 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Gut microbial communities are of interest because of their importance to animal development and health. The alimentary canal of the earthworm is representative of primitive gut ecosystems, and gut fermenters capable of degrading ingested biomass-derived biopolymers might contribute to the environmental impact and survival of this important terrestrial invertebrate. However, relatively little is known about the capacity of fermentative microbes in the earthworm gut to utilize such biopolymers. Thus, the work described in this dissertation evaluated the hypothesis that the gut microbiota of the model earthworm L. terrestris hydrolyze and ferment diverse dietary plant- and microbial-derived biopolymers. Structural polysaccharides had a marginal impact on the fermentation in anoxic gut content treatments. In marked contrast, nonstructural polysaccharides greatly enhanced the formation of diverse fermentation products and stimulated Aeromonadaceae and Enterobacteriaceae. Although the experimental design required a 1:10 dilution of the gut contents, comparative analysis of the fermentative community in diluted und undiluted gut contents indicated that the dilution did not cause a major disturbance of the system. The disruption of ingested plant and microbial cells by the earthworm gizzard and other lytic events introduces protein and RNA in the anoxic alimentary canal of earthworms. Yeast cell lysate, as proof-of principle, augmented the production of H2, CO2, and diverse fatty acids in anoxic gut content microcosms, indicating that the cell lysate triggered diverse fermentations. Likewise, protein and RNA enhanced fermentations in gut contents and yielded contrasting product profile. The combined product profile of protein and RNA treatments was similar to that of cell lysate treatments, and 16S rRNA gene- and 16S rRNA-based analyses indicated that many taxa that responded to cell lysate were similar to taxa that responded to protein or RNA. To further resolve protein- and RNA-derived fermentations, amino acids and ribose were evaluated as potential drivers of fermentation in gut content of the model earthworm L. terrestris. Of eight amino acids tested, glutamate, aspartate, and threonine were most stimulatory and yielded dissimilar fermentations facilitated by contrasting taxa. Ribose yielded a complex fermentation profile primarily produced by the Aeromonadaceae. Although theoretical considerations suggest that most microbes in the earthworm gut are likely ingested and transient, the non-responsiveness of soil microbes to a specific ‘high quality’ gut substrate and anoxia has made it difficult to demonstrate that responsive gut fermenters are derived from soil. Therefore, soil and gut content of L. terrestris were further examined for their fermentative capabilities. In unsupplemented anoxic treatments, fermentation was negligible with soil but rapid with gut content. However, both soil and gut content facilitated similar fermentations when challenged with complex nutrients, and the responsive fermentative taxa this treatments displayed marked similarities, indicating that (a) most of the fermentative taxa in the gut originate from ingested soil, and (b) detectable differences between the fermentative taxa in soil and gut contents were in part caused by the nutrient-dependent metabolic status of the community members. Mycoplasmataceae-affiliated phylotypes that might be symbionts of the earthworm displayed essentially no positive response to any supplemental nutrient, suggesting their occurrence in the earthworm is dependent on host specific factors. In this regard, the occurrence of these phylotypes shifted in response to the dietary substrate of the earthworm. In conclusion, the findings in this dissertation demonstrate that ingested fermentative gut microbes of the earthworm are poised to respond rapidly to nonstructural polysaccharides, protein, and RNA, biopolymers that can be derived from disrupted biomass. The marked ability of gut fermenters to utilize constituents derived from the hydrolysis of these biopolymers suggest that they compete with the earthworm for these biopolymer constituents (a negative symbiosis) and also produce fatty acids that can be utilized by the earthworm (a positive symbiosis). These complex microbe-host interactions illustrate that biopolymer-driven gut fermentations are likely functionally linked to the development and health of this invertebrate.

