actabiomedicaActa Biomedica ScientificaActa Biomedica Scientifica2541-94202587-9596Scientific Centre for Family Health and Human Reproduction Problems10.29413/ABS.2022-7.3.4actabiomedica-3544Research ArticleБИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНСКАЯ БИОЛОГИЯBIOLOGY AND MEDICAL BIOLOGYСравнение состава и метаболического потенциала микробиома рубца северных оленей в Ямало-Ненецком и Ненецком автономных округах Российской АрктикиComparison of the composition and metabolic potential of the reindeer’s rumen microbiome in the Yamal-Nenets and Nenets autonomous district of the Russian Arctichttps://orcid.org/0000-0002-4336-8273ПономареваЕ. С.PonomarevaE. S.

 биотехнолог молекулярно-генетической лаборатории 

196602, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, 8, лит. А, пом. 7-Н, Россия

 Biotechnologist at the Molecular Genetic Laboratory

 Malinovskaya str. 8, lit. A, St. Petersburg, Pushkin 196602, Russian Federation

 

kate@biotrof.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5846-5105ЙылдырымЕ. А.YildirimE. A.

 доктор биологических наук, главный биотехнолог молекулярно-генетической лаборатории; профессор кафедры крупного животноводства

196602, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, 8, лит. А, пом. 7-Н, Россия

196601, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, 2, Россия

 Dr. Sc. (Biol.), Chief Biotechnologist at the Molecular Genetic Laboratory; Professor at the Department of Large Animal Husbandry

 Malinovskaya str. 8, lit. A, St. Petersburg, Pushkin 196602, Russian Federation

 Petersburgskoye highway 2, Saint-Petersburg, Pushkin 196601, Russian Federation 

deniz@biotrof.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8789-9837ФилипповаВ. А.FilippovaV. A.

 биотехнолог молекулярно-генетической лаборатории; заведующий лабораторией кафедры крупного  животноводства

196602, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, 8, лит. А, пом. 7-Н, Россия

196601, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, 2, Россия

 Biotechnologist at the Molecular Genetic Laboratory; Head of the Laboratory of the Department of Large Animal Husbandry 

 Malinovskaya str. 8, lit. A, St. Petersburg, Pushkin 196602, Russian Federation

Petersburgskoye highway 2, Saint-Petersburg, Pushkin 196601, Russian Federation 

filippova@biotrof.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2789-4844ИльинаЛ. А.IlinaL. A.

 кандидат биологических наук, начальник молекулярно-генетической лаборатории; доцент кафедры крупного животноводства 

196602, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, 8, лит. А, пом. 7-Н, Россия

196601, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, 2, Россия

 Cand. Sc. (Biol.), Head of the Molecular Genetic Laboratory; Associate Professor at the Department of Large Animal Husbandry 

 Malinovskaya str. 8, lit. A, St. Petersburg, Pushkin 196602, Russian Federation

Petersburgskoye highway 2, Saint-Petersburg, Pushkin 196601, Russian Federation 

ilina@biotrof.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8424-4114ДубровинА. В.DubrowinA. V.

 кандидат ветеринарных наук, биотехнолог молекулярно-генетической лаборатории

196602, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, 8, лит. А, пом. 7-Н, Россия

 Cand. Sc. (Vet.), Biotechnologist at the Molecular Genetic Laboratory 

 Malinovskaya str. 8, lit. A, St. Petersburg, Pushkin 196602, Russian Federation

dubrovin@biotrof.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8795-6659ЛаптевГ. Ю.LaptevG. Y.

 доктор биологических наук, директор 

196602, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, 8, лит. А, пом. 7-Н, Россия

 Dr. Sc. (Biol.), Head  

 Malinovskaya str. 8, lit. A, St. Petersburg, Pushkin 196602, Russian Federation

laptev@biotrof.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9541-6839КалиткинаК. А.KalitkinaK. A.

 биотехнолог молекулярно-генетической лаборатории; студент кафедры крупного животноводства (направления «Зоотехния», магистерская программа «Селекция в частной зоотехнии»)

196602, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, 8, лит. А, пом. 7-Н, Россия

196601, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, 2, Россия

 Biotechnologist of the Molecular Genetic Laboratory; Student at the Department of Large Animal Husbandry (directions “Zootechny”, master’s program “Selection in Zootechny”) 

 Malinovskaya str. 8, lit. A, St. Petersburg, Pushkin 196602, Russian Federation

Petersburgskoye highway 2, Saint-Petersburg, Pushkin 196601, Russian Federation 

kseniya.k.a@biotrof.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3918-0948ДуняшевТ. П.DunyashevT. P.

