26
1 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing REPORT PiGutNet FA1401 Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing BACKGROUND and AIMS The 16S rRNA gene amplicon sequencing is currently the most costeffective means to comprehensively assign bacterial taxonomy and to characterize the microbial profile. Although standardized primers and computational workflows have been developed, sample processing for DNA extraction remains a continued source of variability across studies. Indeed, even if all methods are based on chemical or mechanical disruption and lysis with detergents, or a mixture of these approaches, many different DNA extraction kits and protocols are used, each with its potential error. In addition, part of the variability ascribed to laboratories are not well characterized and defined in the standardized workflow. Taking advantage of the PiGutNet network, we set up a ring test including 11 partners (see the list in Appendix I) with the main objective to test and verify the reproducibility of the microbial sequencing data from intestinal content among different laboratory in Europe. Furthermore, a second purpose of the ring test was to highlight the difference between different DNA extraction kits commonly used for the 16S rRNA gene. SAMPLE PREPARATION and DNA EXTRACTION A total of 9 replicates (600 mg each) of 3 pools were prepared by mixing a total of 12 lyophilized cecum samples (3mg per sample) obtained from heavy pig by one of the partners (UNIBO). A single replicate of each poll was delivered to the 9 PiGutNet partners (Table 1). Among the different laboratories of the partners, 8 different protocols were used including 4 different commercial DNA extraction kits, a

REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

REPORT  

PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction  

for 16S rRNA sequencing 

 

BACKGROUND and AIMS 

The 16S  rRNA gene amplicon  sequencing  is  currently  the most  cost‐effective means  to  comprehensively 

assign bacterial taxonomy and to characterize the microbial profile.  

Although standardized primers and computational workflows have been developed, sample processing for 

DNA extraction  remains a  continued  source of variability across  studies.  Indeed, even  if all methods are 

based on chemical or mechanical disruption and  lysis with detergents, or a mixture of these approaches, 

many different DNA extraction kits and protocols are used, each with its potential error. In addition, part of 

the variability ascribed to laboratories are not well characterized and defined in the standardized workflow.  

Taking  advantage  of  the  PiGutNet  network, we  set  up  a  ring  test  including  11  partners  (see  the  list  in 

Appendix I) with the main objective to test and verify the reproducibility of the microbial sequencing data 

from  intestinal content among different  laboratory  in Europe. Furthermore, a second purpose of the ring 

test was to highlight the difference between different DNA extraction kits commonly used for the 16S rRNA 

gene.  

SAMPLE PREPARATION and DNA EXTRACTION 

A total of 9 replicates  (600 mg each) of 3 pools were prepared by mixing a total of 12  lyophilized cecum 

samples  (3mg per sample) obtained  from heavy pig by one of the partners  (UNIBO). A single replicate of 

each  poll was  delivered  to  the  9  PiGutNet  partners  (Table  1).  Among  the  different  laboratories  of  the 

partners, 8 different protocols were used including 4 different commercial DNA extraction kits, a  

Page 2: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

combination of commercial and customised RNA extraction kit, and a protocol with TRIzol as reported  in 

Table 1.  In details, one partner used the QuickExtract™ Bacterial DNA Extraction Kit  (Epicentre, Madison, 

WI)  using  the  manufacturer’s  instructions;  two  partners  used  the  FastDNA™  SPIN  Kit  for  Soil  (MP 

Biomedical, Solon, OH, USA) following the manufacturer’s instructions; one partner used a combination of 

Repeated Bead Beating (RBB) with S.T.A.R buffer (Roche Molecular Systems, USA) and Maxwell automated 

system with customised RNA extraction kit; one partner used the Purelink Microbiome DNA Extraction kit 

(Invitrogen);  one  partner  used  the  Omega  E.Z.N.A.  Stool  Kit  (Omega  Bio‐Tek,  Norcross,  Georgia,  USA) 

according to the manufacturer’s  instruction; four partners used the QIAamp® DNA Stool mini kit (Qiagen, 

Hilden, Germany) according to the manufacturer’s instruction, while two partners used the QIAamp® DNA 

Stool mini modifying  the  standard protocol by  the addition of  two bead‐beating  steps  (FastPrep‐24, MP 

Biomedicals, Illkirsh, France), as described by Leblois et al. (2017); one partner used the protocol of TRIzol®  

reagent from Invitrogen (Silva and Fricke 2018).  

