Published January 12, 2023 | Version v1
Publication Open

Development of rapid and precise approach for quantification of bacterial taxa correlated with soil health

Creators

  • 1. Agricultural Genetic Engineering Research Institute
  • 2. Agricultural Research Center
  • 3. Cairo University
  • 4. Suez Canal University

Description

The structure and dynamic of soil bacterial community play a crucial role in soil health and plant productivity. However, there is a gap in studying the un-/or reclaimed soil bacteriome and its impact on future plant performance. The 16S metagenomic analysis is expensive and utilize sophisticated pipelines, making it unfavorable for researchers. Here, we aim to perform (1) in silico and in vitro validation of taxon-specific qPCR primer-panel in the detection of the beneficial soil bacterial community, to ensure its specificity and precision, and (2) multidimensional analysis of three soils/locations in Egypt ('Q', 'B', and 'G' soils) in terms of their physicochemical properties, bacteriome composition, and wheat productivity as a model crop. The in silico results disclosed that almost all tested primers showed high specificity and precision toward the target taxa. Among 17 measured soil properties, the electrical conductivity (EC) value (up to 5 dS/m) of 'Q' soil provided an efficient indicator for soil health among the tested soils. The 16S NGS analysis showed that the soil bacteriome significantly drives future plant performance, especially the abundance of Proteobacteria and Actinobacteria as key indicators. The functional prediction analysis results disclosed a high percentage of N-fixing bacterial taxa in 'Q' soil compared to other soils, which reflects their positive impact on wheat productivity. The taxon-specific qPCR primer-panel results revealed a precise quantification of the targeted taxa compared to the 16S NGS analysis. Moreover, 12 agro-morphological parameters were determined for grown wheat plants, and their results showed a high yield in the 'Q' soil compared to other soils; this could be attributed to the increased abundance of Proteobacteria and Actinobacteria, high enrichment in nutrients (N and K), or increased EC/nutrient availability. Ultimately, the potential use of a taxon-specific qPCR primer-panel as an alternative approach to NGS provides a cheaper, user-friendly setup with high accuracy.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يلعب هيكل وديناميكية مجتمع بكتيريا التربة دورًا حاسمًا في صحة التربة وإنتاجية النبات. ومع ذلك، هناك فجوة في دراسة بكتيريا التربة غير المستصلحة أو المستصلحة وتأثيرها على أداء النبات في المستقبل. تحليل ميتاجينوميك 16S مكلف ويستخدم خطوط أنابيب متطورة، مما يجعله غير موات للباحثين. هنا، نهدف إلى إجراء (1) في التحقق من صحة السيليكو وفي المختبر للوحة التمهيدية الخاصة بـ QPCR في الكشف عن المجتمع البكتيري المفيد للتربة، لضمان خصوصيته ودقته، و (2) التحليل متعدد الأبعاد لثلاثة تربة/مواقع في مصر (" Q "و" B "و" G ") من حيث خصائصها الفيزيائية والكيميائية والتكوين البكتيري وإنتاجية القمح كمحصول نموذجي. كشفت نتائج IN SILICO أن جميع المواد التمهيدية التي تم اختبارها تقريبًا أظهرت خصوصية ودقة عالية تجاه الفئة المستهدفة. من بين 17 خاصية للتربة تم قياسها، وفرت قيمة الموصلية الكهربائية (EC) (حتى 5 ديسيليتر/متر) للتربة "Q" مؤشرًا فعالًا لصحة التربة بين التربة التي تم اختبارها. أظهر تحليل 16S NGS أن بكتيريا التربة تدفع بشكل كبير أداء النبات في المستقبل، وخاصة وفرة البكتيريا البروتينية والبكتيريا الشعاعية كمؤشرات رئيسية. كشفت نتائج تحليل التنبؤ الوظيفي عن نسبة عالية من الأصناف البكتيرية المثبتة لـ N في التربة "Q" مقارنة بالتربة الأخرى، مما يعكس تأثيرها الإيجابي على إنتاجية القمح. كشفت نتائج اللوحة التمهيدية QPCR الخاصة بالأصناف عن تحديد كمي دقيق للأصناف المستهدفة مقارنة بتحليل 16S NGS. علاوة على ذلك، تم تحديد 12 معيارًا شكليًا زراعيًا لنباتات القمح المزروعة، وأظهرت نتائجها غلة عالية في التربة "Q" مقارنة بالتربة الأخرى ؛ يمكن أن يعزى ذلك إلى زيادة وفرة البكتيريا البروتينية والبكتيريا الشعاعية، أو الإثراء العالي بالمغذيات (N و K)، أو زيادة توافر EC/المغذيات. في نهاية المطاف، فإن الاستخدام المحتمل للوحة التمهيدية الخاصة بـ QPCR كنهج بديل لـ NGS يوفر إعدادًا أرخص وسهل الاستخدام بدقة عالية.