 биотехнолог молекулярно-генетической лаборатории

196602, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, 8, лит. А, пом. 7-Н, Россия

Biotechnologist at the Molecular Genetic Laboratory

 Malinovskaya str. 8, lit. A, St. Petersburg, Pushkin 196602, Russian Federation

timur@biotrof.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9001-2432ТюринаД. Г.TiurinaD. G.

 кандидат экономических наук, заместитель директора по финансам

196602, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, ул. Малиновская, 8, лит. А, пом. 7-Н, Россия

 Cand. Sc. (Econom.), Deputy Director for Finances 

 Malinovskaya str. 8, lit. A, St. Petersburg, Pushkin 196602, Russian Federation 

tiurina@biotrof.ruООО «БИОТРОФ»LLC BiotrofООО «БИОТРОФ»; ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»LLC Biotrof; Saint-Petersburg State Agrarian University 202205072022733037Copyright © Пономарева Е.С., Йылдырым Е.А., Филиппова В.А., Ильина Л.А., Дубровин А.В., Лаптев Г.Ю., Калиткина К.А., Дуняшев Т.П., Тюрина Д.Г., 20222022Пономарева Е.С., Йылдырым Е.А., Филиппова В.А., Ильина Л.А., Дубровин А.В., Лаптев Г.Ю., Калиткина К.А., Дуняшев Т.П., Тюрина Д.Г.Ponomareva E.S., Yildirim E.A., Filippova V.A., Ilina L.A., Dubrowin A.V., Laptev G.Y., Kalitkina K.A., Dunyashev T.P., Tiurina D.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.actabiomedica.ru/jour/article/view/3544

Адаптивная способность северных оленей к суровым условиям Российской Арктики не определяется исключительно геномом макроорганизма и, безусловно, включает обширный генетический и метаболический репертуар микробиома.Целью исследования было сравнение таксономических и прогнозируемых метаболических профилей микробиома рубца взрослых особей северных оленей, обитающих на естественных пастбищах Ямало-Ненецкого и Ненецкого автономных округов Российской Федерации.Материалы и методы. Для отбора проб рубца были проведены экспедиции в Ямало-Ненецкий и Ненецкий АО Российской Арктики в 2017 г. Был проведён отбор образцов, которые представляли собой содержимое рубца от клинически здоровых особей северного оленя (не менее 3-кратной повторности среди животных-аналогов). Для анализа микробиоты рубца животных и определения метаболических профилей было проведено 16S rRNA NGSсеквенирование на приборе MiSeq (Illumina, США). Биоинформатический анализ данных выполняли с помощью программного обеспечения QIIME2 ver. 2020.8. Фильтрацию шумовых последовательностей проводили методом DADA2. Для анализа таксономии использовали справочную базу данных Silva 138. Реконструкцию и прогнозирование функционального содержания метагенома осуществляли при помощи программного комплекса PICRUSt2 (v. 2.3.0).Результаты. При проведении NGS-секвенирования было изучено в общей сложности 223 768 последовательностей гена 16S рРНК микробиома рубца северных оленей. Выявлены существенные (p ≤ 0,05) различия между группами по 10 бактериальным филумам и суперфилумам: Actinobacteriota, Spirochaetes, Chloroflexi, Verrucomicrobia, Bdellovibrionota, Synergistetes, Fusobacteriota, Myxococcota, Cyanobacteria, Campilobacterota. Результаты реконструкции и прогнозировании функционального содержания метагенома с применением биоинформатического анализа PICRUSt2 позволили выявить 328 потенциальных метаболических пути. Отличия между группами выявлены по 16 прогнозируемым метаболическим путям, среди которых доминировали пути биосинтеза хлорофиллида и аминокислот.

The adaptive ability of reindeer to the harsh conditions of the Russian Arctic is not determined solely by the genome of the macroorganism and, of course, includes an extensive genetic and metabolic repertoire of the microbiome.The aim. To compare the taxonomic and predicted metabolic profiles of the rumen microbiome of adult reindeer living in the natural pastures of the Yamalo-Nenets and Nenets Autonomous districts of the Russian Federation.Materials and methods. Expeditions to the Yamal-Nenets and Nenets Autonomous districts of the Russian Arctic in 2017 were carried out to take samples of the rumen. The contents of the rumen were taken from clinically healthy reindeer individuals (at least 3 times repetition). To analyze the animal scar microbiota and determine metabolic profiles, 16S rRNA NGS sequencing was performed on a MiSeq device (Illumina, USA). Bioinformatic data analysis was performed using QIIME2 software ver. 2020.8. The noise sequences were filtered by DADA2. Silva 138 reference database was used for taxonomy analysis. Reconstruction and prediction of the functional content of the metagenome was carried out using the software complex PICRUSt2 (v. 2.3.0).Results. During NGS sequencing, a total of 223 768 sequences of the 16S rRNA gene of the reindeer scarring microbiome were studied. Significant (p ≤ 0.05) differences between the groups in 10 bacterial phyla and superphyla were revealed: Actinobacteriota, Spirochaetes, Chloroflexi, Verrucomicrobia, Bdellovibrionota, Synergistetes, Fusobacteriota, Myxococcota, Cyanobacteria, Campilobacterota. The results of the reconstruction and prediction of the functional content of the metagenome using the PICRUSt2 bioinformatic analysis made it possible to identify 328 potential metabolic pathways. Differences between the groups were revealed in 16 predicted metabolic pathways, among which the pathways of chlorophyllide and amino acid biosynthesis dominated.

