• Energy Research

Les fourmis coupeuses de feuilles utilisent du matériel végétal frais pour cultiver un champignon mutualiste qui sert de principale source de nourriture aux fourmis. Dans les jardins de champignons, divers composés végétaux sont métabolisés et transformés en nutriments adaptés à la consommation de fourmis. Cette association symbiotique produit une grande quantité de déchets constitués principalement de matériel végétal partiellement dégradé. Une colonie de fourmis coupeuses de feuilles est ainsi divisée en deux environnements spatialement et chimiquement distincts qui représentent ensemble un gradient de dégradation de la biomasse végétale. On sait peu de choses sur la structure de la communauté microbienne dans les jardins et les décharges ou sur la variation entre les colonies de laboratoire et les colonies de terrain. En utilisant l'analyse des lipides de la membrane microbienne et une variété de paramètres communautaires, nous avons évalué et comparé le microbiote des jardins de champignons et des décharges de déchets des colonies entretenues en laboratoire et collectées sur le terrain. Nous avons constaté que les jardins contenaient une communauté de microbes diversifiée et cohérente, dominée par les bactéries à Gram négatif, en particulier les gamma-protéobactéries et les bactéroïdètes. Ces résultats étaient cohérents dans les jardins de laboratoire et de plein champ, ainsi que chez les taxons de fourmis hôtes. En revanche, les décharges ont été enrichies en bactéries Gram-positives et anaérobies. Les analyses de regroupement à grande échelle ont révélé que la relation communautaire entre les échantillons reflétait la composante du système (jardins/décharges) plutôt que la source de la colonie (laboratoire/champ). À des échelles plus fines, les échantillons sont regroupés en fonction de la source de la colonie. Nous présentons ici la première analyse comparative du microbiote des colonies de fourmis coupeuses de feuilles. Notre travail révèle la présence de deux communautés distinctes : l'une dans le jardin des champignons et l'autre dans le dépotoir. Bien que nous trouvions un certain effet de la source de la colonie sur la structure de la communauté, nos données indiquent la présence de microbes systématiquement associés dans les jardins et les décharges. La composition du substrat et la composante du système semblent être le facteur le plus important dans la structuration des communautés microbiennes. Ces résultats suggèrent donc que les communautés résidentes sont façonnées par le gradient de dégradation des plantes créé par le comportement des fourmis, en particulier leur fongiculture et leur gestion des déchets. Las hormigas cortadoras de hojas usan material vegetal fresco para cultivar un hongo mutualista que sirve como la principal fuente de alimento de las hormigas. Dentro de los jardines de hongos, varios compuestos vegetales se metabolizan y transforman en nutrientes adecuados para el consumo de hormigas. Esta asociación simbiótica produce una gran cantidad de residuos que consisten principalmente en material vegetal parcialmente degradado. Por lo tanto, una colonia de hormigas cortadoras de hojas se divide en dos entornos espacial y químicamente distintos que juntos representan un gradiente de degradación de la biomasa vegetal. Se sabe poco sobre la estructura de la comunidad microbiana en jardines y vertederos o la variación entre las colonias de laboratorio y de campo. Utilizando el análisis de lípidos de la membrana microbiana y una variedad de métricas de la comunidad, evaluamos y comparamos la microbiota de los jardines de hongos y los vertederos de desechos de las colonias mantenidas en el laboratorio y recolectadas en el campo. Descubrimos que los jardines contenían una comunidad diversa y consistente de microbios, dominada por bacterias Gram-negativas, particularmente gamma-Proteobacterias y Bacteroidetes. Estos hallazgos fueron consistentes en los jardines de laboratorio y de campo, así como en los taxones de hormigas anfitrionas. Por el contrario, los vertederos se enriquecieron con bacterias grampositivas y anaeróbicas. Los análisis de agrupamiento a gran escala revelaron que la relación de la comunidad entre las muestras reflejaba el componente del sistema (jardines/vertederos) en lugar de la fuente de la colonia (laboratorio/campo). A escalas más finas, las muestras se agruparon según la fuente de la colonia. Aquí informamos el primer análisis comparativo de la microbiota de las colonias de hormigas cortadoras de hojas. Nuestro trabajo revela la presencia de dos comunidades