Lignocellulose degradation by rumen bacterial communities: New insights from metagenome analyses
Creators
- 1. Baqiyatallah University of Medical Sciences
- 2. Soil Conservation and Watershed Management Research
- 3. Agricultural Research & Education Organization
- 4. Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran
- 5. Lanzhou Institute of Husbandry and Pharmaceutical Sciences
- 6. Chinese Academy of Agricultural Sciences
- 7. International Livestock Research Institute
- 8. Macquarie University
Description
Ruminant animals house a dense and diverse community of microorganisms in their rumen, an enlarged compartment in their stomach, which provides a supportive environment for the storage and microbial fermentation of ingested feeds dominated by plant materials. The rumen microbiota has acquired diverse and functionally overlapped enzymes for the degradation of plant cell wall polysaccharides. In rumen Bacteroidetes, enzymes involved in degradation are clustered into polysaccharide utilization loci to facilitate coordinated expression when target polysaccharides are available. Firmicutes use free enzymes and cellulosomes to degrade the polysaccharides. Fibrobacters either aggregate lignocellulose-degrading enzymes on their cell surface or release them into the extracellular medium in membrane vesicles, a mechanism that has proven extremely effective in the breakdown of recalcitrant cellulose. Based on current metagenomic analyses, rumen Bacteroidetes and Firmicutes are categorized as generalist microbes that can degrade a wide range of polysaccharides, while other members adapted toward specific polysaccharides. Particularly, there is ample evidence that Verrucomicrobia and Spirochaetes have evolved enzyme systems for the breakdown of complex polysaccharides such as xyloglucans, peptidoglycans, and pectin. It is concluded that diversity in degradation mechanisms is required to ensure that every component in feeds is efficiently degraded, which is key to harvesting maximum energy by host animals.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تحتوي الحيوانات المجترة على مجموعة كثيفة ومتنوعة من الكائنات الحية الدقيقة في الكرش، وهو جزء كبير في معدتها، مما يوفر بيئة داعمة للتخزين والتخمير الميكروبي للأعلاف المبتلعة التي تهيمن عليها المواد النباتية. اكتسبت جراثيم الكرش إنزيمات متنوعة ومتداخلة وظيفيًا لتدهور عديدات السكاريد في جدار الخلية النباتية. في الكرش الجرثومي، يتم تجميع الإنزيمات المشاركة في التحلل في مواقع استخدام عديد السكاريد لتسهيل التعبير المنسق عندما تتوفر عديدات السكاريد المستهدفة. تستخدم الحامضات الإنزيمات الحرة والسليلوزومات لتحلل السكريات. تقوم الخلايا الليفية إما بتجميع إنزيمات تحلل الليجنوسلولوز على سطح خلاياها أو إطلاقها في الوسط خارج الخلية في الحويصلات الغشائية، وهي آلية أثبتت فعاليتها للغاية في تحلل السليلوز المتمرد. استنادًا إلى التحليلات الميتاجينومية الحالية، يتم تصنيف جرثومة الكرش والجرثومة على أنها ميكروبات عامة يمكن أن تحلل مجموعة واسعة من السكريات، بينما يتكيف الأعضاء الآخرون مع عديدات السكاريد المحددة. على وجه الخصوص، هناك أدلة وافرة على أن الميكروبات الثؤلولية والملتوية قد طورت أنظمة إنزيمية لتكسير السكريات المعقدة مثل الزيلوجلوكان والببتيدوجليكان والبكتين. تم التوصل إلى أن التنوع في آليات التحلل مطلوب لضمان تدهور كل مكون في الأعلاف بكفاءة، وهو أمر أساسي لحصاد أقصى قدر من الطاقة من قبل الحيوانات المضيفة.Translated Description (French)
Les ruminants abritent une communauté dense et diversifiée de micro-organismes dans leur rumen, un compartiment élargi dans leur estomac, qui fournit un environnement favorable au stockage et à la fermentation microbienne des aliments ingérés dominés par des matières végétales. Le microbiote du rumen a acquis des enzymes diverses et fonctionnellement chevauchantes pour la dégradation des polysaccharides de la paroi cellulaire des plantes. Dans le rumen Bacteroidetes, les enzymes impliquées dans la dégradation sont regroupées en locus d'utilisation des polysaccharides pour faciliter l'expression coordonnée lorsque des polysaccharides cibles sont disponibles. Les firmicutes utilisent des enzymes et des cellulosomes libres pour dégrader les polysaccharides. Les fibrobactéries agrégent les enzymes dégradant la lignocellulose à la