Impact of the gut microbiota on the development of obesity and type 2 diabetes mellitus.

Obesity and its associated disorders are a major public health concern. Although obesity has been mainly related with perturbations of the balance between food intake and energy expenditure, other factors must nevertheless be considered. Recent insight suggests that an altered composition and diversity of gut microbiota could play an important role in the development of metabolic disorders. This review discusses research aimed at understanding the role of gut microbiota in the pathogenesis of obesity and type 2 diabetes mellitus (TDM2). The establishment of gut microbiota is dependent on the type of birth. With effect from this point, gut microbiota remain quite stable, although changes take place between birth and adulthood due to external influences, such as diet, disease and environment. Understand these changes is important to predict diseases and develop therapies. A new theory suggests that gut microbiota contribute to the regulation of energy homeostasis, provoking the development of an impairment in energy homeostasis and causing metabolic diseases, such as insulin resistance or TDM2. The metabolic endotoxemia, modifications in the secretion of incretins and butyrate production might explain the influence of the microbiota in these diseases.

Recognition of gut microbiota by NOD2 is essential for the homeostasis of intestinal intraepithelial lymphocytes.

NOD2 functions as an intracellular sensor for microbial pathogen and plays an important role in epithelial defense. The loss-of-function mutation of NOD2 is strongly associated with human Crohn's disease (CD). However, the mechanisms of how NOD2 maintains the intestinal homeostasis and regulates the susceptibility of CD are still unclear. Here we found that the numbers of intestinal intraepithelial lymphocytes (IELs) were reduced significantly in Nod2(-/-) mice and the residual IELs displayed reduced proliferation and increased apoptosis. Further study showed that NOD2 signaling maintained IELs via recognition of gut microbiota and IL-15 production. Notably, recovery of IELs by adoptive transfer could reduce the susceptibility of Nod2(-/-) mice to the 2,4,6-trinitrobenzene sulfonic acid (TNBS)-induced colitis. Our results demonstrate that recognition of gut microbiota by NOD2 is important to maintain the homeostasis of IELs and provide a clue that may link NOD2 variation to the impaired innate immunity and higher susceptibility in CD.

Lung microbiota promotes tolerance to allergens in neonates via PD-L1.

Epidemiological data point toward a critical period in early life during which environmental cues can set an individual on a trajectory toward respiratory health or disease. The neonatal immune system matures during this period, although little is known about the signals that lead to its maturation. Here we report that the formation of the lung microbiota is a key parameter in this process. Immediately following birth, neonatal mice were prone to develop exaggerated airway eosinophilia, release type 2 helper T cell cytokines and exhibit airway hyper-responsiveness following exposure to house dust mite allergens, even though their lungs harbored high numbers of natural CD4(+)Foxp3(+)CD25(+)Helios(+) regulatory T (Treg) cells. During the first 2 weeks after birth, the bacterial load in the lungs increased, and representation of the bacterial phyla shifts from a predominance of Gammaproteobacteria and Firmicutes towards Bacteroidetes. The changes in the microbiota were associated with decreased aeroallergen responsiveness and the emergence of a Helios(-) Treg cell subset that required interaction with programmed death ligand 1 (PD-L1) for development. Absence of microbial colonization(10) or blockade of PD-L1 during the first 2 weeks postpartum maintained exaggerated responsiveness to allergens through to adulthood. Adoptive transfer of Treg cells from adult mice to neonates before aeroallergen exposure ameliorated disease. Thus, formation of the airway microbiota induces regulatory cells early in life, which, when dysregulated, can lead to sustained susceptibility to allergic airway inflammation in adulthood.

Variações qualitativas e quantitativas na microbiota do solo e na fixação biológica do nitrogênio sob diferentes manejos com soja

