The objective of this study was to review application of next-generation sequencing (NGS) to investigate microbiome in the livestock sector. Since the 16S rRNA gene is used as a phylogenetic marker, unculturable members of microbiome in nature or managed environments have been investigated using the NGS technique based on 16S rRNA genes. However, few NGS studies have been conducted to investigate microbiome in the livestock sector. The 16S rRNA gene sequences obtained from NGS are classified to microbial taxa against the 16S rRNA gene reference database such as RDP, Greengenes and Silva databases. The sequences also are clustered into species-level OTUs at 97% sequence similarity. Microbiome similarity among treatment groups is visualized using principal coordinates analysis, while microbiome shared among treatment groups is visualized using a venn diagram. The use of the NGS technique will contribute to elucidating roles of microbiome in the livestock sector.
The gastrointestinal (GI) tract of ruminants contains diverse microbes that ferment various feeds ingested by animals to produce various fermentation products, such as volatile fatty acids. Fermentation products can affect animal performance, health, and well-being. Within the GI microbes, the ruminal microbes are highly diverse, greatly contribute to fermentation, and are the most important in ruminant nutrition. Although traditional cultivation methods provided knowledge of the metabolism of GI microbes, most of the GI microbes could not be cultured on standard culture media. By contrast, amplicon sequencing of 16S rRNA genes can be used to detect unculturable microbes. Using this approach, ruminant nutritionists and microbiologists have conducted a plethora of nutritional studies, many including dietary interventions, to improve fermentation efficiency and nutrient utilization, which has greatly expanded knowledge of the GI microbiota. This review addresses the GI content sampling method, 16S rRNA gene amplicon sequencing, and bioinformatics analysis and then discusses recent studies on the various factors, such as diet, breed, gender, animal performance, and heat stress, that influence the GI microbiota and thereby ruminant nutrition.
The relationships between the phytoplasmas infecting Zizyphus jujuba and Paulownia coreana were investigated by PCR-RELP. The 16S rRNA genes of the phytoplasmas were analyzed and compared with each other after PCR amplification. The amplified bands 1.4 kb in size were analyzed by both restriction digestion and sequencing after cloning into a plasmid vector. In some cases, two different kinds of inserts were observed in the isolates that originated from a single plant. However, many of them appeared to be the amplification products of chloroplastic 16S rRNA gene of host plants. The phytoplasma gene could be differentiated from the chloroplastic gene by restriction digestion of the plasmids carrying the amplification products. Only the recombinant plasmids carrying phytoplasma 16S rRNA gene produced a 1.4 kb band when digested with the enzyme BanII. Of the 52 recombinant plasmids analyzed, 42 appeared to contain inserts that originated from the chloroplastic 16S rRNA gene of the host plants. No variation was detected among 16S rRNA gene of nine phytoplasma isolates infecting Z. jujuba. However, the phytoplasmas infecting Z. jujuba were different from that infecting P. coreana.
Ju-Hyung Jeon;Sanghwa Park;Ja Young Cho;Soo-Yeong Lee;Seoni Hwang;Jun Sung Kim;Eui-Jin Kim ; Ji Young Jung
Korean Journal of Environmental Biology
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v.41
no.3
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pp.308-324
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2023
This study investigated unrecorded freshwater bacterial species in Korea. Water and sediment samples were collected from the Nakdong River basin from 2020-2022. Bacterial isolates obtained through the conventional culture method with commercial media were subjected to 16S rRNA gene sequencing to identify unrecorded bacterial species. Results of 16S rRNA gene sequencing of the bacterial isolates revealed that a total of 44 bacterial isolates shared 16S rRNA gene sequence similarities of more than 98.65%, with validly published bacterial species not reported in Korea yet. These isolates were phylogenetically assigned to 4 phyla, 7 classes, 21 orders, 33 families, and 42 genera. A total of 2, 6, 12, and 24 species belonged to phyla Bacillota, Bacteroidota, Actinomycetota, and Pseudomonadota, respectively. Here, we provide details of these 44 unrecorded bacterial species, including Gram staining, colony and cellular morphologies, biochemical properties, and phylogenetic position.
Clostridium chauvoei is the etiologic agent of blackleg, a high mortality rated disease infection mainly cattle. In the present study, the partial sequences of 16S rRNA and flagellin gene of C. chauvoei isolated in Jeonbuk, Korea were determined and compared with those of reference strain. Oligonucleotide primers were designed to amplify a 811 bp fragment of 16S rRNA gene and 1229 bp fragment of flagellin gene. Sequencing analysis of 16S rRNA gene showed high homology to the reference strains ranging 82.3% to 100%, while flagellin gene were different from published foreign clostridia, showing 98.7% to 72.0% nucleotide sequence homology. Phylogenetic analysis based on 16S rRNA gene revealed the close phylogenetic relationship of C. chauvoei and C. septicum in cluster I, which includes C. carnis, C. tertium, C. quinii, C. celatum, C. perfringens, C. absonum, C. botulinum B. Phylogentic analysis also revealed that flagellin gene formed a single cluster with C. chauvoei, C. septicum, C. novyi A, C. novyi B, C. tyrobutylicum, C. acetobutylicum. The genetic informations obtained from this study could be useful for the molecular study of C. chauvoei.