distintas: una en el jardín de hongos y la otra en el vertedero de basura. Aunque encontramos algún efecto de la fuente de la colonia en la estructura de la comunidad, nuestros datos indican la presencia de microbios asociados consistentemente dentro de jardines y vertederos. La composición del sustrato y el componente del sistema parecen ser el factor más importante en la estructuración de las comunidades microbianas. Por lo tanto, estos resultados sugieren que las comunidades residentes están conformadas por el gradiente de degradación de las plantas creado por el comportamiento de las hormigas, específicamente su fungicultura y manejo de desechos. Leaf-cutter ants use fresh plant material to grow a mutualistic fungus that serves as the ants' primary food source. Within fungus gardens, various plant compounds are metabolized and transformed into nutrients suitable for ant consumption. This symbiotic association produces a large amount of refuse consisting primarily of partly degraded plant material. A leaf-cutter ant colony is thus divided into two spatially and chemically distinct environments that together represent a plant biomass degradation gradient. Little is known about the microbial community structure in gardens and dumps or variation between lab and field colonies.Using microbial membrane lipid analysis and a variety of community metrics, we assessed and compared the microbiota of fungus gardens and refuse dumps from both laboratory-maintained and field-collected colonies. We found that gardens contained a diverse and consistent community of microbes, dominated by Gram-negative bacteria, particularly gamma-Proteobacteria and Bacteroidetes. These findings were consistent across lab and field gardens, as well as host ant taxa. In contrast, dumps were enriched for Gram-positive and anaerobic bacteria. Broad-scale clustering analyses revealed that community relatedness between samples reflected system component (gardens/dumps) rather than colony source (lab/field). At finer scales samples clustered according to colony source.Here we report the first comparative analysis of the microbiota from leaf-cutter ant colonies. Our work reveals the presence of two distinct communities: one in the fungus garden and the other in the refuse dump. Though we find some effect of colony source on community structure, our data indicate the presence of consistently associated microbes within gardens and dumps. Substrate composition and system component appear to be the most important factor in structuring the microbial communities. These results thus suggest that resident communities are shaped by the plant degradation gradient created by ant behavior, specifically their fungiculture and waste management. يستخدم النمل القاطع للأوراق مواد نباتية طازجة لزراعة فطر متبادل يعمل كمصدر غذائي أساسي للنمل. داخل حدائق الفطريات، يتم استقلاب المركبات النباتية المختلفة وتحويلها إلى مغذيات مناسبة لاستهلاك النمل. ينتج هذا الارتباط التكافلي كمية كبيرة من النفايات التي تتكون في المقام الأول من مواد نباتية متدهورة جزئيًا. وهكذا تنقسم مستعمرة النمل القاطع للأوراق إلى بيئتين متميزتين مكانيًا وكيميائيًا تمثلان معًا تدرجًا لتحلل الكتلة الحيوية للنبات. لا يُعرف سوى القليل عن بنية المجتمع الميكروبي في الحدائق والمكبات أو الاختلاف بين مستعمرات المختبر والمستعمرات الميدانية. باستخدام تحليل دهون الغشاء الميكروبي ومجموعة متنوعة من مقاييس المجتمع، قمنا بتقييم ومقارنة الميكروبات في حدائق الفطريات ومكبات النفايات من كل من المستعمرات التي يتم الحفاظ عليها في المختبر والمستعمرات التي يتم جمعها في الميدان. وجدنا أن الحدائق تحتوي على مجتمع متنوع ومتسق من الميكروبات، تهيمن عليها البكتيريا سالبة الجرام، وخاصة البكتيريا البروتوبكتيرية والبكتيرويدية. كانت هذه النتائج متسقة عبر حدائق المختبرات والحدائق الميدانية، بالإضافة إلى أصناف النمل المضيفة. وعلى النقيض من ذلك، تم إثراء المكبات بالبكتيريا إيجابية الجرام والبكتيريا اللاهوائية. كشفت تحليلات التجميع على نطاق واسع أن الارتباط المجتمعي بين العينات يعكس مكون النظام (الحدائق/مقالب النفايات) بدلاً من مصدر المستعمرة (المختبر/الحقل). في المقاييس الدقيقة، يتم تجميع العينات وفقًا لمصدر المستعمرة. هنا نبلغ عن أول تحليل مقارن للميكروبات من مستعمرات نمل قطع الأوراق. يكشف عملنا عن وجود مجتمعين متميزين: أحدهما في حديقة الفطريات والآخر في مكب النفايات. على الرغم من أننا نجد بعض التأثير لمصدر المستعمرة على بنية المجتمع، إلا أن بياناتنا تشير إلى وجود ميكروبات مرتبطة باستمرار داخل الحدائق والمكبات. يبدو أن تكوين الركيزة ومكون النظام هما العامل الأكثر أهمية في هيكلة المجتمعات الميكروبية. وبالتالي تشير هذه النتائج إلى أن المجتمعات المقيمة تتشكل من خلال تدرج تدهور النبات الناتج عن سلوك النمل، وتحديداً زراعة الفطريات وإدارة النفايات.

