明科生物项目文章探究不同栖息地的大熊 [复制链接]

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最近，明科生物（杭州）与南京师范大学合作，在《MicrobialBiotechnology》（最新影响因子5.）上发表文章，利用96个宏基因组数据（大熊猫及其他肉食和草食动物），探究不同地理位置和生活环境中的大熊猫其肠道微生物组成与抗生素抗性基因（ARGs）之间的关系以及食物对肠道微生物组中ARGs的影响。研究背景在我们认知中，大熊猫是素食主义者，以高纤维素的竹子作为主食。然而，大熊猫属于食肉类动物，它的肠道更像食肉动物，这使得科学家们对其进化过程困惑不已。动物肠道菌群在宿主免疫、发育以及健康中起着重要的作用，研究发现，宿主的食物、遗传因素是影响动物肠道菌群组成和功能的两个主要因素[1.2]。长期以来，由于抗生素滥用等原因，世界范围内新的耐药菌不断出现，原有耐药菌耐药程度也在不断地加剧，细菌耐药已成为全球性公共卫生问题。肠道微生物群被认为是抗生素ARGs的储存库，其结构和ARGs组成之间有关，研究发现动物的生存环境和栖息地对微生物菌群中存在的ARGs类型有深远的影响[3.4]，野生大熊猫和圈养大熊猫肠道微生物群落存在差异，同一物种肠道菌群的ARGs组成也会因地理位置而有所不同，但就目前而言，野生动物肠道菌群与ARGs之间的相关性仍存在争议。研究思路考虑到大熊猫(食肉目)在系统发育中的位置，作者收集了96个宏基因组数据，具体信息如下：19个肉食性食肉动物(CA)、10个杂食性食肉动物(OC)、12个草食动物（HE）和55个吃竹子的食肉动物。55个中又包括：9个来自于秦岭(大熊猫-野外)、7个来自于邛崃(大熊猫-野外)、16个来自于小相岭(大熊猫-野外)、7个来自于成都(大熊猫-圈养)、10个来自于雅安(大熊猫-圈养)、6个来自于小相岭(小熊猫-野外)。首先，根据动物食性将它们分为4组(CA、OC、吃竹子的大小熊猫、HE和草食动物)；其次，根据生活环境将大熊猫（只使用大熊猫样本）分为野生和圈养两组；再次，将大熊猫样本分为5个组（秦岭-野生、邛崃-野外、小相岭-野外、成都-圈养、雅安-圈养）去探究地理位置对大熊猫样本的影响。最后，基于宏基因组数据进行meta分析：分别利用ARDB数据库、NR数据库、STAMP对ARGs进行分类、注释以及丰度差异分析；利用Jaccard距离对野生大熊猫肠道菌群的ARGs组成进行NMDS聚类分析；使用PAST3对Jaccard物种丰度的差异进行了单因素PERMANOVA分析；研究结果1.1四个组之间肠道微生物群落和ARGs组成均不同

结果显示，四个食物组之间的肠道微生物群落和ARGs组成存在显著差异，与肠道菌群相比，ARGs组成的差异更大。比如，在门水平上(Fig.2A)，CA肠道菌群中：拟杆菌门、厚壁菌门、变形杆菌门以及梭杆菌门是优势种群，OC主要是变形菌门和厚壁菌门，HE主要为厚壁菌门和拟杆菌门。总的来说，变形菌门和厚壁菌门是大、小熊猫的优势种群(Fig.2A)。

在ARGs的类型上(Fig.2B)，CA肠道菌群中占优势的ARGs包括大环内酯、林可酰胺、链霉菌类、四环素类以及β-内酰胺抗性基因。OC的主要类型有多重耐药基因和四环素耐药基因，而HE的主要类型是多重耐药基因、大环内酯、林可酰胺、链霉菌类以及四环素耐药基因。综合来看，多重耐药基因在大、小熊猫的ARGs中占据优势(Fig.2B)。