Jeotgal is a Korean traditional fermented seafood with a high concentration of salt. In this study, we isolated lactic acid bacteria (LAB) from galchi (Trichiurus lepturus, hairtail) and myeolchi (Engraulis japonicas, anchovy) jeotgal on MRS agar and MRS agar containing 5% NaCl (MRS agar+5% NaCl), and identified them by using 16S rRNA gene sequencing and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) as culture-dependent methods. We also performed polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE) as a culture-independent method to identify bacterial communities. Five samples of galchi-jeotgal and seven samples of myeolchi-jeotgal were collected from different regions in Korea. A total of 327 and 395 colonies were isolated from the galchi- and myeolchi-jeotgal samples, respectively. 16S rRNA gene sequencing and MALDI-TOF MS revealed that the genus Pediococcus was predominant on MRS agar, and Tetragenococcus halophilus on MRS agar+5% NaCl. PCR-DGGE revealed that T. halophilus, Tetragenococcus muriaticus, and Lactobacillus sakei were predominant in both types of jeotgal. T. halophilus was detected in all samples. Even though the same species were identified by both culture-dependent and -independent methods, many species identified by the culture-dependent methods were not in the bacterial list identified by the culture-independent methods. The distribution of bacteria in galchi-jeotgal was more diverse than in myeolchi-jeotgal. The diverse LAB in galchi- and myeolchi-jeotgals can be further studied as candidates for starter cultures to produce fermented foods.
Cardenas, Erick;Cole, James R.;Tiedje, James M.;Park, Joon-Hong
Environmental Engineering Research
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v.14
no.1
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pp.3-9
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2009
Microorganisms play an important role in the geochemical cycles, industry, environmental cleanup, and biotechnology among other fields. Given the high microbial diversity, identification of the microorganism is essential in understanding and managing the processes. One of the most popular and powerful method for microbial identification is comparative 16S rRNA gene analysis. Due to the highly conserved nature of this essential gene, sequencing and later comparison of it against known rRNA databases can provide assignment of the bacteria into the taxonomy, and the identity of its closest relatives. Isolation and sequencing of 16S rRNA genes directly from natural environments (either from DNA or RNA) can also be used to study the structure of the whole microbial community. Nowadays, novel sequencing technologies with massive outputs are giving researchers worldwide the chance to study the microbial world with a depth that was previously too expensive to achieve. In this article we describe commonly used research approaches for the study of individual microorganisms and microbial communities using the tools provided by Ribosomal Database Project website.
Two Gram positive bacterial strains, designated strain GC-1 and GC-4, were isolated from coastal seawater near Jeju Island in the Republic of Korea. The two strains were identified as members of the genus Bacillus, based on 16S rRNA gene sequencing and data for physiological characteristics analyses. A subtle difference in physiological and genotypical characteristics has led us to designate the strains GC-1 and GC-4. The strain GC-1 showed a 99.91% similarity in 16S rRNA gene sequencing with B. tequiliensis and B. subtilis subsp. inaquosorum and the strain GC-4 showed a 100% similarity in 16S rRNA gene sequencing with those of B. altitudinis, B. stratosphericus, and B. aerophilus. However, both strains exhibited different physiological and genotypical characteristics in many aspects from those of their phylogenetically closest neighbors listed above, which implies that genus Bacillus has diversified into various species during its evolutionary process.
Seo, Dong Woo;Kim, Seung Min;Lee, Heoun Reoul;Yum, Su-jin;Jeong, Hee Gon
Korean Journal of Food Science and Technology
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v.53
no.3
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pp.334-343
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2021
Various vegetables, including cucumbers, have a high probability of foodborne illness because they are usually eaten raw. In this study, we analyzed the 16S rRNA gene sequences of the cucumber (Cucumis sativus L.) microbiota. The diversity indices of cucumber cultivated in May were higher than in cucumber cultivated in November. At the phylum level, Proteobacteria, Firmicutes, and Actinobacteria were predominant. The classes generally comprised Gammaproteobacteria, Bacilli, Alphaproteobacteria, and Actinobacteria. At the genus level, the proportions of Aureimonas, Escherichia, and Microbacterium in samples from May were relatively high, whereas Enterococcus, Pseudomonas, and Rhizobium accounted for a higher proportion in samples from November. Moreover, it is noteworthy that potential pathogenic genera such as Acinetobacter, Aerococcus, Aureimonas, Enterobacter, Enterococcus, Escherichia, Pantoea, Pseudomonas, and Staphylococcus were detected. Although further studies on the characteristics of potential pathogens are required, our results can be used to improve the food safety of vegetables.
In this study, Bacillus licheniformis which has been used as probiotics was isolated from Korean traditional fermented soybean. A total of 69 strains were presumptively identified as B. licheniformis by phenotypic methods. Based on PCR amplification and 16S rRNA gene sequencing, the multilocus sequence typing of gyrA and rpoB, followed by phylogenetic analysis was performed. The isolates were distinctly differentiated and found to be closely related to B. amyloliquefaciens, B. subtilis, and B. aerius. The partial 16S rRNA gene sequences of those strains matched those of B. sonorensis (97%) and B. aerius (98%) in the phylogenetic tree. In contrast, multilocus phylogenetic analysis (MLPA) showed that only 61 (86.9%) out of 69 strains were B. licheniformis. The rest of those strains were found to be B. subtilis (5.8%), B. amyloliquefaciens (2.9%), and B. sonorensis (2.9%), respectively. Therefore, our results suggested that since the 16S rRNA gene sequencing alone was not sufficient to compare and discriminate closely related lineages of Bacillus spp., it was required to analyze the MLPA simultaneously to avoid any misleading phenotype-based grouping of these closely related species.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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