The DNA extraction was carried out in triplicate for each pool for a total of 117 samples. The extracted DNA 

samples were then frozen and stored at ‐20 until further analysis.  

MICROBIOTA ANALYSIS  

Total Bacteria DNA was delivered from all partners to one of the partners of PiGutNet at the INRA, Jouy‐en‐

Josas,  France.  Cecum  DNA  concentration  and  its  purity  (absorbance  ratio  260/230  and  260/280) were 

measured  by  Nanodrop  mass  spectrophotometry  before  dilution  the  dilution  to  50  ng/μl  for  library 

preparation.  The  library  formation  and  sequencing  analysis  of  the  of  the  V3–V4  [V3fwd: 

TACGGRAGGCAGCAG, V4rev: GGACTACCAGGGTATCTAAT;  (Wilson et al., 1990)]  region of 16S  rRNA gene 

were carried out using an MiSeq® Reagent Kit V3‐V4 on an MiSeq‐Illumina® platform (INRA, Jouy‐en‐Josas,  

Page 3: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

France) during the training school “Analysis of porcine metagenomic” organized by the PiGutNt in February 

2016.   

BIOINFORMATIC AND STATISTICAL ANALYSIS  

The  sequencing data analysis  for microbiota  community was  carried out with a workflow employing  the 

Quantitative  Insights Into Microbial Ecology (QIIME) pipeline (Caporaso et al., 2010).   De‐multiplexing and 

initial sequence quality filtering were done with the “split_libraries.py” script using the default settings of 

QIIME.  The  generated  sequences were  analysed  using  a  subsampled  open‐reference OTU  strategy with 

default  settings  in QIIME  (v1.9.1)  and  clustering of Operational  Taxonomic Units  (OTUs) was performed 

using UCLUST with 97% sequence similarity. Representative sequences were assigned taxonomy against the 

Greengenes database V13_8 using the UCLUST method with a 90% confidence threshold.  

Data were  low‐abundance  filtered  by  removal  of  OTUs with  a  relative  abundance  ≤0.005 %  across  all 

samples (Bokulich et al., 2013) and chimera checked using the Blast_fragments approach in QIIME (Altschul 

et al., 1990). The samples  that reported  low sequencing yield  (less  than 15000 reads after quality check) 

were excluded from the analysis. Finally, the rarefaction was carried out to get an even number of reads 

per sample. The final dataset was composed of 100 samples and 1362 OTUs. 

Shannon’s  index  (for  alpha  diversity  index)  and  Bray  Curtis  distance  matrix  (for  Beta  diversity)  were 

calculated  and  differences  were  tested  using  an  ANOVA  model  including  laboratory  and  protocol  of 

extraction and their interaction as factors. The same ANOVA model was fitted separately to DNA 

yield and quality  (A260/280 and A60/230) measurements. The  influence of DNA quantity and quality on 

Shannon’s  index and Bray Curtis distance matrix was tested using a  further ANOVA model  including DNA 

concentration and A260/280 and A60/230 values as factors. To assess the variability between the pools an  

Page 4: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

ANOVA model was carried out on overall samples including pool (I, II, III) as factor. In addition, to assess the 

repeatability  and  reproducibility  of  values  obtained  in  the  ring  test,  the  variance  decomposition  was 

performed following the methods reported by Youden and Steiner (1975).  

Biostatistical analyses on Alpha and Beta Diversity and Taxonomic Composition were performed in R v3.3.2 

using the phyloSeq (McMurdie et al., 2013) and Vegan (Dixon, 2003) packages. 

RESULTS  

Quality and Quantity of Genomic DNA  

Table  2  reports  the  DNA  yields  and  quality  among  laboratories  and  protocols.  Spectrophotometric 

measurements of the extracted DNA showed differences  in quantity (ng per μl of DNA) according to both 

laboratories  (P<0.0001).  The  highest  quantities  of  DNA  were  obtained  with  the  Omega  E.Z.N.A.  Stool 

Kit used by Aarhus (4632 ±938.5 ng/μl) and with the customized protocol used by WUR (415.6±62.2 ng/μl) 

compared to the others Laboratories.  

