2019-01-09浏览量:314

『锐帮读』从出生到成年,国宝的肠道菌群发生了怎样的变化

近日,锐翌基因协助澳门大学中国医学科学院中药质量研究国家重点实验室在《Frontiers in Microbiology》上发表研究成果《Dynamics of Gut Microbiome in Giant Panda Cubs Reveal Transitional Microbes and Pathways in Early Life》。锐翌作为重要合作方,承担了该研究中的MGS分析及物种与功能基因的关联分析今天,小锐带大家一起来了解下这篇文章的精彩内容。 

导读

肠道疾病一度被认为是大熊猫死亡的最重要原因之一,任何一个或者多个肠道微生物的变化都可能引起大熊猫一系列的消化功能紊乱甚至疾病,因此,研究大熊猫肠道菌群是预防大熊猫肠道疾病、提高健康水平的基础。但在生命的起始,幼年大熊猫肠道微生物经历了怎样的变化,与父母的肠道微生物有什么样的关系及区别尚不得而知,本研究通过探讨大熊猫幼仔生长过程中肠道微生物组的迁移,以回答幼年大熊猫与父母肠道微生物组遗传的相关性、基因功能的转移等问题。

文献ID

题目:Dynamics of Gut Microbiome in Giant Panda Cubs Reveal Transitional Microbes and Pathways in Early Life

译名:大熊猫幼崽肠道微生物动态变化揭示生命早期微生物及功能转移

期刊:Frontiers in Microbiology  IF:4.0

通信作者:Simon M. Lee

通讯单位:中国澳门大学

合作单位:锐翌基因

材料与方法

 实验设计

样本:一个熊猫家庭粪便样本(父亲:P1,母亲:P2,哥哥:P3,弟弟:P4;两只熊猫出生相隔三个小时),取样情况如下表:

喂养方式:1-1.5个月母乳喂养;之后配方乳(含猫乳、狗乳)喂养

测序区域及平台

测序方式:宏基因组(n=33)

测序平台:BGISEQ-500

研究成果

1、大熊猫幼崽及其父母生长过程中肠道微生物组成

随着年龄的增长,熊猫幼崽肠道属水平微生物丰富度逐渐升高,而父母相对稳定(图1A、1B、1C);出生后厚壁菌门物种迅速增加,随后变形菌门物种上升,变形菌门的物种上升,增加了大熊猫幼崽肠道微生物的丰富度(图1C);6-9个月幼崽肠道微生物丰富度及多样性性与1.5-6.0个月幼崽显著不同,随着生长,丰富度与多样性均升高,6个月后与其父母水平相当(图1D、1E),表明幼崽出生后与环境的交流显著的驱动了肠道微生物的定植。

PCoA分析显示0-1.5月(C0)、1.5-6个月(C1)、6-9个月(C2)与父(F)母(M)大熊猫显著区分,成年大熊猫聚集在一起,C0与C1距离较近,且都与C2距离较远,反映出大熊猫出生后肠道微生物迅速与父母肠道微生物分化,尤其是在出生6个月后。

图1 样本丰富度与多样性

2、大熊猫幼崽肠道微生物显著改变

种水平鉴定到79个MGS在不同年龄间存在显著差异,(图2)除去未知物种(group),其余物种基本都属于变形菌门或者病毒,如肠杆菌科中的EscherichiaKlebsiellaShigellaSalmonellaEnterobacter等。

图2 MGS分析

评估112个核心属(70%的样本中存在)间的相关性。四种属于Enterobacterales的机会致病菌(KlebsiellaEdwardsiellaSerratiaRaoultella)与其他稳定属水平物种间呈现负相关,在大熊猫幼崽成长过程中,这些物种丰度逐渐降低;18个属(图3A右上角:14个细菌属、4个噬菌体属)与其他稳定属存在较多的相关性,表明这些微生物位于大熊猫肠道菌群结构的关键生态位。

随机森林分析筛选出能够区分年龄结构的最重要的20个属(图3B)。7个属(Shewanella,obmonasHelicobacterHaemophilusAeromonasListeria, fusobacum)与上述稳定物种重叠,表明这些物种在大熊猫肠道微生物结构中具有重要意义。

图3 肠道微生物群重要结构物种

3、大熊猫成长过程中基因功能及代谢通路变化

功能分析表明仅10个直系同源的功能(orthologous functions)在不同年龄组中有显著差异,其中9个属于细胞过程和信号(cellular process and signaling)与新陈代谢(metabolism),另外一个属于信息存储与处理(information storage and processing)(图4)。

图4 COG注释

KEGG注释到167个passway,其中44个在不同年龄组间存在(图5)显著性差异,16个在C0与F/M间存在显著性差异,29个在C1与C2间存在显著差异。

图5 随着年龄的增长大熊猫肠道微生物passway增加

4、随着幼崽年龄的变化与饮食相关的酶的转移

对于注释到的ECs的分析表明,随着年龄的改变603个EC存在显著性差异。不同年龄间,氧化还原酶、转移酶和水解酶的变化最为显著。

与淀粉降解相关的KOs从出生后2个月开始大量增加,尤其是在6-9月(图6),一些淀粉降解基因在6-9月的丰度甚至高过其父母。

图6 大熊猫幼崽及其父母肠道中含有大量的消化竹子的基因

一些与纤维素降解相关的基因,包括半纤维素,果胶和木质素,出生两个月后开始增加,并在6-9个月达到巅峰。将基因重新注释到CAZy数据库,结论相同,但父母中半纤维素/木质素等降解基因丰度高于幼崽。

大熊猫肠道内纤维素糖苷水解酶(如GH5、GH8、GH9、GH12)丰度极低;木聚糖酶

(如GH10、GH26、GH30)和碳水化合物酯酶(如CE1、CE4、CE6)能够消化半纤维素的巨大侧链,使木质素的主干暴露出来,进行木聚糖酶的水解,主要表现为低丰度;包含木糖苷酶的GH1、GH9含量丰富,尤其是在6-9个月幼崽中;可以引导邻近的酶域(s)作用于目标碳水化合物底物,干扰碳水化合物的稳定表面,促进碳水化合物的生成退化,但没有酶活性的碳水化合物结合模块(CBMs),始终以极低的丰度出现。

研究结论

1、大熊猫幼崽在成长过程中肠道微生物丰富度逐渐增加,尤其从出生后第6个月开始。

2、不论成年大熊猫肠道还是幼年大熊猫肠道肠杆菌科均占主导地位;并且发现7个幼崽成长过程中重要的菌群(ShewanellaobmonasHelicobacterHaemophilusAeromonas,Listeriafusobacum)。

3、在大熊猫幼崽成长过程中,氧化还原酶、转移酶和水解酶主导了肠道微生物酶的显著变化,而很少涉及纤维素降解;且发现44个显著变化的代谢途径。

亮点

该研究用宏基因组比较分析了幼年大熊猫肠道重要微生物菌群和基因功能的改变,加深了对大熊猫肠道菌群的群落结构和生物学特性的认识。

锐翌基因服务

宏基因组测序采用最新的Illumina Hiseq平台,并具有以下优势:

全面的技术策略:采用Illmina Hiseq平台,测序策略为PE150。对测序序列组装,得到微生物群落结构的基因信息,分析微生物群落结构的基因、功能基因及物种多样性,探讨微生物群落与宿主之间的相互关系等。

更合理的分析方法:增加了最前沿的CAG和MGS等宏基因组分析方法,深入挖掘样品中的信息。

多选择的功能基因注释数据库:KEGG、eggNOG、CAZY、ARDB、SEED等。

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