科研丨海南医学院: 基于旱獭粪便样本的肠道微生物群和微生物功能作用的初探(国人佳作)
肠道菌群是一个庞大且复杂的微生物群落，其研究是控制传染病的重要组成部分。在国内，关于野生旱獭肠道微生物多样性的研究报道较少。为了全方面了解野生旱獭的肠道微生物群(包括细菌、真菌、病毒和古菌)，我们对内蒙古呼伦贝尔草原5个采样点的旱獭粪便进行了宏基因组测序。建立了一个细菌、真菌、病毒和古菌基因组的综合数据库，并根据数据库对旱獭粪便样本中宏基因组序列进行了比对。
本研究表征了旱獭独特的肠道微生物群结构，共发现5891种细菌、233种病毒、236种线种古菌。其中优势细菌门为厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门和放线菌门。病毒科为Myoviridae、Siphoviridae、Phycodnaviridae、Herpesviridae和Podoviridae。优势真菌门为子囊菌门、担子菌门和Blastocladiomycota。优势古菌为Biobacteria、Omoarchaea、Nanoarchaea和Microbacteria。此外，肠道菌群受宿主物种和环境的影响，其中环境是最重要的因素。共发现36989个糖苷水解酶基因，其中有365个基因与β-葡萄糖苷酶、纤维素酶和纤维素1,4-β-纤维二糖苷酶的编码基因同源。此外，旱獭粪便菌群中耐药基因(如macB、bcrA、msbA)丰富。综上所述，本研究之后发现旱獭肠道菌群具有种群多样性和功能多样性，为进一步研究肠道菌群对宿主的调节作用提供了基础。此外，通过宏基因组学揭示了旱獭的肠道微生物群可以降解纤维素和半纤维素。
与真菌、病毒和古菌相比，粪便中细菌数量很丰富。我们得知了5891种细菌，并根据相对丰度选择了前250种细菌。这些细菌包含了9个门，19个纲，28个目，49个科，83个属(图1A)。丰度最高的两个门是厚壁菌门(65.94%)和变形菌门(25.52%)，其次是拟杆菌门(6.18%)、放线%)(图2A)。属水平丰度最高的30种细菌如图3A所示，其中丰度前10的属见补充表S2。粪便中优势属为Clostridium、Vibrio和Ruminococcus。种水平丰度最高的50个细菌见补充图S2A，其中丰度前10的物种见补充表S3。
图1.通过MGS(宏基因组测序)预测的旱獭肠道中(A)细菌、(B)病毒、(C)真菌和(D)古菌的分类树。
从内圈到外圈，表示分类水平从界到种。括号中的数字表示在每个分类水平检测到的唯一分类的总数。
图2.(A)细菌、(B)真菌和(C)古菌在门水平的相对丰度和(D)病毒在科水平的相对丰度。
本研究共发现217种古菌，涉及7个分类门和1个未分类门，16个分类纲和3个未分类纲，26个分类目和3个未分类目，39个分类科和3个未分类科，90个分类属和3个未分类属(图1D)。优势门为Euryarchaeota(74.52%)、Crenarchaeota(6.39%)和Thaumarchaeota(4.95%)(图2C)。属水平丰度最高的30种古菌如图3D所示，其中丰度前10的属见补充表S2。种水平丰度最高的50种古菌如补充图S2D所示，其中丰度前10的物种列在补充表S3中。2、
为了确定肠道菌群是否受到宿主物种和环境的影响，我们分析了呼伦贝尔草原旱獭和其他食草动物的肠道微生物群结构。我们在动物微生物组数据库(AMDB)中比较了两种奥地利野生食草动物高山旱獭(学名：Marmota marmota；样品登录号ERS2859683)和欧洲兔(学名：Oryctolagus cuniculus；样品登录号ERS2859628)的肠道菌群数据。在这些动物中，肠道微生物群中最占优势的是细菌。在细菌分类群中，呼伦贝尔草原旱獭的多样性均高于高山旱獭和欧洲兔(图4A)。图4B显示了每种食草动物肠道细菌中最丰富的前5个门。所有三种食草动物中均存在厚壁菌门和变形菌门，其中厚壁菌门数量最多(图4B)。