The DNA quality  (260/280 and 260/230 values) was  influenced by both  the Laboratory and  the protocol. 

None  of  the  DNA  extracts  had  a  ratio  of  absorbance  at  260  nm  and  280  nm  (A260/280)  below  1.8, 

indicating no presence of contaminants  (typically proteins and/or phenol) that absorb at a slightly higher 

wavelength  than  DNA.    Some  of  the  DNA  extracts  had  a  ratio  of  absorbance  at  260  nm  and  230  nm 

(A260/230)  higher  than  2.0  (maximal  value  or  pure DNA)  particularly  the  samples  extracted  by  Aarhus 

(Omega E.Z.N.A. kit) and IATA‐CSIC (Epicentre kit), while others samples had a very low A260/230 including 

samples extracted by HOHENHEIM and UNIBO (Soilkit).  

 

 

Page 5: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

Taxa composition  

A total of 1,746,300 quality checked reads were obtained, which returned a total of 1,362 different OTUs, 

distributed among the 100 samples. 

Nine different Phyla were  identified  in the cecal samples, most of which had a  low abundance (<1%), the 

dominant Phyla on overall samples were Firmicutes  (49.5%) and Bacteroidetes  (45.2%)  (Figure 1). At  the 

Family  level  of  taxonomic  classification,  43  different  Family were  assigned  and  the most  abundant  on 

overall samples were Prevotellaceae  (39.7%), Clostridiaceae  (14.7%) and Lachnospiraceae  (12.1%)  (Figure 

2). At the genus level of taxonomic classification, 76 different genera were assigned and the most abundant 

on  overall  samples  were  Prevotella  (39.5%),  Unclassified  Clostridiaceae  (13.6%),  Unclassified 

Lachnospiraceae (7.8%), Unclassified Clostridiales (5.0%) and Streptococcus (4.3%) (Figure 3). 

Alpha diversity indices 

The OTUs distribution fairly constant for the experimental factors and the Shannon  indices values did not 

show significant differences for  laboratory, extraction protocols and their  interaction (Tables 3; Figure 4). 

No significant differences in alpha diversity indices were observed among laboratories which used the same 

protocol (Figure 5). A weaktest, attention was focused on the variability  but significant effect of A260/280 

was observed on  the  Shannon  index  (P  =  0.04; R2  =  0.04). No  significant differences  in  the  alpha  index 

among samples were identified (Figure 6). The repeatability of the analytical method (pure error) was 0.227 

(as standard deviation of Shannon index), the reproducibility (which includes the variance of pure error, the 

one of Lab and their interaction) was 0.480 (as standard deviation of Shannon index). The calculated mean 

standard error of Shannon index distribution was 0.480 for N = 1 replicate (only one replicate per each of  

 

Page 6: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

the 3 samples) and decreased to 0.342 and to 0.281 by increasing the number of analysed replicates for the 

same sample to 2 and 3 respectively. 

Beta diversity indices  

No significant differences  for  laboratory nor  for protocol or  their  interaction were observed  for  the Beta 

diversity (Bray‐Curtis distance) by using the Adonis test. Among laboratories which used the same protocol 

(QIAamp® DNA Stool mini kit and FastDNA™ SPIN Kit for Soil) no difference was observed. No well‐defined 

clusters were  showed  in  Non‐Metric Multidimensional  Scaling  (NMDS)  plot  of  the  Bray‐Curtis  distance 

matrix  for  laboratory  neither  for  the  protocol  (Figures  7  ‐  8).  In  addition,  no  defined  cluster  for  the 

laboratory was visualised among samples extracted using common DNA extraction protocol (Figure 9). The 

DNA quantity  (P = 0.01), as well as  the A260/280 values  (P = 0.03),  influenced  the Bray‐Curtis distance, 

although a not well‐defined trend can be observed  in the NMDS (Figure 10). No significant differences  in 

the beta diversity among samples were identified (Figure 11).  