Neste estudo foram avaliados atributos qualitativos e quantitativos da microbiota do solo, visando monitorar alterações por diferentes manejos do solo e das culturas. As avaliações foram feitas em um ensaio a campo, conduzido há 14 anos em Londrina, PR, sob plantio convencional (PC) ou plantio direto (PD) e com sucessão (S) (soja/trigo) ou rotação (R) (tremoço/milho/aveia-preta/soja/trigo/soja/trigo/soja) de culturas, quando todos os sistemas estavam com soja no estádio de florescimento pleno. Os incrementos no C e N da biomassa microbiana (CBM e NBM) no PD foram de 114 e 157 %, respectivamente, em comparação ao PC; além disso, o quociente metabólico (qCO2) foi inferior em 37 % no PD, indicando maior eficiência metabólica da microbiota do solo. Não foram detectadas diferenças nesses atributos em função dos sistemas de rotação e sucessão de culturas. A diversidade genética da comunidade bacteriana total do solo foi superior no PD e inferior no PC com sucessão de culturas. Em relação à fixação biológica do N2, a massa, o N total e a fração de N-ureídos acumulados na parte aérea e a eficiência dos nódulos em fixar N2 foram superiores no PD. A diversidade genética dos rizóbios foi afetada, principalmente, pelo manejo das culturas, sendo superior com a rotação, provavelmente pelo maior número de espécies de plantas. Contudo, com a rotação ocorreu decréscimo na eficiência do processo de fixação biológica do N2, o que pode estar relacionado com os teores mais elevados de N no solo, ou com a menor pressão de seleção por bactérias eficientes. Desse modo, para microrganismos do solo com função específica, como os rizóbios, a diversidade genética pode ser distinta da funcionalidade.

Impactos da aplicação de biossólidos na microbiota de solos tropicais

A aplicação de biossólidos de Estações de Tratamento de Esgotos (ETEs) em solos agrícolas e florestais tem sido uma das práticas alternativas preconizadas para a reciclagem desses resíduos orgânicos. No entanto, alguns biossólidos de ETEs podem conter metais e, ou, xenobiontes que poderiam afetar a microbiota. Neste trabalho, os impactos da aplicação de biossólidos das ETEs de Barueri e Franca (SP), com alta e baixa concentração de metais, respectivamente, na microbiota de um solo argiloso (Nitossolo Vermelho eutroférrico típico) e um arenoso (Neossolo Quartzarênico órtico típico) foram determinados em condições de microcosmos. Imediatamente após a adição de diferentes doses de biossólidos ao solo, e depois de 4, 8, 16, 32 e 64 dias de incubação, a respiração basal (RB), C na biomassa microbiana (CB), quociente metabólico (qCO2) e relação CB/C-orgânico do solo (CB/Corg) foram avaliados. No geral, a RB foi maior nos solos com maiores quantidades de biossólidos, sendo os maiores acréscimos verificados logo após a aplicação dos biossólidos. No solo arenoso, decréscimos significativos do CB foram observados nos tratamentos com as doses mais elevadas de biossólidos. O qCO2 foi maior nos solos com doses mais elevadas de biossólidos, mas diminuiu com o aumento do período de incubação. Independentemente do tipo de solo, CB/Corg foi maior nos solos que não receberam biossólidos, em relação aos solos que receberam biossólidos ricos em metais. A relação CB/Corg nos solos tratados com biossólidos ricos em metais diminuiu significativamente entre 4 e 16 dias de incubação, não sofrendo alterações posteriormente. Esses dados indicam que a aplicação de biossólidos nos solos analisados, independentemente do teor de metais, pode causar um estresse transiente na comunidade microbiana, dependendo da dose aplicada, e que alterações na estrutura das comunidades microbianas podem estar ocorrendo.

Atividade respiratória da microbiota e conteúdo de glicose em resposta à adição de fósforo em solo de Cerrado

A atividade metabólica dos microrganismos é um dos principais processos reguladores das transformações de nutrientes no solo. No entanto, a atividade microbiana do solo é influenciada por fatores como a disponibilidade de nutrientes, incluindo o P. Este trabalho teve como objetivo avaliar o efeito da adição de P (de 50 a 500 mg kg-1 de P no solo) na atividade respiratória da microbiota e nos teores de glicose extra e intracelular em um Latossolo Vermelho distrófico fase Cerrado. As amostras de solo foram avaliadas quanto ao C liberado (C-CO2) pela atividade microbiana; pelo C orgânico total e pela glicose extra e intracelular. Durante o período de incubação (31 dias), a adição de P aumentou a atividade respiratória diária de 6,30 para 23,59 (mg kg-1 dia-1 de C-CO2 no solo), quando comparado com o controle. No entanto, a relação entre C-CO2 liberado por dia, por unidade de P adicionado, diminuiu, mostrando uma redução da eficiência na utilização do P adicionado. O teor de glicose extracelular no solo foi menor do que o encontrado intracelularmente. Ao final de 31 dias de incubação, o teor de glicose intracelular reduziu-se em decorrência da adição de P no solo, sugerindo maior consumo de glicose pelos microrganismos nas condições de adição do nutriente. Houve correlação negativa (r= -0,98, p < 0,01) entre a respiração diária e a glicose intracelular. Aos 31 dias de incubação, o CO total do solo diminuiu com a adição de 500 mg kg-1 de P no solo. A estreita relação entre o aumento da atividade e a diminuição de glicose intracelular sugere que a resposta da microbiota à adição de P pode estar associada ao conteúdo do açúcar no solo.