Abstract in weiterer Sprache

Mikrobielle Darmgemeinschaften haben in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer tragenden Rolle in der Entwicklung und Gesundheit von Mensch und Tier großes wissenschaftliches Interesse erlangt. Der Verdauungstrakt des Regenwurms repräsentiert ein archaisches Modeldarmökosystem und die assoziierten fermentativen Bakterien, welche theoretisch in der Lage sind, diverse Biopolymere der inkorporierten Biomasse abzubauen, tragen höchstwahrscheinlich zum Umwelteinfluss und Überleben dieses wichtigen terrestrischen Invertebraten bei. Obwohl die Aktivität der Regenwürmer im Boden von besonderer Bedeutung ist, ist nur wenig bekannt über die fermentative Fähigkeit der Darmmikrobiota, vom Regenwurm aufgenommene, mikrobielle und pflanzliche Biopolymere zu hydrolysieren und zu fermentieren. Daher wurden im Rahmen zahlreicher Studien die Fähigkeiten der Darmmikrobiota untersucht, diät-relevante Biopolymere zu nutzen. Strukturelle Polysaccharide hatten nur einen geringen Einfluss auf die Fermentation in den anoxischen Darminhalt-Mikrokosmen. Im Gegensatz dazu stimulierten nicht-strukturelle Polysaccharide (a) die Bildung verschiedener Fermentationsprodukte und (b) die fakultativ-aeroben Familien Aeromonadaceae sowie Enterobacteriaceae erheblich. Obwohl das experimentelle Design eine 1:10 Verdünnung erforderte, konnte durch den Vergleich der fermentativen Mikroorganismen und deren Aktivitäten in verdünnten und unverdünnten Darminhalten gezeigt werden, dass die Verdünnung keine nennenswerte Störung des Systems verursachte. Die Zerkleinerung von aufgenommenen größeren Pflanzen- und Microben-Zellen durch den Regenwurmgizzard und anderen lytischen Ereignissen führt zur Freisetzung verschiedenster Nährstoffe im Verdauungstrakt, unter anderem großer Mengen an Protein und RNA. Als „Proof of Principle“ wurde Hefezelllysat zu anoxischen Darminhalt-Mikrokosmen gegeben. Das Lysat führte zu einer starken Stimulation der fermentativen Prozesse, was an der erhöhten Produktion von H2, CO2 und diversen Fettsäuren zu erkennen war. Ebenso steigerten Protein und RNA die Darmfermentation und führten zu unterschiedlichen Fermentationsprofilen. Das kombinierte Produktprofil von den Mikrokosmen mit Protein oder RNA war ähnlich dem Fermentationsprofil der Mikrokosmen mit Hefezelllysat. Des Weiteren zeigte die 16S rRNA Gen und 16S rRNA Analyse, dass viele Taxa, die vom Zelllysat stimuliert wurden, auch positiv auf Protein oder RNA reagierten. Für die weitere Aufklärung der Protein- und RNA-stimulierten Fermentationen im anoxischen Regenwurmdarm wurden verschiedene Aminosäuren und Ribose als potenziell-stimulierende Treiber der Fermentationen evaluiert. Von acht getesteten Aminosäuren stimulierten vor allem Glutamat, Aspartat und Threonin die Fermentation am meisten/stärksten und führten zu unterschiedlichen Fermentationsprofilen assoziiert mit unterschiedlichen Taxa. Mikrokosmen mit Ribose zeigten ebenfalls ein komplexes Fermentationsprofil, welches hauptsächlich von den Aeromonadaceae gebildet wurde. Obwohl theoretische Überlegungen darauf hindeuten, dass sich die Mehrheit der aufgenommenen Bodenmikroben nur vorrübergehend im Regenwurmdarm befinden und somit nicht regenwurm-spezifisch sind, war der Nachweis aufgrund einer zu geringen metabolischen Reaktion der Bodenmikroorganismen zu Anoxia und hochwertigen endogenen Nährstoffen bisher jedoch schwierig. Um die fermentativen Fähigkeiten von Mikroben in Boden und Darminhalt von L. terrestris untersuchen zu können, wurden beide mit einem nährstoffreichen komplexen Substrat versetzt. Die Fermentation in den Boden-Mikrokosmen war ohne zusätzliches komplexes Substrat - im Gegensatz zu den Darminhalt-Mikrokosmen - erwartungsgemäß sehr schwach. Wurde jedoch Hefeextrakt zu Boden und Darminhalt gegeben, zeigten beide Mikrokosmen starke und ähnliche fermentative Reaktionen und die stimulierten dominanten Phylotypen waren in beiden Mikrokosmen nahezu identisch. Daran wurde deutlich, dass die Mehrheit der fermentativen Darmbakterien im Regenwurm vom inkorporiertem Boden abstammt und die detektierten Unterschiede zwischen den Mikroben im Boden und im Darminhalt teilweise durch den metabolischen Status der einzelnen Taxa entstanden sind. Mycoplasmataceae-verwandte Phylotypen, welche hochwahrscheinlich Symbionten des Regenwurms sind, wurden von keinem der verschiedenen zugegebenen Substrate stimuliert. Dies deutete darauf hin, dass deren Vorkommen im Regenwurm von Host spezifischen Faktoren abhängt. Dementsprechend führten verschiedene Substrate, auf dem die Regenwürmer gehalten wurden, zu unterschiedlichen Reaktionen dieser Phylotypen. Die Hauptergebnisse dieser Dissertation verdeutlichen, dass die vom Regenwurm aufgenommene fermentative Darmmikroben bereit sind, schnell auf nichtstrukturelle Polysaccharide, Protein und RNA von zerkleinerter Biomasse zu reagieren. Die ausgesprochene Fähigkeit der Darmfermentierer, die von der Hydrolyse stammenden Bestandteile dieser Biopolymere zu verwerten, deutet darauf hin, dass sie mit dem Regenwurm um die Produkte der Hydrolyse konkurrieren (negative Symbiose) und gleichzeitig Fermentationsprodukte bilden, welche vom Regenwurm genutzt werden können (positive Symbiose). Diese komplexen Mikrob-Wirt-Interaktionen illustrieren, dass die biopolymer-getriebenen Darmfermentationen höchstwahrscheinlich funktionell mit der Entwicklung und Gesundheit dieses Invertebraten zusammenhängen.