DISCUSSION  

The  increasing  interest  on  the microbial  profile  characterisation  through  sequencing  of  16S  rRNA  gene 

regions made necessary  standardization of  the protocols  to obtain  these data. Variability among  studies 

can be ascribed to the extraction of DNA, the selected sequenced region of the 16S rRNA gene, the selected 

primers,  the  sequencing machine  as well  as  the  bioinformatics  pipeline.  In  this  ring  test,  attention was 

focused on the variability ascribed to the DNA extraction, while all others factors were fixed.  

The  protocols  for  bacterial  DNA  extraction  included  in  the  ring  test  employed  both  chemical  and 

mechanical disruption of cells by bead beat. Our data showed a wide variability among laboratories for the 

quantity of extracted DNA. A higher quantity was observed in protocols which included the RBB, however  

Page 7: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

that observation was not  confirmed by  the  results of Qiagen kit with or without RBB modification  step, 

indicating  that additional  factors  such as  the agitation  speeds may have modified  the obtained DNA. All 

DNA of the extracted samples had a good A260/280 ratio, while some samples had a low A 260/A230 ratio 

which may be due to the residual phenol from nucleic acid extraction or the residual guanidine (often used 

in column based kits). 

Determining  the  bacterial  community  structure  in  the  hind‐gut  samples  using  amplification  and  NGS 

analysis of extracted DNA has reformed gastrointestinal microbiology research over recent years. Previous 

studies  have  demonstrated  differences  among  DNA  extraction  kits  and  protocols  from  human  faecal 

samples, evidencing controversial results by detection with PCR (McOrist et al., 2002), qPCR (Maukonen et 

al., 2012) and more  recently using  the sequencing of 16S  rRNA  regions  (Kennedy et al., 2014; Wu et al., 

2010).  

Our  study  evidenced  a  heterogeneous  distribution  in  the mean  numbers  of  Taxa  and OTUs  among  the 

tested  protocols  and  among  laboratories,  indicating  a  large  variation  in  the  capability  of  recovering  a 

certain given bacterial community. However,  in contrast with the previous results of Wu et al (2010) and 

Burbach et al. (2016) in which differences in terms of alpha and beta diversity indices were observed, in our 

ring  test no  significant differences were detected. However,  the  lack of  differences  among protocols  in 

terms of alpha and beta indices could be due to the high similarity among samples, since no experimental 

factor (i.e. different diet or health status) affecting the samples was  included; thus we cannot assert that 

different protocols do not influence the microbial community profile under experimental condition.  

Vaidya et al. (2018) showed that RBB steps can influence the bacterial community of liquid rumen fractions 

of dairy cows. In contrast to Vaidya et al., (2018) our data did not evidence this difference, especially in the  

Page 8: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

case of QIAamp DNA Stool Minikit kit, which was used by partners following the manufactural instruction or 

by adding  the RBB modifications. On  the other hand, our data  indicated  that DNA quantity and quality, 

which may result influenced by the RBB steps or by the different solvent used for the DNA extraction, can 

weakly affect the beta diversity index on cecum microbial community. However, since a not clear trend can 

be observed in the NMDS plot, further studies are needed to confirm our observation.  

Furthermore, our ring test highlights that different laboratory did not influence the cecum microbial profile, 

without  contribution  in  the  general  bias  of  DNA  extraction.  This  could mostly  be  appreciated  by  the 

comparison of alpha and beta indices in the four partners which used the QIAamp DNA Stool Minikit and by 

the two partners which use the FastDNA™ SPIN Kit for Soil.  

In addition, it is important to note that a wide variability was also observed between the replicates of the 

same samples in the majority of the laboratories. However, one of the partners (Aarhus) obtained a lower 

variability  between  the  replicates,  suggesting  that  internal  source  of  variation  can  be  reduced,  i.e.  by 

improving the standardization of  internal  laboratory protocol for bacterial DNA extraction. We could also 

infer  that variance within  replicates appear quite wide because  the pools were similar  to each other  (no 

factor  of  variation  during  animals’  life)  and  no  outgroup  to  rescale  the  dispersion  were  included.  In 

addition, the results of the variance partitioning for Shannon index indicate that an increase in the number 

of replicates for a sample from one to two allows reducing the mean standard error by 28% supporting that 

this can be a way to improve the power of tests done on pig intestinal samples, although this would raise 

the costs of an experiment. More attention should be paid to reduce the pure analytical error (the sample 

repeatability) that affected the results more than the reproducibility, although this statistical method has 

not  commonly  applied  in  NGS microbial  studies.  A  possible  reason  is  that  this  test  can  be  applied  to 

univariate data, such as Shannon index, while it is not easily applicable to multivariate microbiological data. 

