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Microbiome:基因组所与两家高校联合助力破解饲用抗生素作用机制

来源:赵华 发布者: 时间:2018年12月06日

  近日,中国农业科学院(深圳)农业基因组研究所(以下简称“基因组所”)樊伟团队联合湖南农业大学曾建国教授团队和中国农业大学呙于明教授团队,在鸡肠道微生物宏基因集构建和饲用抗生素与天然替抗产品的促生长机制研究方面取得了突破性进展。其研究成果在线发表于国际微生物学权威期刊《微生物组(Microbiome)》上,基因组所博士后张艳、江帆,湖南农业大学博士研究生黄鹏、肖康鹏为该论文共同第一作者。

  该研究成果不仅是对动物肠道宏基因组学研究的重要补充,而且揭示了饲用抗生素和天然替抗产品促进生长的机理,为开发“绿色天然”植物来源替抗产品提供了科学依据。

历时六年的重大研究项目

  饲用抗生素的过度使用带来了细菌耐药性和超级细菌问题,严重威胁公众健康。伴随着全球越来越多的国家和地区加入“限抗”和“禁抗”的队伍,寻找和开发“安全、有效、可控、成本低”的天然替抗产品是目前全球研究的热点。然而,无论是饲用抗生素还是天然替抗产品的防病促生长作用都与肠道微生物紧密相关,但是由于缺乏大样本量数据的分析和缺少更能真实代表肠道内微生物情况的样本,导致一直无法清楚解析两者的作用机制。而只有阐明两者的防病促生长机制,才能真正指导绿色安全的防病促生长的饲用替抗产品的开发。

  为了更好地理解家禽肠道微生物的功能,鸡的健康养殖,并解释饲用抗生素和天然替抗产品与肠道微生物群落的相互作用关系,联合研究团队于2012年启动鸡肠道宏基因组研究计划,经过6年的努力,构建了第一个鸡肠道微生物参考基因集,深入分析不同肠段、不同饲养方法、不同日龄对肠道微生物群落与功能的影响,并系统比较了饲用抗生素金霉素(CTC)和天然替抗产品博落回提取物(MCE)对肠道微生物菌群的调节作用。

构建全球首个鸡肠道微生物参考基因集

  该研究以能代表肠道微生物的肠段内容物样本为研究材料,从7个不同品种(地区)鸡的5个肠段(十二指肠,空肠、回肠、盲肠和结直肠)中采集了495个肠道内容物样本,通过高通量测序共产生1.64Tb宏基因组数据,平均每个样本3.31Gb。得到了contig N50长度为1.95kb的组装结果,从组装数据中鉴定了904万个非冗余基因,平均开放阅读框长度为697bp,样品稀释曲线已接近饱和,表明大多数鸡肠道微生物的基因已被包含于基因集中,由此构建了全球首个鸡肠道微生物参考基因集。鸡肠道微生物参考基因集的构建是对动物肠道宏基因组学研究的重要补充。

▲鸡肠道宏基因集  (a)鸡肠道图。前肠(十二指肠、空肠、回肠)和后肠(盲肠、结直肠)及其微生物密度。(b)来自495个样品(总计)和来自黄鸡(LY),白羽鸡(AA)和不同地区样本的检测基因的稀释曲线。

鸡的健康养殖研究

  在构建鸡肠道宏基因集之后,该研究比较了鸡、猪和人的肠道宏基因集,发现三者的肠道宏基因集尽管在基因序列水平上差异巨大,但微生物的功能相似性较高;分析了不同养殖模式对于鸡肠道宏基因组的影响,发现鸡在散养模式下肠道微生物多样性高于笼养模式,且土壤主要成分的放线菌在散养鸡中比笼养鸡中更丰富;比较了鸡的前肠和后肠宏基因组的不同特点,分析发现后肠微生物多样性明显高于前肠;比较分析了不同日龄的肉鸡肠道微生物特点,发现在前肠和后肠中,微生物代谢能力均在第28天左右达到最大值,此后基本保持稳定或略有下降,但前肠中不同日龄的差异程度要大于后肠中的日龄差异程度。研究表明,生长早期对于鸡的发育和肠道微生物群的建立都至关重要。

▲人、猪和鸡肠道宏基因集比较  (a)人、猪和鸡肠道宏基因集的基因序列比较。(b)存在于鸡,人和猪基因集中及其共有的KEGG直系同源组(KOs)的维恩图。

 

▲不同养殖模式对鸡肠道宏基因组的影响   (a)五个地区组(DGY,DHC,DHK,DSL,DST)中基因、属、OG和KO水平的样本的微生物多样性(Shannon指数)。(b)五个地区组(DGY,DHC,DHK,DSL,DST)的前肠样品中放线菌门的平均相对丰度。

 

▲鸡的(a)前肠和(b)后肠的核心微生物属共生网络分析

 ▲不同日龄的鸡肠微生物组的差异。(a)不同日龄前肠微生物群落的NMDS图。(b) 不同日龄后肠微生物群落的NMDS图。

促生长机制研究,指导未来绿色天然替抗产品开发

  研究以金霉素(饲用抗生素)与博落回提取物(植物来源天然促生长剂替抗产品)为比较研究对象。宏基因组数据结果显示博落回提取物主要能促进有益菌乳杆菌属增加、增强氨基酸和丁酸等营养或抗炎物质合成,从而有利于抗炎促生长。而金霉素则增加了肠道中产抗生素菌群丰度及增强了多种抗生素合成途径,据此推测能更有效地抑制有害菌和炎症反应来达到促生长效果。此外,饲用抗生素还引起了肠道内抗生素抗性基因的上升,这进一步警示了饲用抗生素可加速耐药菌的产生而对公众造成巨大威胁,以及开发有效的饲用替抗产品的紧迫性。

▲(a)CTC和MCE处理后前肠中微生物的变化。(b)金霉素组抗生素生物合成途径的相对丰度增加。(c)金霉素组的抗生素抗性基因(ARGs)相对丰度增加。

 ▲ CTC和MCE对前肠微生物KEGG代谢途径的显著改变。

  樊伟团队长期致力于农业宏基因组学的基础与应用研究,深入开展宏基因组学的前沿实验技术和信息算法研究。在鸡肠道宏基因组的合作研究中,樊伟研究研究团队主要承担了构建宏基因组高通量测序文库、构建非冗余宏基因集、注释基因的物种和功能、分析微生物多样性和代谢途径等。该研究首次通过高通量测序大规模研究了鸡肠道微生物的特点,构建了全球首个鸡肠道微生物参考基因集,也是首个包含各肠段(十二指肠,空肠、回肠、盲肠和结直肠)的动物肠道微生物参考基因集,将成为今后肠道微生物研究的重要参考资料。

  樊伟研究团队目前已开展的研究包括动物健康与肠道微生物宏基因组研究、植物健康与土壤微生物宏基因组研究、生物入侵与伴生微生物宏基因组研究等,将致力为农业生产和生态保护提供重要的科学支撑。

原文链接:https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-018-0590-5

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