микробиотарубецметаболические путисеквенирование нового поколенияRangifer tarandusmicrobiotarumenmetabolic pathwaysNext Generation SequencingRangifer tarandusИсследование выполнено при поддержке гранта РНФ № 17-76-20026.ReferencesБуркин А.А., Кононенко Г.П. Особенности накопления микотоксинов в лишайниках. Прикладная биохимия и микробиология. 2013; 5(49): 522-530. doi: 10.7868/S0555109913050036Burkin AA, Kononenko GP. Features of mycotoxin accumulation in lichens. Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya. 2013; 5(49): 522-530. (In Russ.). doi: 10.7868/S0555109913050036Йылдырым Е.А., Ильина Л.А., Лайшев К.А., Филиппова В.А., Дубровин А.В., Дуняшев Т.П. и др. Распространение микотоксинов в кормах летнего пастбищного рациона Rangifer tarandus в арктической зоне России. Сельскохозяйственная биология. 2018; 53(4): 779-786. doi: 10.15389/agrobiology.2018.4.779rusYildirim EA, Ilyina LA, Laishev KA, Filippova VA, Dubrovin AV, Dunyashev TP, et al. Distribution of mycotoxins in the feed of the summer pasture diet Rangifer tarandus in the Arctic zone of Russia. Sel’skokhozyaistvennaya biologiya. 2018; 53(4): 779-786. (In Russ.). doi: 10.15389/agrobiology.2018.4.779rusSundset MA, Edwards JE, Cheng YF, Senosiain RS, Fraile MN, Northwood KS, et al. Molecular diversity of the rumen microbiome of Norwegian reindeer on natural summer pasture. Microb Ecol. 2009; 57(2): 335-348. doi: 10.1007/s00248-008-9414-7Sundset MA, Edwards JE, Cheng YF, Senosiain RS, Fraile MN, Northwood KS, et al. Molecular diversity of the rumen microbiome of Norwegian reindeer on natural summer pasture. Microb Ecol. 2009; 57(2): 335-348. doi: 10.1007/s00248-008-9414-7Kingsbury JM. Poisonous plants of the United States and Canada. 3rd ed. NJ, Prentice Hall; 1964.Kingsbury JM. Poisonous plants of the United States and Canada. 3rd ed. NJ, Prentice Hall; 1964.Allison MJ, Mayberry WR, Mcsweeney CS, Stahl DA. Synergistes jonesii, gen. nov., sp. nov.: A rumen bacterium that degrades toxic pyridinediols. Syst Appl Microbiol. 1992; 15(4): 522-529. doi: 10.1016/S0723-2020(11)80111-6Allison MJ, Mayberry WR, Mcsweeney CS, Stahl DA. Synergistes jonesii, gen. nov., sp. nov.: A rumen bacterium that degrades toxic pyridinediols. Syst Appl Microbiol. 1992; 15(4): 522-529. doi: 10.1016/S0723-2020(11)80111-6QIIME 2 user documentation. URL: https://docs.qiime2.org/2020.8/ [date of access: 15.03. 2022].QIIME 2 user documentation. URL: https://docs.qiime2.org/2020.8/ [date of access: 15.03. 2022].DADA2 Pipeline Tutorial. URL: https://benjjneb.github.io/dada2/tutorial.html/ [date of access: 15.03.2022].DADA2 Pipeline Tutorial. URL: https://benjjneb.github.io/dada2/tutorial.html/ [date of access: 15.03.2022].PICRUsT2 Pipeline Tutorial. URL: https://github.com/picrust/picrust2/ [date of access: 15.03.2022].PICRUsT2 Pipeline Tutorial. URL: https://github.com/picrust/picrust2/ [date of access: 15.03.2022].Phantasus (v1.11.0) user documentation. URL: https://artyomovlab.wustl.edu/phantasus/ [date of access: 15.03.2022].Phantasus (v1.11.0) user documentation. URL: https://artyomovlab.wustl.edu/phantasus/ [date of access: 15.03.2022].Pope PB, Mackenzie AK, Gregor I, Smith W, Sundset MA, McHardy AC, et al. Metagenomics of the Svalbard reindeer rumen microbiome reveals abundance of polysaccharide utilization loci. PLoS One. 2012; 7(6): e38571. doi: 