Translated Description (French)

La structure et la dynamique de la communauté bactérienne du sol jouent un rôle crucial dans la santé du sol et la productivité des plantes. Cependant, il existe une lacune dans l'étude du bactériome du sol non/ou régénéré et de son impact sur les performances futures des plantes. L'analyse métagénomique 16S est coûteuse et utilise des pipelines sophistiqués, ce qui la rend défavorable pour les chercheurs. Ici, nous visons à effectuer (1) une validation in silico et in vitro du panneau d'amorce qPCR spécifique au taxon dans la détection de la communauté bactérienne bénéfique du sol, afin d'assurer sa spécificité et sa précision, et (2) une analyse multidimensionnelle de trois sols/emplacements en Égypte (sols « Q », « B » et « G ») en termes de propriétés physico-chimiques, de composition du bactériome et de productivité du blé en tant que culture modèle. Les résultats in silico ont révélé que presque toutes les amorces testées présentaient une spécificité et une précision élevées vis-à-vis des taxons cibles. Parmi les 17 propriétés du sol mesurées, la valeur de conductivité électrique (CE) (jusqu'à 5 dS/m) du sol « Q » a fourni un indicateur efficace de la santé du sol parmi les sols testés. L'analyse 16S NGS a montré que le bactériome du sol entraîne de manière significative les performances futures des plantes, en particulier l'abondance des protéobactéries et des actinobactéries en tant qu'indicateurs clés. Les résultats de l'analyse de prédiction fonctionnelle ont révélé un pourcentage élevé de taxons bactériens fixant l'azote dans le sol « Q » par rapport aux autres sols, ce qui reflète leur impact positif sur la productivité du blé. Les résultats du panel d'amorces qPCR spécifiques aux taxons ont révélé une quantification précise des taxons ciblés par rapport à l'analyse 16S NGS. De plus, 12 paramètres agro-morphologiques ont été déterminés pour les plants de blé cultivés, et leurs résultats ont montré un rendement élevé dans le sol « Q » par rapport à d'autres sols ; cela pourrait être attribué à l'abondance accrue de protéobactéries et d'actinobactéries, à un enrichissement élevé en nutriments (N et K) ou à une disponibilité accrue de CE/nutriments. En fin de compte, l'utilisation potentielle d'un panneau d'amorçage qPCR spécifique au taxon comme approche alternative au NGS fournit une configuration moins coûteuse, conviviale et d'une grande précision.

Translated Description (Spanish)

La estructura y la dinámica de la comunidad bacteriana del suelo desempeñan un papel crucial en la salud del suelo y la productividad de las plantas. Sin embargo, existe una brecha en el estudio del bacterioma del suelo no recuperado o recuperado y su impacto en el rendimiento futuro de las plantas. El análisis metagenómico 16S es caro y utiliza tuberías sofisticadas, lo que lo hace desfavorable para los investigadores. Aquí, nuestro objetivo es realizar (1) la validación in silico e in vitro del panel de cebado de qPCR específico del taxón en la detección de la comunidad bacteriana beneficiosa del suelo, para garantizar su especificidad y precisión, y (2) el análisis multidimensional de tres suelos/ubicaciones en Egipto (suelos 'Q', 'B' y 'G') en términos de sus propiedades fisicoquímicas, composición del bacterioma y productividad del trigo como cultivo modelo. Los resultados in silico revelaron que casi todos los cebadores probados mostraron una alta especificidad y precisión hacia los taxones objetivo. Entre las 17 propiedades del suelo medidas, el valor de conductividad eléctrica (CE) (hasta 5 dS/m) del suelo 'Q' proporcionó un indicador eficiente de la salud del suelo entre los suelos probados. El análisis de 16S NGS mostró que el bacterioma del suelo impulsa significativamente el rendimiento futuro de las plantas, especialmente la abundancia de Proteobacterias y Actinobacterias como indicadores clave. Los resultados del análisis de predicción funcional revelaron un alto porcentaje de taxones bacterianos fijadores de N en el suelo 'Q' en comparación con otros suelos, lo que refleja su impacto positivo en la productividad del trigo. Los resultados del panel de imprimación de qPCR específico del taxón revelaron una cuantificación precisa de los taxones objetivo en comparación con el análisis de 16S NGS. Además, se determinaron 12 parámetros agromorfológicos para plantas de trigo cultivadas, y sus resultados mostraron un alto rendimiento en el suelo 'Q' en comparación con otros suelos; esto podría atribuirse al aumento de la abundancia de Proteobacterias y Actinobacterias, alto enriquecimiento en nutrientes (N y K) o aumento de la disponibilidad de EC/nutrientes. En última instancia, el uso potencial de un panel de cebado de qPCR específico de taxón como un enfoque alternativo a NGS proporciona una configuración más barata y fácil de usar con alta precisión.