surface de leurs cellules ou les libèrent dans le milieu extracellulaire dans des vésicules membranaires, un mécanisme qui s'est avéré extrêmement efficace dans la dégradation de la cellulose récalcitrante. Sur la base des analyses métagénomiques actuelles, les bactéries et les firmicutes du rumen sont classés dans la catégorie des microbes généralistes qui peuvent dégrader un large éventail de polysaccharides, tandis que d'autres membres se sont adaptés à des polysaccharides spécifiques. En particulier, il existe de nombreuses preuves que les verrucomicrobies et les spirochètes ont développé des systèmes enzymatiques pour la dégradation de polysaccharides complexes tels que les xyloglucanes, les peptidoglycanes et la pectine. Il est conclu que la diversité des mécanismes de dégradation est nécessaire pour garantir que chaque composant des aliments est efficacement dégradé, ce qui est essentiel pour récolter le maximum d'énergie par les animaux hôtes.Translated Description (Spanish)
Los animales rumiantes albergan una comunidad densa y diversa de microorganismos en su rumen, un compartimento agrandado en su estómago, que proporciona un entorno de apoyo para el almacenamiento y la fermentación microbiana de los alimentos ingeridos dominados por materiales vegetales. La microbiota ruminal ha adquirido enzimas diversas y funcionalmente superpuestas para la degradación de los polisacáridos de la pared celular de las plantas. En Bacteroidetes del rumen, las enzimas involucradas en la degradación se agrupan en loci de utilización de polisacáridos para facilitar la expresión coordinada cuando los polisacáridos objetivo están disponibles. Los Firmicutes utilizan enzimas libres y celulosomas para degradar los polisacáridos. Las fibrobacterias agregan enzimas que degradan la lignocelulosa en su superficie celular o las liberan en el medio extracelular en vesículas de membrana, un mecanismo que ha demostrado ser extremadamente eficaz en la descomposición de la celulosa recalcitrante. Con base en los análisis metagenómicos actuales, Bacteroidetes y Firmicutes del rumen se clasifican como microbios generalistas que pueden degradar una amplia gama de polisacáridos, mientras que otros miembros se adaptaron a polisacáridos específicos. En particular, existe una amplia evidencia de que Verrucomicrobia y Spirochaetes han desarrollado sistemas enzimáticos para la descomposición de polisacáridos complejos como xiloglucanos, peptidoglicanos y pectina. Se concluye que se requiere diversidad en los mecanismos de degradación para garantizar que todos los componentes de los piensos se degraden de manera eficiente, lo cual es clave para obtener la máxima energía de los animales huéspedes.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحلل الليجنوسليلوز بواسطة مجتمعات بكتيريا الكرش: رؤى جديدة من تحليلات الميتاجينوم
- Translated title (French)
- Dégradation de la lignocellulose par les communautés bactériennes du rumen : nouvelles informations tirées des analyses du métagénome
- Translated title (Spanish)
- Degradación de la lignocelulosa por las comunidades bacterianas del rumen: nuevos conocimientos a partir de los análisis del metagenoma
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4366607105
- DOI
- 10.1016/j.envres.2023.115925
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1528715746
- https://openalex.org/W1555454090
- https://openalex.org/W1573070833
- https://openalex.org/W1578138579
- https://openalex.org/W1654854873
- https://openalex.org/W1842963151
- https://openalex.org/W1875707189
- https://openalex.org/W1905906149
- https://openalex.org/W1963723331
- https://openalex.org/W1964786384
- https://openalex.org/W1968358760
- https://openalex.org/W1969346416
- https://openalex.org/W1985340752
- https://openalex.org/W1985550644
- https://openalex.org/W1988717794
- https://openalex.org/W1992613244
- https://openalex.org/W1994144928
- https://openalex.org/W1997572575
- https://openalex.org/W1999577767
- https://openalex.org/W2009761291
- https://openalex.org/W2013195863
- https://openalex.org/W2014755407
- https://openalex.org/W2017364432
- https://openalex.org/W2020649640
- https://openalex.org/W2024302723