Bacteria in the genus Ruminococcus are ubiquitous members of the mammalian gastrointestinal tract. In particular, they are important in ruminants where they digest a wide range of plant cell wall polysaccharides. For example, Ruminococcus albus 7 is a primary cellulose degrader that produces acetate usable by its bovine host. Moreover, it is one of the few organisms that ferments cellulose to form ethanol at mesophilic temperatures in vitro. The mechanism of cellulose degradation by R. albus 7 is not well-defined and is thought to involve pilin-like proteins, unique carbohydrate-binding domains, a glycocalyx, and cellulosomes. Here, we used a combination of comparative genomics, fermentation analyses, and transcriptomics to further clarify the cellulolytic and fermentative potential of R. albus 7.A comparison of the R. albus 7 genome sequence against the genome sequences of related bacteria that either encode or do not encode cellulosomes revealed that R. albus 7 does not encode for most canonical cellulosomal components. Fermentation analysis of R. albus 7 revealed the ability to produce ethanol and acetate on a wide range of fibrous substrates in vitro. Global transcriptomic analysis of R. albus 7 grown at identical dilution rates on cellulose and cellobiose in a chemostat showed that this bacterium, when growing on cellulose, utilizes a carbohydrate-degrading strategy that involves increased transcription of the rare carbohydrate-binding module (CBM) family 37 domain and the tryptophan biosynthetic operon.Our data suggest that R. albus 7 does not use canonical cellulosomal components to degrade cellulose, but rather up-regulates the expression of CBM37-containing enzymes and tryptophan biosynthesis. This study contributes to a revised model of carbohydrate degradation by this key member of the rumen ecosystem.

Les herbivores peuvent avoir un accès indirect au carbone récalcitrant présent dans les parois des cellules végétales grâce à des associations symbiotiques avec des microbes lignocellulolytiques. Un exemple paradigmatique est la fourmi coupeuse de feuilles (Tribu : Attini), qui utilise des feuilles fraîches pour cultiver un champignon pour se nourrir dans des jardins spécialisés. En utilisant une combinaison d'analyses de la composition du sucre, de la métagénomique et du séquençage du génome entier, nous révélons que le microbiome du champignon de jardin des fourmis coupeuses de feuilles est composé d'une communauté diversifiée de bactéries ayant une capacité élevée de dégradation de la biomasse végétale. La comparaison du profil enzymatique prédit de dégradation des glucides de ce microbiome avec d'autres métagénomes montre une similitude plus étroite avec le rumen bovin, indiquant une convergence évolutive du potentiel de dégradation de la biomasse végétale entre deux animaux herbivores importants. La caractérisation génomique et physiologique de deux bactéries dominantes dans le microbiome fongique du jardin fournit des preuves de leur capacité à dégrader la cellulose. Compte tenu de l'intérêt récent pour les biocarburants cellulosiques, comprendre comment la dégradation rapide et à grande échelle de la biomasse végétale se produit chez un insecte herbivore très évolué est particulièrement important pour la bioénergie. Los herbívoros pueden obtener acceso indirecto al carbono recalcitrante presente en las paredes celulares de las plantas a través de asociaciones simbióticas con microbios lignocelulolíticos. Un ejemplo paradigmático es la hormiga cortadora de hojas (Tribu: Attini), que utiliza hojas frescas para cultivar un hongo como alimento en jardines especializados. Usando una combinación de análisis de composición de azúcar, metagenómica y secuenciación del genoma completo, revelamos que el microbioma del jardín de hongos de las hormigas cortadoras de hojas está compuesto por una comunidad diversa de bacterias con alta capacidad de degradación de la biomasa vegetal. La comparación del perfil enzimático de degradación