10.1371/journal.pone.0038571Pope PB, Mackenzie AK, Gregor I, Smith W, Sundset MA, McHardy AC, et al. Metagenomics of the Svalbard reindeer rumen microbiome reveals abundance of polysaccharide utilization loci. PLoS One. 2012; 7(6): e38571. doi: 10.1371/journal.pone.0038571Salgado-Flores A, Hagen LH, Ishaq SL, Zamanzadeh M, Wright AD, Pope PB, et al. Rumen and cecum microbiomes in reindeer (Rangifer tarandus tarandus) are changed in response to a lichen diet and may affect enteric methane emissions. PLoS One. 2016 11(5): 155-213. doi: 10.1371/journal.pone.0155213Salgado-Flores A, Hagen LH, Ishaq SL, Zamanzadeh M, Wright AD, Pope PB, et al. Rumen and cecum microbiomes in reindeer (Rangifer tarandus tarandus) are changed in response to a lichen diet and may affect enteric methane emissions. PLoS One. 2016 11(5): 155-213. doi: 10.1371/journal.pone.0155213Bergmann GT, Bates ST, Eilers KG, Lauber CL, Caporaso JG, Walters WA, et al. The under-recognized dominance of Verrucomicrobia in soil bacterial communities. Soil Biol Biochem. 2011; 43(7): 1450-1455. doi: 10.1016/j.soilbio.2011.03.012Bergmann GT, Bates ST, Eilers KG, Lauber CL, Caporaso JG, Walters WA, et al. The under-recognized dominance of Verrucomicrobia in soil bacterial communities. Soil Biol Biochem. 2011; 43(7): 1450-1455. doi: 10.1016/j.soilbio.2011.03.012Tadepalli S, Narayanan SK, Stewart GC, Chengappa MM, Nagaraja TG. Fusobacterium necrophorum: A ruminal bacterium that invades liver to cause abscesses in cattle. Anaerobe. 2009; 15(1-2): 36-43. doi: 10.1016/j.anaerobe.2008.05.005Tadepalli S, Narayanan SK, Stewart GC, Chengappa MM, Nagaraja TG. Fusobacterium necrophorum: A ruminal bacterium that invades liver to cause abscesses in cattle. Anaerobe. 2009; 15(1-2): 36-43. doi: 10.1016/j.anaerobe.2008.05.005Казановский Е.С., Карабанов В.П., Клебенсон К.А. Болезни северных оленей (ветеринарный практикум). Сыктывкар; 2011.Kazanovskiy ES, Karabanov VP, Klebenson KA. Reindeer diseases. Syktyvkar; 2011. (In Russ.).Lee JI, McLaren AJ, Lymbery AJ, Hampson DJ. Human intestinal spirochetes are distinct from Serpulina hyodysenteriae. J Clin Microbiol. 1993; 31(1): 16-21. doi: 10.1128/jcm.31.1.16-21.1993Lee JI, McLaren AJ, Lymbery AJ, Hampson DJ. Human intestinal spirochetes are distinct from Serpulina hyodysenteriae. J Clin Microbiol. 1993; 31(1): 16-21. doi: 10.1128/jcm.31.1.16-21.1993Lee JI, Hampson DJ. Intestinal spirochaetes colonizing aborigines from communities in the remote north of Western Australia. Epidemiol Infect. 1992; 109(1): 133-141.Lee JI, Hampson DJ. Intestinal spirochaetes colonizing aborigines from communities in the remote north of Western Australia. Epidemiol Infect. 1992; 109(1): 133-141.Kopečná J, Sobotka R, Komenda J. Inhibition of chlorophyll biosynthesis at the protochlorophyllide reduction step results in the parallel depletion of Photosystem I and Photosystem II in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. Planta. 2013; 237(2): 497-508. doi: 10.1007/s00425-012-1761-4Kopečná J, Sobotka R, Komenda J. Inhibition of chlorophyll biosynthesis at the protochlorophyllide reduction step results in the parallel depletion of Photosystem I and Photosystem II in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. Planta. 2013; 237(2): 497-508. doi: 10.1007/s00425-012-1761-4

The authors declare that there are no conflicts of interest present.