- https://openalex.org/W2027548893
- https://openalex.org/W2028935316
- https://openalex.org/W2037790611
- https://openalex.org/W2039021127
- https://openalex.org/W2042045767
- https://openalex.org/W2043847867
- https://openalex.org/W2047341547
- https://openalex.org/W2049379761
- https://openalex.org/W2064490992
- https://openalex.org/W2068407606
- https://openalex.org/W2069066989
- https://openalex.org/W2083946646
- https://openalex.org/W2084793748
- https://openalex.org/W2090009482
- https://openalex.org/W2091452184
- https://openalex.org/W2106728647
- https://openalex.org/W2110665441
- https://openalex.org/W2116406903
- https://openalex.org/W2116598854
- https://openalex.org/W2120267228
- https://openalex.org/W2120398282
- https://openalex.org/W2124836116
- https://openalex.org/W2127892436
- https://openalex.org/W2133582510
- https://openalex.org/W2145769148
- https://openalex.org/W2146664084
- https://openalex.org/W2147521147
- https://openalex.org/W2149944514
- https://openalex.org/W2151729132
- https://openalex.org/W2152216029
- https://openalex.org/W2154517868
- https://openalex.org/W2154594491
- https://openalex.org/W2156383638
- https://openalex.org/W2160300781
- https://openalex.org/W2160969485
- https://openalex.org/W2168553434
- https://openalex.org/W2177858583
- https://openalex.org/W2218104188
- https://openalex.org/W2292990072
- https://openalex.org/W2325512861
- https://openalex.org/W2470590654
- https://openalex.org/W2490840254
- https://openalex.org/W2552041992
- https://openalex.org/W2562647913
- https://openalex.org/W2579986502
- https://openalex.org/W2597428467
- https://openalex.org/W2608604719
- https://openalex.org/W2736180350
- https://openalex.org/W2736977765
- https://openalex.org/W2737166528
- https://openalex.org/W2746035652
- https://openalex.org/W2748328505
- https://openalex.org/W2783193310
- https://openalex.org/W2786358949
- https://openalex.org/W2792451891
- https://openalex.org/W2794221448
- https://openalex.org/W2887460365
- https://openalex.org/W2888673753
- https://openalex.org/W2888750384
- https://openalex.org/W2900820161
- https://openalex.org/W2902568482
- https://openalex.org/W2903299612
- https://openalex.org/W2905043243
- https://openalex.org/W2913186410
- https://openalex.org/W2913509921
- https://openalex.org/W2916965173
- https://openalex.org/W2921403515
- https://openalex.org/W2938868597
- https://openalex.org/W2943693794
- https://openalex.org/W2948052688
- https://openalex.org/W2950822047
- https://openalex.org/W2955957648
- https://openalex.org/W2966589940
- https://openalex.org/W2969239807
- https://openalex.org/W2987942835
- https://openalex.org/W2991444903
- https://openalex.org/W3011090286
- https://openalex.org/W3011852136
- https://openalex.org/W3016318471
- https://openalex.org/W3021612736
- https://openalex.org/W3027509605
- https://openalex.org/W3032872188
- https://openalex.org/W3046134722
- https://openalex.org/W3046526542
- https://openalex.org/W3048425398
- https://openalex.org/W3080326257
- https://openalex.org/W3081864137
- https://openalex.org/W3086289414
- https://openalex.org/W3087570014
- https://openalex.org/W3093141145
- https://openalex.org/W3093783017
- https://openalex.org/W3093856243
- https://openalex.org/W3108156295
- https://openalex.org/W3125333149
- https://openalex.org/W3127333157
- https://openalex.org/W3129973128
- https://openalex.org/W3130166681
- https://openalex.org/W3160905321
- https://openalex.org/W3161004106
- https://openalex.org/W3165326400
- https://openalex.org/W3175524732
- https://openalex.org/W3188335512
- https://openalex.org/W3198376954
- https://openalex.org/W3217216416
- https://openalex.org/W4205196326
- https://openalex.org/W4205663410
- https://openalex.org/W4211106968
- https://openalex.org/W4220760562
- https://openalex.org/W4220932216
- https://openalex.org/W4220999759
- https://openalex.org/W4221074414
- https://openalex.org/W4225491766
- https://openalex.org/W4226072634
- https://openalex.org/W4253164051
- https://openalex.org/W4280576091
- https://openalex.org/W4280588925
- https://openalex.org/W4281824538
- https://openalex.org/W4318273609
- https://openalex.org/W878529911