Page 9: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

CONCLUSION  

Whilst  the DNA extraction protocols affected the DNA quantity and quality, no single extraction protocol 

could be concluded to be more effective in influencing the apparent bacterial community composition. This 

lack could be also related  to the  low variability between the tested samples  joined to the averagely high 

variability between the replicates within each sample and, finally, to the low representability of kits.  

Further  researches  on  this  field  are  needed  to  improve  the  protocol  standardization  among  studies,  as 

already  implemented  for other matrix  and  species,  following  the  increasing  interest  in microbial profile 

characterization in pigs. 

REFERENCES 

Altschul SF, Gish W, Miller W, Myers EW, Lipman DJ. Basic local alignment search tool. Journal of Molecular 

Biology. 1990 Oct;215(3):403–10.  

Bokulich NA, Subramanian S, Faith JJ, Gevers D, Gordon JI, Knight R, et al. Quality‐filtering vastly improves 

diversity estimates from Illumina amplicon sequencing. Nature methods. 2013;10(1):57–9. 

Burbach  K,  Seifert  J,  Pieper DH,  Camarinha‐Silva  A.  Evaluation  of DNA  extraction  kits  and  phylogenetic 

diversity of  the porcine gastrointestinal  tract based on  Illumina sequencing of  two hypervariable regions. 

MicrobiologyOpen. 2016;5(1):70–82.   

Camarinha‐Silva  A.,  Fricke  W.F.  (2018)  Molecular  Microbiome  Analysis.  In:  Haller  D.  (eds)  The  Gut 

Microbiome in Health and Disease. Springer, Cham.  

 

 

Page 10: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

10 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

Caporaso, J. G., Kuczynski, J., Stombaugh, J., Bittinger, K., Bushman, F. D., Costello, E. K., et al. (2010). QIIME 

allows  analysis  of  high‐throughput  community  sequencing  data.  Nat.  Methods  7,  335–336.  doi: 

10.1038/nmeth.f.303 

Dixon P. VEGAN, a package of R functions for community ecology. Journal of Vegetation Science. Blackwell 

Publishing Ltd; 2003 Dec;14(6):927–30.  

Kennedy NA, Walker AW, Berry SH, Duncan SH, Farquarson FM, Louis P, et al. The impact of different DNA 

extraction kits and  laboratories upon  the assessment of human gut microbiota composition by 16S rRNA 

gene sequencing. PLoS ONE. 2014;9(2):1–9.  

Maukonen  J, Simo˜es C, Saarela M  (2012) The currently used commercial DNA‐ extraction methods give 

different  results  of  clostridial  and  actinobacterial  populations  derived  from  human  fecal  samples.  FEMS 

Microbiol Ecol 79: 697– 708. doi:10.1111/j.1574–6941.2011.01257.x.  

McMurdie PJ, Holmes S, Kindt R, Legendre P, O’Hara R. phyloseq: An R Package for Reproducible Interactive 

Analysis and Graphics of Microbiome Census Data. Watson M, editor. PLoS ONE. Public Library of Science; 

2013; 8(4):e61217.  

McOrist AL, Jackson M, Bird AR (2002) A comparison of five methods for extraction of bacterial DNA from 

human faecal samples. J Microbiol Methods 50: 131–139. doi:10.1016/S0167‐7012(02)00018‐0.  

Vaidya  Jueeli  D.,  van  den  Bogert  Bartholomeus,  Edwards  Joan  E.,  Boekhorst  Jos,  van  Gastelen  Sanne, 

Saccenti  Edoardo,  Plugge  Caroline  M.,  Smidt  Hauke.  Effect  of  DNA  extraction  methods  on  observed 

microbial  communities  from  fibrous  and  liquid  rumen  fractions of dairy  cows.  Frontiers  in Microbiology 

2018, 9: 92. DOI=10.3389/fmicb.2018.00092 

Page 11: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

11 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

Wilson, K.H., Blitchington, R.B., and Greene, R.C. (1990) Amplification of bacterial 16S ribosomal DNA with 

polymer‐ ase chain reaction. J Clin Microbiol 28: 1942–1946. 