基于物种的相对丰度，我们对旱獭、高山旱獭和欧洲兔之间的肠道微生物群差异进行了PCoA分析(图4C)。根据结果得出，5个采样点的旱獭样品的微生物种类组成较为相似。但不一样的物种的微生物种类组成不同。此外，通过LEfSe分析，我们得知旱獭、高山旱獭和欧洲兔拥有52个显著不同的细菌类群(图4D, LDA score 2, p0.05)。旱獭肠道菌群中厚壁菌门、拟杆菌门和Planctomycetes的数量明显多于高山旱獭和欧洲兔；欧洲兔肠道菌群中疣微菌门和变形菌门是明显更丰富的类群；高山旱獭肠道菌群中的Tenericutes、Actinobacteria和Cyanobacteria明显更丰富(图4D)。旱獭、高山旱獭和欧洲兔肠道菌群的显著差异表明，肠道菌群的功能与宿主物种和宿主饮食紧密关联。此外，我们利用Bray-Curtis相异性(BCij)分析了宿主物种和环境变化的影响，以探索塑造肠道微生物群的因素。旱獭-高山旱獭、旱獭-欧洲兔和高山旱獭-欧洲兔的BCij分别为0.93、0.96和0.28。上述根据结果得出，宿主物种和环境对旱獭肠道菌群有影响，其中环境是最重要的影响因素。
为了了解旱獭肠道微生物的基因功能，个人会使用KEGG和GO分析对测序结果进行了功能注释。根据KEGG标注汇总表，结合KEGG PATHWAY数据库的比对，KEGG PATHWAY level1和level2如图5A所示。在KEGG level1的结果中，最占优势的是代谢(59.82%)，其次是遗传信息处理(16.59%)、环境信息处理(14.99%)和细胞过程(3.01%)(补充表S4)。此外，个人会使用GO数据库对五个样本组进行GO功能注释。GO功能富集的前三个是分子功能(26.0%)、生物过程(24.5%)和细胞成分(12.5%)(补充表S4)。我们对5个样本的宏基因组数据分析显示，有39,434个基因显著差异共表达。我们通过GO分析揭示了这些差异基因的功能多样性，包括tRNA特异性核糖核酸酶活性、tRNA分解代谢过程、转座酶活性、转录调控和ATP结合盒(ABC)转运体复合体等(图5B)。我们对差异基因的KEGG分析也揭示了功能多样性，包括氰基氨基酸代谢、沙门氏菌感染、ABC转运蛋白、癌症中的胆碱代谢、非核糖体肽结构、肌动蛋白细胞骨架调控和mTOR信号通路等(图5C)。
农业和畜牧业中使用的高浓度抗生素能够导致强大的选择压力，这促进了病原体和肠道微生物群之间抗生素抗性基因(ARGs)的交换。为了解旱獭肠道菌群中抗生素耐药本体(AROs)及其微生物来源，我们结合当地农牧使用抗生素的历史，利用综合抗生素耐药数据库(CARD)基于宏基因组数据筛选单一基因中的抗生素耐药因子。使用CARD对29,416个基因进行了注释，鉴定出471个AROs。图6显示了每个样本中丰度最高的前20个AROs。我们在所有样品中鉴定了ARGs，发现macB的丰度最高，其次是bcrA、msbA、rpoB2、efrA和stre2(图6A)。我们鉴定出包括对大环内酯类、多肽类、硝基咪唑类、氨基香豆素类、氟喹诺酮类、四环素类、莫匹罗星类、林可酰胺类、恶唑烷酮类、苯酚类、链霉素类、吖啶染料类、糖肽类和氨基糖苷类耐药的ARGs。这些ARG类别涉及中国内蒙古呼伦贝尔市当地农牧业中用于预防和治疗的一些抗生素。此外，我们分析了AROs的微生物来源，发现除了Bacteria_noname和Bacteria_unclassified外，大约50%的AROs在厚壁菌门和拟杆菌门中高度富集(图6B)。这些根据结果得出，ARGs的发生受到特定类型肠道微生物的影响。此外，我们分析了ARGs在不同宿主中的变化。根据ARGs在不同种中的相对丰度，对丰度最高的10种ARGs进行富集分析。根据结果得出，旱獭体内的macB、bcrA、msbA、Stre2、efrA、rpoB2、novA、evgS、tetA58、mtrA等基因均较其他动物丰富。高山旱獭体内G418、PAR、HGM、AMK和PAC含量较其他旱獭高。欧洲兔体内的KAS、GENC、KAN、NEO和STR表达丰富(图6C)。