Regulation of inflammatory responses by the commensal microbiota.

It is well established that dysregulation of the interactions between the immune system and commensal bacteria is one factor that underpins the development and chronicity of a number of inflammatory diseases. Certain phyla of bacteria within the microbiota have been associated with 'health', but the mechanisms by which the presence of these bacteria supports a healthy environment are still being unravelled. Recent evidence indicates that one such mechanism involves the anti-inflammatory properties of fermentation products of fibre, short-chain fatty acids and their signalling through the G-protein coupled receptor GPR43. Recent findings also indicate that, even in health, bacterial communities harbour in the airways, indicating that direct exposure to bacterial products at this site may provide a further explanation for how commensal bacteria can regulate chronic airway inflammation.

Biodegradação de glifosato pela microbiota de solos cultivados com macieira

O glifosato é um herbicida sistêmico, pós-emergente, não seletivo do grupo dos organofosforados, sendo amplamente usado em pomares de macieira no sul do Brasil, podendo causar consequências negativas para microrganismos benéficos do solo. O objetivo deste trabalho foi avaliar a capacidade de biodegradação do glifosato pela microbiota de solos de pomares de macieira, com diferentes históricos de aplicação do produto. Para isso, amostras de solos da região de Vacaria, RS, foram utilizadas, cuja biodegradação do glifosato foi avaliada monitorando a liberação de CO2 pelos microrganismos durante 32 dias, bem como quantificando os resíduos de glifosato e seu metabólito, o ácido aminometilfosfônico (AMPA), no início e no final do período pela extração seguida de análise por cromatografia líquida de alta eficiência. Os resultados evidenciaram que houve degradação do glifosato pelos microrganismos edáficos durante o período avaliado com formação do metabólito AMPA. O glifosato diminuiu o número de bactérias do solo, porém favoreceu o aumento da atividade microbiana. As bactérias presentes nos solos com histórico de menor tempo de aplicação do herbicida apresentaram maior capacidade de degradação do produto, quando comparadas àquelas existentes em solos com maior período de aplicação de glifosato.

Solubilização Potencial de Fosfatos Mediada pela Microbiota Rizosférica de Eucalipto Cultivado em Topossequência Típica da Zona da Mata Mineira

O uso de fosfatos naturais, aliado ao adequado manejo de microrganismos do solo solubilizadores de fosfato, é uma alternativa para reduzir os custos da adubação fosfatada. No entanto, ambas as práticas requerem a avaliação prévia do potencial da microbiota rizosférica em solubilizar fontes de P pouco reativas em condições de campo. O objetivo deste trabalho foi avaliar o potencial da microbiota do solo de solubilizar os fosfatos de Ca, Fe, Al, além dos fosfatos naturais de Araxá e Catalão em amostras de solo rizosférico e não rizosférico de plantio do hibrido Eucalyptus grandis × E. urophylla, localizados em três pontos de uma topossequência típica da Zona da Mata de Minas Gerais. Adicionalmente, avaliou-se a atividade de fosfatases ácidas e alcalinas sob as mesmas condições experimentais. A microbiota rizosférica das plantas do topo e da baixada apresentou maior potencial de solubilização de fosfato de Ca (5.745,09 e 6.452,80 μg de P, respectivamente), enquanto o solo da encosta não apresentou diferenças entre as fontes inorgânicas testadas. O fosfato de Catalão foi a fonte de fosfato natural com maior potencial de solubilização (1.209,71 μg de P) pela microbiota do solo nas condições avaliadas. O pH final do meio de cultura correlacionou-se negativamente com os valores de P solubilizado, indicando que a acidificação do ambiente foi um dos mecanismos de solubilização utilizados pela microbiota rizosférica in vitro. A atividade das fosfatases ácida e alcalina foi maior na rizosfera de plantas do topo, área com maior teor de matéria orgânica. Não foi observada correlação clara entre o potencial de solubilização de fosfato ou a atividade das fosfatases com o diâmetro médio à altura do peito das árvores do plantio. Este estudo demonstra o efeito da topografia no potencial de solubilização da microbiota do solo, que é influenciada positivamente pelo teor de matéria orgânica do solo.