Wu GD, Lewis JD, Hoffmann C, Chen Y, Knight R, Bittinger K, et al. Sampling and pyrosequencing methods 

for  characterizing  bacterial  communities  in  the  human  gut  using  16S  sequence  tags. Bmc Microbiology. 

2010;10:206 

Youden, W. J., and Steiner, E. H. (1975). Statistical manual of the association of official analytical chemists 

(No. LC‐0111). Aoac International. 

 

 

 

Page 12: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

12 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

Figure 1. Taxonomy composition at Phylum level among different protocols of DNA extraction (A) and different laboratories (B).        

Page 13: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

13 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

   

 Figure 2. Taxonomy composition at Family level among different protocols of DNA extraction (A) and different laboratories (B).     

Page 14: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

14 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

 Figure 3. Taxonomy composition at Family level among different protocols of DNA extraction (A) and different laboratories (B).   

 

 

Page 15: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

15 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

 

 Figure 4. Alpha diversity indices among different laboratories of PiGutNet partners  

 

Page 16: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

16 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

 Figure 5. Alpha diversity indices among different laboratories of PiGutNet partners using the same bacterial DNA extraction protocol.     

Page 17: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

17 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

  

 Figure 6. Alpha diversity indices among the three different pool samples   

Page 18: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

18 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

 Figure 7. Non‐Metric Multidimensional Scaling (NMDS) plot on Bray‐Curtis distance matrix among different laboratories.      

Page 19: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

19 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

 Figure 8. Non‐Metric Multidimensional Scaling (NMDS) plot on Bray‐Curtis distance matrix among different protocols.   

Page 20: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

20 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

 Figure 9. Non‐Metric Multidimensional Scaling  (NMDS) plot on Bray‐Curtis distance matrix between  laboratories using  the same protocol  for bacterial DNA extraction.          

Page 21: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

21 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

 Figure 10. Non‐Metric Multidimensional Scaling (NMDS) plot on Bray‐Curtis distance matrix evidencing the influence of DNA concentration and of A260/280 values.   

 

 

 

 

Page 22: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

22 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 

 

Figure 11.  Results of the Anosism test for on Bray Curtis distance matrix among three different polls. The red box plot represents the between samples variability. Blue, green and purple boxplot represent the within variability in pool 1,2,3 respectively 

 

 

Page 23: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

23 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

   Table 1. PiGutNet partners involved in the ring test and relative kit and protocols used for bacterial DNA extraction.  

KIT  Producer  Protocol  Label N. of 

Laboratory   Partner  

QuickExtract™ Bacterial DNA Extraction Kit 

Epicentre  manufacturer’s instructions  Epicentre  1  IATA‐CSIC 

FastDNA_Soil MP 

Biomedical manufacturer’s instructions  Soilkit  2  UNIBO; HOHENHEIM 

Customised RNA extraction kit  WUR  confidential  MIB  1  WUR 

Purelink Microbiome DNA Extraction kit  

Invitrogen  manufacturer’s instructions  Purelink  1  UCO 

Omega E.Z.N.A. Stool Kit   Omega Bio‐

Tek manufacturer’s instructions + two bead‐beating steps 

Omega  1  Aarhus 

QIAamp DNA Stool Mini Kit  Qiagen  manufacturer’s instructions  Qiagen  4 CREA; TEAGASC; ULG; IATA‐

CSIC 

QIAamp DNA Stool Mini Kit  Qiagen manufacturer’s instructions + two bead‐beating steps 

Qiagen_BB  1  TEAGASC; ULG 

Trizol  Invitrogen  Trizol protocol  Trizol  1  HOHENHEIM 

 

   

Page 24: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

24 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

  Table 2. Purity and yield of genomic DNA extracted from pig cecum samples 

PR1  Lab2  N3 DNA yield (ng/μl) 

