Isolation, biochemical characterization and phylogeny of a cellulose-degrading ruminal bacterium

Abstract

Background: The isolation of cellulolytic bacteria, which hydrolyze cellulose to cellobiose and glucose, can provide useful information about rumen diversity. Objective: To identify and characterize a microorganism capable of hydrolyzing cellulose, isolated from a cow rumen. Methods: Anaerobic culture techniques were used for isolating cellulose-degrading rumen bacteria. Congo red staining was used to evaluate β-D-glucanase activity, and carbohydrate fermentation pattern was obtained with the kit API 50CHB/E. DNA extraction was performed and the 16S rDNA gene was amplified using 8F (5'-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3'), and 1492R (5' GGT TAC CTT GTT ACG ACT T 3') primers. The phylogenetic tree was reconstructed with the algorithm of maximum parsimony (bootstrap 5000), and 16S rDNA sequence was deposited in the NCBI database (accession number: KM094184). Results: The isolated bacterium showed cellulolytic activity detected with Congo red; besides, glycerol, ribose, xylose, sucrose, galactose and glucose were fermented by this bacterium. However, biochemical tests did not identify the bacteria because no match was found at database of API WEB Software. The phylogenetic inference indicated that this bacterium belongs to Shigella genus, with 98% maximal identity respect to the other taxonomic species. Conclusions: Phylogenetic analysis of 16S rRNA genes showed that the rumen isolated bacterium was a member of the genus Shigella, which, under mesophilic conditions, is an interesting candidate for obtaining oligosaccharides from lignocellulosic biomass.Keywords: cellulolytic, fermentation, monophyletic, rumen, Shigella. Resumen Antecedentes: El aislamiento de las bacterias celulolíticas, que hidrolizan la celulosa a celobiosa y glucosa, proporciona valiosa información sobre la diversidad del rumen,. Objetivo: Identificar y caracterizar un microorganismo capaz de hidrolizar celulosa, aislado de un rumen vacuno. Métodos: Se utilizaron técnicas de cultivo anaeróbico para aislar bacterias ruminales que degradan celulosa. La tinción con rojo Congo se usó para evaluar la actividad β-D-glucanasa y el patrón de fermentación de carbohidratos se obtuvo con el kit API 50CHB/E. Se realizó la extracción de DNA y se amplificó el gen de 16S rDNA utilizando los cebadores 8F (5'-AGA GTT TGA TCC TGG CTC AG-3'), y 1492R (5' GGT TAC CTT GTT ACG ACT T 3'). El árbol filogenético se reconstruyó con el algoritmo de máxima parsimonia (replicas 5000) y la secuencia 16S rDNA se depositó en la base de datos del NCBI (número de acceso: KM094184). Resultados: La bacteria aislada mostró actividad celulolítica detectada con la tinción de rojo Congo; además, esta bacteria fermenta glicerol, ribosa, xilosa, sacarosa, galactosa y glucosa. Sin embargo, las pruebas bioquímicas no permitieron identificar a la bacteria aislada, por no encontrar coincidencias en la base de datos del software API WEB. La inferencia filogenética indicó que esta bacteria pertenece al género Shigella, con 98% de identidad máxima respecto a las otras especies taxonómicas. Conclusiones: El análisis filogenético del gen 16S rRNA mostró que la bacteria aislada del rumen es un miembro del género Shigella que, en condiciones mesófilas, es un candidato interesante para obtener oligosacáridos a partir de biomasa lignocelulósica.Palabras clave: celulolítica, fermentación, monofilético, rumen, Shigella. ResumoAntecedentes: As bactérias celulolíticas hidrolizam a celulosa em celobiose e glicose, e o isolamento desses microrganismos fornece informações sobre a diversidade do rúmen. Objetivo: Identificar e caracterizar um microorganismo isolada do rúmen de uma vaca, com capacidade para hidrolisar a celulose. Métodos: Técnicas de cultura anaeróbica foram utilizadas para isolar bactérias ruminais que degradam a celulose. A atividade β-D-glucanase foi mostrada utilizando mancha de vermelho Congo, e o padrão de fermentação de carbohidratos foi obtida com o kit API 50CHB/E. A extracção foi realizada de DNA e amplificou-se os genes 16S rDNA utilizando os iniciadores 8F (AGA GTT TGA 5'-TCC TGG CTC AG-3'), e 1492R (5' CTT GGT TAC GTT ACG TCA T 3'). A árvore filogenética foi reconstruída com o algoritmo de máxima parcimônia (réplicas 5000). A sequência de rDNA 16S foi depositada no banco de dados do NCBI (número de acesso: KM094184). Resultados: O isolado mostrou uma atividade celulolítica com coloração vermelho Congo; además esta bactéria fermentação de glicerol, ribose, xilose, sacarose, galactose e glicose. No entanto, com as provas bioquímicas não se identificou a bactérias isolada, já que não se encontrou na base de dados do software API WEB. A inferência filogenética indicou que esta bactéria pertence ao género Shigella, com 98% de identidade de máximo respeito para outras espécies taxonômicas. Conclusão: A análise filogenética do gene 16S rRNA mostrou as bactérias isoladas do ambiente ruminal como um membro do género Shigella, que condições mesofilicas é um candidato atraente para obter oligossacarídeos da biomassa lignocelulósica.Palavras-chave: celulolítica, fermentação, monofilético, rúmen, Shigella.

A Review of the Rumen Microbiota and the Different Molecular Techniques Used to Identify Microorganisms Found in the Rumen Fluid of Ruminants

“…These species are categorized according to the substrate used and the products of their fermentation, classified into structural and non-structural, lipolytic, proteolytic, and lactic carbohydrate fermenting bacteria [61][62][63]. Consequently, bacteria, besides being present in ruminal fermentation and providing energy to ruminants, are also the largest producers of enteric methane, the natural gas derived from the fermenting of food consumed by animals by means of methanogenic archaea that use free hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ) as substrates [30,41,64].…”