本研究对内蒙古呼伦贝尔草原旱獭的粪便样本做了宏基因组检测。其中大部分宏基因组reads来自细菌(80.91%)，0.13%来自古菌，0.05%来自病毒，0.08%来自线%未分类。一般来说，哺乳动物肠道微生物群中最占优势的门是变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门。许多细菌都有编码纤维素和半纤维素消化酶的基因。其中大多数细菌属于厚壁菌门，尤其是梭菌属。旱獭肠道菌群中的厚壁菌门和放线菌门丰度低于人类，而拟杆菌门和梭杆菌门高于人类。喜马拉雅旱獭肠道菌群的优势门是变形菌门，其次是厚壁菌门和拟杆菌门。在本研究中，在门水平上，相对丰度最高的细菌是厚壁菌门，其次是变形菌门、拟杆菌门和放线菌门。在属水平上，Clostridium、Lachnospiraceae_noname、Ruminococcus和Bacteroides是优势细菌。我们详细描述了旱獭肠道中不同的细菌，特别是在物种水平上。根据结果得出，呼伦贝尔草原旱獭肠道菌群组成与别的地方具有一定的共性，但也存在一定的差异。此外，我们在旱獭肠道微生物群中发现了各种潜在的纤维素和半纤维素分解菌。拟杆菌能够在一定程度上帮助宿主降解碳水化合物和蛋白质，维持肠道微生物的生态平衡。在自然环境中，食用低脂饮食的人肠道中的拟杆菌增加。在以往的研究中，在人类、熊猫、猎豹和小鼠的肠道中都发现了放线菌，并且与多种环境和条件有关。因此，饮食上的习惯和生活环境可能导致野生旱獭获得这些细菌。
在真菌门水平上，子囊菌门、担子菌门、Blastocladiomycota和Microsporidia占优势。Microsporidia是专性细胞内真核生物寄生虫。我们得知的许多真菌属(如Fusarium、Colletotrichum、Piloderma和Rhizophagus)都与植物有关。Fusarium和Colletotrichum被认为是植物病原体。Piloderma是一种木材外生菌根真菌。此外，Rhizophagus是一种丛枝菌根，可以与植物产生共生关系。旱獭可能通过饮食(草、茎和叶等食物)、水和环境接触到这些真菌。到目前为止，关于真菌在旱獭肠道中的多样性和作用的理解还存在局限性。在本研究中，我们利用宏基因组测序技术全面鉴定了旱獭的肠道真菌。除细菌外，真菌在宿主健康和肠道疾病中也起着及其重要的作用。同样，真菌也有基因编码酶，能够消化旱獭肠道中的淀粉、纤维素和半纤维素。这些酶能够在一定程度上帮助消化牧草、茎和叶中的物质。我们得知旱獭的肠道中有厌氧真菌。厌氧真菌可以产生酶来有效水解纤维素和半纤维素，这些酶通常存在于反刍动物和单胃食草动物的消化道中。对于草食动物来说，肠道菌群对植物细胞壁中碳水化合物的水解是食物消化的关键。 本研究共鉴定出5目22科53属233种病毒。其中分类最多的科是Myoviridae、Siphoviridae、Phycodnaviridae、Podoviridae、Herpesviridae、Caudovirales和Retroviridae。我们在旱獭的肠道中发现了许多噬菌体，包括有尾噬菌体目。研究表明，有尾噬菌体存在于炎症性肠病患者的肠道中。
噬菌体多样性受环境影响并且可引起肠道生态失调，改变共生菌与致病菌的比例。噬菌体被视为肠道细菌种群的调节剂，通过裂解细菌和控制细菌种群来影响细菌多样性和代谢，从而对宿主健康产生重大影响。我们支持这样一种观点，即具有杀菌活性的噬菌体作为抗生素的替代或补充将来可能用来医治旱獭感染。 古菌最初是在极端环境中发现的，现在人们明白它无处不在。在过去的几十年里，古菌研究的主要成果包括厌氧甲烷氧化、古细菌氨氧化、第七目产甲烷菌、深古菌门和进化上重要的Lokiarchaeota门的发现。