1.2圈养动物中四环素和大环内酯类抗性基因占比高四环素和大环内酯被广泛用于治疗各种机体各系统的细菌感染，文章结果也显示，圈养动物中四环素和大环内酯抗性基因的比例很高，尤其是在CA和HE组(Figs2Band4)。在CA组，四环素抗性基因主要存在于拟杆菌属和埃希氏菌属中，OC组和圈养大熊猫，其主要存在于埃希氏菌属，HE组，其主要存在于拟杆菌属和普氏菌属(Fig.5,Fig.S1)。在CA组中，大环内酯-林可酰胺-链霉菌类抗性基因主要存在于埃希氏菌属、布劳特氏菌以及柠檬酸杆菌属，HE组主要集中在拟杆菌属、普氏杆菌以及梭状芽胞杆菌中(Fig.5,FigsS1-S2)。1.3圈养会导致大熊猫肠道微生物组中ARGs组成差异在属水平上，大熊猫各种群肠道微生物的优势种群是不同的。在圈养大熊猫种群中，埃希氏菌属的平均丰度最高，而在野生大熊猫中，秦岭种群的梭状芽胞菌属的平均丰度最高，非秦岭种群中假单胞属的平均丰度最高。此外，野生小熊猫小相岭种群中假单胞菌属的平均丰度也最高。圈养种群中四环素抗性基因的平均丰度高于野生种群，圈养种群的肠道菌群中有较丰富的几种ARGs亚型。其原因是对圈养大熊猫种群使用了一些抗生素进行治疗(如四环素、大环内酯、庆大霉素等)，这可能会影响大熊猫肠道微生物组的ARGs，导致其与野生大熊猫肠道微生物组的差异。1.4野生大熊猫种群肠道微生物组中ARGs组成的地理差异根据地理位置将大熊猫宏基因组样本分为5组，发现肠道微生物群落和ARGs组成均有显著差异(Fig.3C,F)。结果显示，秦岭种群和非秦岭种群(邛崃和小相岭)之间存在明显的差异(Fig.3C,F)。相比其他野生或圈养种群，秦岭种群的万古霉素和杆菌肽抗性基因的丰度最高(Fig.2B)。与其他野生或圈养大熊猫相比，在ARGs亚型中(Fig.6andTableS3)，秦岭种群大熊猫肠道微生物组中万古霉素-vanS和杆菌肽-bacA的平均丰度最高。在野生秦岭大熊猫种群的梭状芽胞杆菌中发现了万古霉素抗性基因(Fig.6andFig.S2)。与其他大熊猫种群相比，非秦岭野生种群多重耐药基因型中有多个ARGs亚型的平均丰度更高(Fig.6)，多重耐药基因主要是假单胞菌、大肠杆菌、哈夫尼菌以及耶尔森氏菌(Fig.6andFig.S2)。与非秦岭种群相比，秦岭大熊猫会消耗更多的竹叶(含有高水平的生物碱)，生物碱可缩短某些梭状芽孢杆菌的发酵周期，万古霉素被广泛用于治疗梭状芽孢杆菌感染。本文也发现，与其他野生和圈养种群相比，秦岭种群的肠道菌群中梭状芽孢杆菌菌种比例最高，且具有万古霉素抗性基因，其主要存在于梭状芽孢杆菌中。结论1、动物食性对肠道微生物群落和ARGs组成均有影响，四个食物组之间的肠道微生物群落和ARGs组成存在显著差异。2、圈养动物肠道菌群中ARGs组成与动物机体所使用的抗生素具有一致性，圈养会导致大熊猫肠道微生物组中ARGs组成的差异。3、动物长期的地理隔离和食物选择压力可能会导致大熊猫肠道微生物群的ARGs在地区上的差异。4、为了更好地保护好大熊猫，在饲养管理时应充分考虑其地区来源、食性以及肠道微生物群中潜在的抗性基因。参考文献[1]Ruth,E,etal."Evolutionofmammalsandtheirgutmicrobes."Science(NewYork,N.Y.)().[2]桑婷婷,etal."宿主遗传因素对肠道菌群的影响."中国微生态学杂志.():-.[3]Forsberg,KevinJ.,etal."Bacterialphylogenystructuressoilresistomesacrosshabitats."Nature.():.[4]Pal,Chandan，BengtssonPalme.,etal.Thestructureanddiversityofhuman,animalandenvironmentalresistomes.Microbiome4,54().本研究的数据分析工作由明科生物技术（杭州）有限公司完成。欢迎