P‐value   DNA purity 

A260/280 

P‐value  DNA purity A260/230 

P‐value  

PR  Lab PR x Lab  PR  Lab 

PR x Lab   PR  Lab 

PR x Lab  

Epicentre  IATA‐CSIC 3 

256.3±126.6  0.30  <.0001

0.90  2.14±0.04  <.001  < .0001  <.001  2.22±0.04  <.0001  <.0001  <.0001 

MIB  WUR  9  415.6±62.2  1.94±0.01  1.99±0.07 

PureLink  UCO  9  57.2±18.5  1.85±0.03  1.52±0.17 Omega E.Z.N.A.   Aarhus 

7 4632 ±938.5  2.13±0.1  2.26±0.02 

QiagenBB  TEAGASC  9  59.7±12.9  2.38±0.06  0.33±0.06 

QiagenBB  ULG  9  63.6±15.0  2.23±0.04  1.38±015 

Qiagen  CREA  9  26.13±8.8  2.02±0.2  0.66±0.19 

Qiagen  IATA‐CSIC  3  159.7±80.1  1.86±0.02  1.39±0.18 

Qiagen  TEAGASC 9 

109.6±33.85  2.29±0.03  0.54±0.12 

Qiagen  ULG  9  22.2±7.0  2.35±0.04  0.77±0.17 

Soilkit  HOHENHEIM 8 

272.05±109.8  1.93±0.1  0.3±0.09 

Soilkit  UNIBO  8  172±43.3  1.92±0.04  0.19±0.05 

Trizol  HOHENHEIM  8  23.5±24.6           1.93±0.03           0.42±0.23          1PR stands for used protocol for DNA extraction 2 Lab stands for laboratory  3 N stands for number of analysed samples    

Page 25: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

25 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 Table 3. Alpha diversity indices in different laboratory.  

PR1  Lab2  N3  ObservedSD 

Observed  ShannonSD 

Shannon 

P‐value  PR  Lab  PR x Lab 

Epicentre  IATA‐CSIC  3  936.33  187.46  5.12  0.22  0.42  0.97  0.99 MIB  WUR  9  1004.00  53.91  5.01  0.33 PureLink  UCO  9  994.56  89.85  5.04  0.30 Omega E.Z.N.A  Aarhus 

7 1045.43  21.12  5.07  0.22 

QiagenBB  TEAGASC  9  976.44  68.12  5.12  0.18 QiagenBB  ULG  9  1022.56  64.55  5.11  0.20 Qiagen  CREA  9  983.22  85.33  5.04  0.24 Qiagen  IATA‐CSIC  3  1057.67  23.18  5.03  0.19 Qiagen  TEAGASC  9  1031.56  63.20  5.10  0.23 Qiagen  ULG  9  1006.00  112.71  5.09  0.18 Soilkit  HOHENHEIM  8  1006.13  64.63  4.93  0.22 Soilkit  UNIBO  8  1003.00  63.32  4.92  0.25 Trizol  HOHENHEIM  8  994.75  61.60  4.98  0.24          1PR: stands for used protocol for DNA extraction 2 Lab: stands for laboratory  3 N: stands for number of analysed samples    

Page 26: REPORT Comparative Test for bacterial DNA extraction€¦ · 2 COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing combination of

26 

COST Action PiGutNet FA1401 ‐ Comparative test for bacterial DNA extraction for 16S rRNA sequencing 

 Appendix I. List of involved PiGutNet partners 

Country  Name of Institute   Label in the Report 

Belgium (BG)  University of Liège, Gx A‐B T  ULG 

Denmark (DK)  Aarhus University  Aarhus 

France (FR)  INRA Jouy‐en‐Josas  INRA 

Germany (GE)  University of Hohenheim: Stuttgart  HOHENHEIM 

Ireland (IR)  Teagasc, Agriculture and Food Development Authority  TEAGASC 

Italy (IT)  Parco Tecnologico Padano (PTP)  PTP 

Italy (IT)  Centro di Ricerca per gli Alimenti e la Nutrizione (CREA)  CREA 

Italy (IT)  University of Bologna  UNIBO 

Netherland (NL)  Wageningen University & Research: Wageningen  WUR 

Spain (SP)  University of Cordoba (UCO)  UCO 

Spain (SP)  Instituto de Agroquímica y Tecnología de Alimentos  IATA‐CSIC