这些发现表明了古菌的重要性，并揭示了古菌极端性和所谓的“原始性”之外的新特征。产甲烷古菌菌株和一些免疫原性较低的古菌菌株被认为是肠道中典型的共生微生物，而一些免疫原性较高的菌株与人类肠道炎症的发生有关。产甲烷古菌菌株目前被认为是潜在的益生菌，能控制肠道细菌产生三甲胺相关的代谢紊乱。此外，有研究报道了几种古菌菌株的异常脂质组分作为潜在佐剂的使用。在当前的研究中，最丰富的古菌属是Methanosarcina、Thermococcus、Methanococcus、Methanobrevibacter、Methanobacterium、Methanocaldococcus、Natrinema、Methanothermobacter、Methanolobus和Methanocella。
本研究结果揭示了旱獭肠道古菌的多样性及其对宿主的潜在影响。 宿主物种和外因(如地理和饮食)是肠道微生物群多样性形成的主要的因素。我们得知旱獭、高山旱獭和欧洲兔这三种食草动物的肠道微生物群中厚壁菌门最丰富，这可能有助于宿主从食物中获得更多的能量。我们通过LEfse分析发现了包括厚壁菌门、拟杆菌门、浮霉菌门、疣微菌门、变形菌门、Tenericutes、放线菌门、蓝菌门和Elusimicrobia的52种差异微生物。疣微菌门被发现可以氧化甲烷，并将甲烷作为唯一的碳和能源来源。浮霉菌具有抗生素耐药性和利用N-乙酰氨基葡萄糖作为碳底物的能力。它们能通过作用于不同的底物来帮助宿主获取营养和能量。我们发现旱獭中浮霉菌门显著富集，而欧洲兔中疣微菌门显著富集，这可能与宿主物种和饮食习惯的差异有关。放线菌产生的硫醇(MSH;AcCys-GlcN-Ins)具有谷胱甘肽的功能。MSH在烷基化剂、活性氧和活性氮以及抗生素的解毒中发挥了关键作用。与另外两种野生动物相比，我们发现高山旱獭体内的Tenericutes、放线菌门、蓝菌门和Elusimicrobia显著富集。
高山旱獭的饮食是多种多样的，包括草、谷物、昆虫、蜘蛛和蠕虫。饮食习惯可能导致野生高山旱獭获得这些细菌。然而，环境的影响会因宿主的特定饮食而减少。当不同物种的宿主具有共同的饮食习惯时，尽管宿主物种在进化上相距遥远，但肠道微生物群落往往会趋同。结果表明，高山旱獭与欧洲兔的BCij为0.28。高山旱獭和欧洲兔共享栖息地，这解释了肠道微生物群组成和结构的趋同。此外，导致饮食变化的区域差异在野生动物中普遍存在，这导致肠道微生物群落的组成和结构存在差异。我们发现，生活环境不相交的旱獭与高山旱獭的BCij为0.93，尽管它们是同一宿主物种，但前者的肠道微生物群远比后者丰富。生活环境的差异可能是其肠道菌群组成和结构发生变化的原因。宿主的物种和生活环境可以从不同方面调节肠道微生物群的多样性。旱獭与欧洲兔的BCij为0.96。旱獭和欧洲兔虽然都是食草动物，但它们是不同的宿主物种，生活在不同的环境中，导致肠道菌群组成和结构非常不同。
本研究的功能分析表明，旱獭的肠道微生物群具有较高的代谢活性。肠道微生物群参与代谢的各个方面，包括能量、脂质、核苷酸、氨基酸、碳水化合物、萜类、辅因子、聚酮、聚糖、其它次级代谢物的生物合成和外源物质的生物降解。此外，5个宏基因组的GO和KEGG富集分析揭示了它们的功能多样性。中国内蒙古呼伦贝尔市拥有世界闻名的天然牧场和广阔的农业耕地，农牧业是当地的重点产业。在畜牧业中，为了预防和治疗疾病，使用了包括大环内酯、四环素、莫匹罗星、苯酚和氨基糖苷类等各种类型的抗生素。同样，在防治作物病虫害方面，使用了包括枯草芽孢杆菌、杀菌剂、甲氧基丙烯酸酯和多抗菌素等抗生素/杀菌剂，我们鉴定了一系列与当地农牧业用于预防和治疗的抗生素相关的ARGs。