Files

pdf.pdf

Files (3.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:f8cc287aaeecf7b568637e196c013ab7
3.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تطوير نهج سريع ودقيق لتحديد كمية الأصناف البكتيرية المرتبطة بصحة التربة
Translated title (French)
Développement d'une approche rapide et précise pour la quantification des taxons bactériens corrélés à la santé des sols
Translated title (Spanish)
Desarrollo de un enfoque rápido y preciso para la cuantificación de taxones bacterianos correlacionados con la salud del suelo

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4315782067
DOI
10.3389/fmicb.2022.1095045

Is supplement to
https://openalex.org/W3142000368 (Other)
https://openalex.org/W2990252081 (Other)
https://openalex.org/W2399012903 (Other)
https://openalex.org/W2356075577 (Other)
https://openalex.org/W2329998112 (Other)
https://openalex.org/W2310132469 (Other)
https://openalex.org/W2004730880 (Other)
https://openalex.org/W1988111326 (Other)
https://openalex.org/W1976709164 (Other)
https://openalex.org/W1964454835 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W116607079
  • https://openalex.org/W1503066020
  • https://openalex.org/W1512952934
  • https://openalex.org/W1919662403
  • https://openalex.org/W1975281982
  • https://openalex.org/W2002986895
  • https://openalex.org/W2021835886
  • https://openalex.org/W2022313804
  • https://openalex.org/W2033371591
  • https://openalex.org/W2033936588
  • https://openalex.org/W2034285706
  • https://openalex.org/W2064383236
  • https://openalex.org/W2076626454
  • https://openalex.org/W2084153067
  • https://openalex.org/W2108990314
  • https://openalex.org/W2110082875
  • https://openalex.org/W2115701239
  • https://openalex.org/W2116314040
  • https://openalex.org/W2117338744
  • https://openalex.org/W2118355172
  • https://openalex.org/W2131636459
  • https://openalex.org/W2144866452
  • https://openalex.org/W2147897291
  • https://openalex.org/W2160206675
  • https://openalex.org/W2161813393
  • https://openalex.org/W2163250554
  • https://openalex.org/W2197148963
  • https://openalex.org/W2215820620
  • https://openalex.org/W2340263853
  • https://openalex.org/W2506858242
  • https://openalex.org/W2517221113
  • https://openalex.org/W2551696322
  • https://openalex.org/W2610331418
  • https://openalex.org/W2755141892
  • https://openalex.org/W2755291024
  • https://openalex.org/W2797936724
  • https://openalex.org/W2800009368
  • https://openalex.org/W2907449303
  • https://openalex.org/W2924475544
  • https://openalex.org/W2931252299
  • https://openalex.org/W2952157594
  • https://openalex.org/W2975857234
  • https://openalex.org/W2999523005
  • https://openalex.org/W3004170950
  • https://openalex.org/W3034495444
  • https://openalex.org/W3081223604
  • https://openalex.org/W3097587743
  • https://openalex.org/W3107107436
  • https://openalex.org/W3140620237
  • https://openalex.org/W3175959198
  • https://openalex.org/W3184626354
  • https://openalex.org/W4210941463
  • https://openalex.org/W4220828530
  • https://openalex.org/W4252911100
  • https://openalex.org/W5998556