Microbiota present in cystic fibrosis lungs as revealed by whole genome sequencing.

Determination of the precise composition and variation of microbiota in cystic fibrosis lungs is crucial since chronic inflammation due to microorganisms leads to lung damage and ultimately, death. However, this constitutes a major technical challenge. Culturing of microorganisms does not provide a complete representation of a microbiota, even when using culturomics (high-throughput culture). So far, only PCR-based metagenomics have been investigated. However, these methods are biased towards certain microbial groups, and suffer from uncertain quantification of the different microbial domains. We have explored whole genome sequencing (WGS) using the Illumina high-throughput technology applied directly to DNA extracted from sputa obtained from two cystic fibrosis patients. To detect all microorganism groups, we used four procedures for DNA extraction, each with a different lysis protocol. We avoided biases due to whole DNA amplification thanks to the high efficiency of current Illumina technology. Phylogenomic classification of the reads by three different methods produced similar results. Our results suggest that WGS provides, in a single analysis, a better qualitative and quantitative assessment of microbiota compositions than cultures and PCRs. WGS identified a high quantity of Haemophilus spp. (patient 1) or Staphylococcus spp. plus Streptococcus spp. (patient 2) together with low amounts of anaerobic (Veillonella, Prevotella, Fusobacterium) and aerobic bacteria (Gemella, Moraxella, Granulicatella). WGS suggested that fungal members represented very low proportions of the microbiota, which were detected by cultures and PCRs because of their selectivity. The future increase of reads' sizes and decrease in cost should ensure the usefulness of WGS for the characterisation of microbiota.

Gut microbiota metabolism of dietary fiber influences allergic airway disease and hematopoiesis.

Metabolites from intestinal microbiota are key determinants of host-microbe mutualism and, consequently, the health or disease of the intestinal tract. However, whether such host-microbe crosstalk influences inflammation in peripheral tissues, such as the lung, is poorly understood. We found that dietary fermentable fiber content changed the composition of the gut and lung microbiota, in particular by altering the ratio of Firmicutes to Bacteroidetes. The gut microbiota metabolized the fiber, consequently increasing the concentration of circulating short-chain fatty acids (SCFAs). Mice fed a high-fiber diet had increased circulating levels of SCFAs and were protected against allergic inflammation in the lung, whereas a low-fiber diet decreased levels of SCFAs and increased allergic airway disease. Treatment of mice with the SCFA propionate led to alterations in bone marrow hematopoiesis that were characterized by enhanced generation of macrophage and dendritic cell (DC) precursors and subsequent seeding of the lungs by DCs with high phagocytic capacity but an impaired ability to promote T helper type 2 (TH2) cell effector function. The effects of propionate on allergic inflammation were dependent on G protein-coupled receptor 41 (GPR41, also called free fatty acid receptor 3 or FFAR3), but not GPR43 (also called free fatty acid receptor 2 or FFAR2). Our results show that dietary fermentable fiber and SCFAs can shape the immunological environment in the lung and influence the severity of allergic inflammation.

Efeito de métodos de coleta de fluido ruminal em bovinos sobre alguns parâmetros ruminais e microbiológicos

Estudou-se o efeito de três métodos de coleta (manual, bomba a vácuo e sonda nasoesofageana) sobre os teores de ácidos graxos voláteis totais (AGVt), nitrogênio amoniacal e número de protozoários no fluido ruminal de bovino. Utilizou-se o delineamento inteiramente casualizado, com três tratamentos e cinco repetições. Os resultados revelaram que o método da sonda nasoesofageana proporcionou valores menores dos ácidos propiônico, butírico, AGVt e de nitrogênio amoniacal no fluido ruminal. O número total de protozoários não foi afetado pelos métodos de coleta de conteúdo ruminal. O método de coleta manual e por meio de bomba a vácuo mostraram-se eficientes para os parâmetros estudados.