结果发现，与其他物种相比，旱獭体内的macB、bcrA、msbA、Stre2、efrA、rpoB2、novA、evgS、tetA58和mtrA含量较高。旱獭ARGs中含量最多的是macB，其次是bcrA和msbA。革兰氏阴性菌中macB(一种非标准ABC转运蛋白)的周质区负责大环内酯类抗生素的流出和热稳定型肠毒素II的分泌。BcrA和BcrB是ATP结合盒(ABC)抗生素外排泵的亚基，在介导革兰氏阳性菌的杆菌肽耐药性中起主要作用。MsbA是ABC转运蛋白家族中典型的多药耐药蛋白。此外，大多数AROs来自旱獭肠道菌群优势门厚壁菌门和拟杆菌门。此外，与其他物种相比，高山旱獭中G418、PAR、HGM、AMK和PAC含量较高；欧洲兔中KAS、GENC、KAN、NEO和STR相对富集。野生动物肠道微生物可以合成ARGs，也可以从外界环境中获取ARGs。由于畜牧业和水产养殖业长期滥用抗生素，在农场动物的肠道中发现了含有ARGs的耐药菌株，并可随粪便排出。雨后，地表径流和大气扩散导致这些耐药菌株进入环境，可被动物摄入。
ARGs能够最终靠水平质粒交换从环境中的细菌转移到人类或牲畜微生物群。与其他物种相比，某些ARGs在一种物种中富集，这可能是由于环境暴露于抗生素所致。我们怀疑旱獭、高山旱獭和欧洲兔的ARGs可能起源于上述途径。我们认为有必要减少(例如减少使用不必要的抗生素)与动物粪便中ARGs相关的环境污染风险，防止其向人类和动物扩散。
纤维素是植物细胞壁的主要成分。类似地，半纤维素也存在于具有β(1→4)连接骨架的植物细胞壁中。牧草细胞壁中的β-(1→3,1→4)-葡聚糖和谷物胚乳中的一些阿拉伯木聚糖都是半纤维素。草食动物的营养主要来源于植物中的纤维素和半纤维素。由于牧草的营养密度很低，食草动物需要摄取大量的牧草来满足自身的营养需求。为了更好地消化食物，食草动物不仅需要反复咀嚼食物，还需要依靠肠道微生物群来帮助发酵和消化。为了了解旱獭是否具有适应其富含纤维的饮食的肠道微生物群，我们基于宏基因组中的基因对旱獭肠道微生物群进行了结构分析。在旱獭的肠道中，在细菌、古菌和真菌中发现了编码纤维素分解代谢酶的基因。其中来自细菌的基因数量高于真菌和古菌。在编码纤维素分解代谢酶的基因中，纤维素酶基因数量最多，其次是β-葡萄糖苷酶和纤维素1,4-β-纤维二糖苷酶。因此，旱獭肠道中的细菌、真菌和古菌可能在纤维素代谢中起关键作用。此外，我们在宏基因组中发现了许多GH基因，表明旱獭肠道具有碳水化合物代谢活性。
四个最丰富的GH家族(从多到少)分别是GH13、GH2、GH23和GH3。GH13家族含有许多对α-葡聚糖有活性的酶，可能与淀粉水解有关。GH23家族包含溶菌酶和可溶性水解转糖基酶。在GH3家族中，我们得知表现出纤维素和半纤维素降解活性的最丰富的酶是β-葡萄糖苷酶，其次是β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶。值得注意的是，GH1和GH2家族中β-葡萄糖苷酶、β-半乳糖糖苷酶、β-甘露糖糖苷酶、β-葡糖苷酶和葡聚糖1,4-β-葡萄糖苷酶也具有纤维素和半纤维素降解活性。综上所述，旱獭的肠道微生物群不仅含有多种糖苷水解酶家族的成员，而且还可以降解纤维素和半纤维素。 本研究存在一些局限性。首先，本研究的样本量较小，这可能会降低结果的准确性。此外，由于本研究使用的粪便样本来自野生动物，因此未对旱獭的生理变量做评估。最后，我们没集中收集患病旱獭的粪便样本，而是收集了普通旱獭的粪便样本用于肠道微生物群的分析。今后需要获取病原标本进行进一步研究。
本研究利用宏基因组测序全面表征了旱獭肠道菌群结构。在旱獭肠道中发现了5891种细菌、236种线种古菌。此外，我们在旱獭肠道菌群中发现了36,989个GH基因，其中365个基因与编码β-葡萄糖苷酶、纤维素酶和纤维素β-1,4-纤维二糖苷酶的基因同源。这说明旱獭的肠道菌群能够水解食物中的纤维素、半纤维素和淀粉，来提升食物的消化率。本研究之后发现旱獭肠道菌群的结构受宿主物种和环境的影响。除此之外，还发现macB、bcrA和msbA等ARGs在旱獭肠道中富集。综上所述，旱獭肠道微生物具有种群多样性和功能多样性，本文为进一步研究肠道菌群对宿主的调控作用提供了基础。