de carbohidratos predicho de este microbioma con otros metagenomas muestra la mayor similitud con el rumen bovino, lo que indica una convergencia evolutiva del potencial de degradación de la biomasa vegetal entre dos animales herbívoros importantes. La caracterización genómica y fisiológica de dos bacterias dominantes en el microbioma del jardín de hongos proporciona evidencia de su capacidad para degradar la celulosa. Dado el reciente interés en los biocombustibles celulósicos, la comprensión de cómo se produce la degradación rápida y a gran escala de la biomasa vegetal en un insecto herbívoro altamente evolucionado es de particular relevancia para la bioenergía. Herbivores can gain indirect access to recalcitrant carbon present in plant cell walls through symbiotic associations with lignocellulolytic microbes. A paradigmatic example is the leaf-cutter ant (Tribe: Attini), which uses fresh leaves to cultivate a fungus for food in specialized gardens. Using a combination of sugar composition analyses, metagenomics, and whole-genome sequencing, we reveal that the fungus garden microbiome of leaf-cutter ants is composed of a diverse community of bacteria with high plant biomass-degrading capacity. Comparison of this microbiome's predicted carbohydrate-degrading enzyme profile with other metagenomes shows closest similarity to the bovine rumen, indicating evolutionary convergence of plant biomass degrading potential between two important herbivorous animals. Genomic and physiological characterization of two dominant bacteria in the fungus garden microbiome provides evidence of their capacity to degrade cellulose. Given the recent interest in cellulosic biofuels, understanding how large-scale and rapid plant biomass degradation occurs in a highly evolved insect herbivore is of particular relevance for bioenergy. يمكن للحيوانات العاشبة الوصول بشكل غير مباشر إلى الكربون المتمرد الموجود في جدران الخلايا النباتية من خلال الارتباطات التكافلية مع الميكروبات المحللة للخلايا. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك نملة قطع الأوراق (القبيلة: أتيني)، التي تستخدم أوراقًا طازجة لزراعة فطر للطعام في الحدائق المتخصصة. باستخدام مزيج من تحليلات تركيبة السكر، وعلم الوراثة، وتسلسل الجينوم الكامل، نكشف أن ميكروبيوم حديقة الفطريات من النمل القاطع للأوراق يتكون من مجموعة متنوعة من البكتيريا ذات القدرة العالية على تحلل الكتلة الحيوية للنبات. تُظهر مقارنة ملف تعريف إنزيم تحلل الكربوهيدرات المتوقع لهذا الميكروبيوم مع الميتاجينومات الأخرى أقرب تشابه مع الكرش البقري، مما يشير إلى التقارب التطوري لإمكانات تحلل الكتلة الحيوية النباتية بين اثنين من الحيوانات العاشبة المهمة. يوفر التوصيف الجيني والفسيولوجي لبكتيريا مهيمنة في ميكروبيوم حديقة الفطريات دليلاً على قدرتها على تحلل السليلوز. بالنظر إلى الاهتمام الأخير بالوقود الحيوي السليولوزي، فإن فهم كيفية حدوث تدهور الكتلة الحيوية النباتية على نطاق واسع وسريع في الحيوانات العاشبة الحشرية المتطورة للغاية له أهمية خاصة بالنسبة للطاقة الحيوية.

Abstract Bacterial contamination of corn-based ethanol biorefineries can reduce their efficiency and hence increase their carbon footprint. To enhance our understanding of these bacterial contaminants, we temporally sampled four biorefineries in the Midwestern USA that suffered from chronic contamination and characterized their microbiomes using both 16S rRNA sequencing and shotgun metagenomics. These microbiotas were determined to be relatively simple, with 13 operational taxonomic units (OTUs) accounting for 90% of the bacterial population. They were dominated by Firmicutes (89%), with Lactobacillus comprising 80% of the OTUs from this phylum. Shotgun metagenomics confirmed our 16S rRNA data and allowed us to characterize bacterial succession at the species level, with the results of this analysis being that Lb. helveticus was the dominant contaminant in this fermentation. Taken together, these results provide insights into the microbiome of ethanol biorefineries and identifies a species likely to be commonly responsible for chronic contamination of these facilities.