Degradabilidad ruminal del forraje disponible en la pradera y del aparentemente consumido por vacas lecheras

Se evaluó la dinámica degradativa de forrajes, en muestras de una pradera permanente (Lolium perenne L.), manejadas a dos alturas de pradera, alta y baja. Las muestras consistieron en forraje disponible a ras de suelo (FD) y en forraje aparentemente consumido por vacas lecheras en pastoreo continuo (FS). La degradabilidad ruminal se estudió usando la técnica de las bolsas de dacrón y los datos fueron ajustados a una ecuación exponencial. La fracción soluble (g/kg MS), de la materia seca (MS) (299 v/s 351, s.e.d.= 5,4), de la materia organica (MO) (304 v/s 376, s.e.d.= 3,3) y del nitrógeno (250 v/s 301, s.e.d.= 6,4), fueron significativamente mayores (P<0,05) en muestras de FS que en muestras de FD. La degradabilidad potencial (g/kg MS) de MS, MO y nitrógeno, fue significativamente mayor (P<0,05) en las muestras de FS, que en las muestras de FD. La degradabilidad efectiva fue mayor en las muestras de FS, que en las muestras de FD, tanto para la MS (474 v/s 508, s.e.d.= 13,0), MO (490 v/s 529, s.e.d.= 11,6) y nitrógeno (351 v/s 419, s.e.d.= 10,0). Respecto del factor altura, sólo se encontró un efecto significativo en la degradabilidad efectiva en el nitrógeno, en favor de la altura baja (365 v/s 406, s.e.d.= 10,0).

Pó de forno de aciaria elétrica na microbiota do solo e no crescimento de soja

Devido à grande produção de resíduos de siderurgia, tem sido indicado seu aproveitamento na agricultura como fonte alternativa de micronutrientes. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da aplicação do pó de forno de aciaria elétrica na microbiota de solos e sua potencialidade no fornecimento de micronutrientes à soja. O experimento foi realizado em casa de vegetação, com delineamento inteiramente ao acaso, com dois tipos de solo (Latossolo Vermelho-Amarelo (LVA) e Latossolo Vermelho (LV)) e quatro doses de pó de aciaria elétrica (0, 0,75, 1,50 e 3,00 g vaso-1 equivalendo a 0, 1, 2 e 4 t ha-1), com quatro repetições. Os solos foram corrigidos e fertilizados antes da adição do resíduo e semeadura de soja inoculada, em vasos de plástico de 1,5 L (duas plantas por vaso). Na floração, coletaram-se as plantas e amostras de solo de todos os tratamentos, para determinação da matéria seca da parte aérea e raízes, teores foliares de B, Cu, Fe, Mn, Zn, Cd e Pb, número de nódulos e sua matéria seca, atividade da nitrogenase dos nódulos, presença de diazotróficos associativos, respiração microbiana, C-biomassa microbiana e qCO2. Há respostas diferenciadas das comunidades microbianas dos solos LVA e LV ao resíduo de siderurgia aplicado, e essas comunidades demonstram maior sensibilidade ao efeito do resíduo de siderurgia do que os parâmetros de crescimento e nodulação da soja. O resíduo de siderurgia apresenta potencial de utilização como fonte de Zn à cultura da soja, nas doses de 0,5 e 1,4 t ha-1 em relação ao LVA e LV, respectivamente.

Efeito da suplementação orgânica sobre a toxidez do fungicida clorotalonil na microbiota do solo

Avaliou-se o efeito da suplementação do solo com material orgânico (aveia nas proporções de 0, 7,5 e 15 g kg-1), sobre a toxidez do fungicida clorotalonil (0, 12 e 48 µg de i.a. g-1 de solo), na microbiota do solo. As avaliações ocorridas aos 11 e 26 dias após esta aplicação demonstraram que, embora tenha ocorrido uma recuperação do carbono da biomassa microbiana, as doses de aveia utilizadas ainda não foram suficientes para inibir o efeito adverso do fungicida. Os resultados de comprimento de hifas vivas demonstraram que não foi possível recuperar a população fúngica do solo na maior dose do fungicida.