2017-10-25
號外號外，派森諾生物給大家?guī)碇匕鹾孟⒗玻±^今年7月，上海交通大學孟和教授課題組與派森諾生物合作揭示雞腸道菌群與宿主體液免疫共同“微進化”的特征之后，近日再次在《Frontiers in Microbiology》（影響因子：4.076）上發(fā)表研究成果，證實：雞蛋里有微生物！并闡明了雞腸道微生物區(qū)系是如何遺傳和建立的。這項研究，就像審稿人所說的：“It is an interesting paper, and I believe that it will contribute to generating some discussion about the dogma of the “sterile embryo.” … It is a pleasure to see a dogma, like the idea of a sterile embryo, established in 1940, to be demolished”。
真是可喜可賀啊！
研究背景
動物宿主的胃腸道內定居著復雜多樣的微生物群，它們與宿主共生，并共同構成“生物體”。宿主和共生微生物之間存在著密切的共代謝和共進化關系，尤其是腸道菌群，同時受宿主遺傳和外界環(huán)境因素共同影響。
腸道菌群可以看作是機體的一個數量性狀，就像雞的產蛋量和牛的產奶量一樣，它不僅可以產生一些重要的代謝產物維持宿主的生長發(fā)育，更對宿主生理和免疫具有重要影響。腸道菌群能夠增強宿主消化效率，促進免疫系統(tǒng)的建立和免疫穩(wěn)態(tài)的形成，限制病原菌的定植，從而與宿主的生理功能、代謝、免疫和行為表現等各方面都緊密相關。
眾所周知，哺乳動物母體的微生物可能通過胎盤、羊水、臍帶血、陰道和母乳等方式傳遞給胎兒；然而，對于卵生動物，胚胎發(fā)育和子代出生是在脫離母體的情況下進行的，母體是否影響后代腸道微生物這一謎題，尚有待解答。
研究目的
本研究以雞為研究對象，考察雞三個不同生長發(fā)育時期（雞胚、雛雞和母雞）的腸道菌群的組成和分布，以探討雞腸道微生態(tài)隨著個體發(fā)育而逐步建立的過程及其遺傳特性。具體的目標在于：
1. 探索雞胚中是否存在微生物？
2. 如果存在，其可能的來源是哪里？
3. 不同生長發(fā)育階段是否具有核心微生物？
4. 遺傳因素和環(huán)境因素分別如何影響腸道微生物組？
研究方法
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：細菌16S rRNA基因V4區(qū)
實驗設計：無菌條件下，分別采集不同發(fā)育階段的雞（雞胚、雛雞和母雞）的全胚胎、胚中腸道或糞便樣品，共176份：
發(fā)育階段 | 樣品來源 | 樣品名稱 | 樣品數量 |
孵化期 | 4日齡雞胚的全胚胎樣品 | E4 | 27 |
19日齡雞胚的腸道樣品 | E19 | 24 | |
雛雞 | 4日齡雛雞糞便樣品 | L4 | 39 |
21日齡雛雞糞便樣品 | L21 | 38 | |
42日齡雛雞糞便樣品 | L42 | 36 | |
母雞 | 生殖期母雞糞便樣品 | H | 12 |
實驗處理：對12只35周齡的母雞（北京油雞、仙居雞和石歧雜雞各4只）進行配種，挑選受精卵用于孵化胚胎和小雞。受精卵在無菌消毒室（37.8 ℃、55~65%濕度）孵化，雛雞出殼后立即送回至母雞所在養(yǎng)殖場，所有雛雞的飼養(yǎng)管理條件均和母雞保持一致。
研究結果
對雞胚期的51個樣品進行測序，得到的微生物分類到28個門，162個屬和76個種。在門水平上，Proteobacteria，占總微生物豐度的86%，其次是Firmicutes（5%），Bacteroidetes（4%），以及Actinobacteria（3%）；在屬水平上，Halomonas優(yōu)勢，含量為79%，其次是Ochrobactrum，占比5%，兩者均屬變形菌門。
比較雞胚兩個時期（E4和E19）的微生物組，其相關系數為0.8。盡管在門水平的微生物組成較相似，但可以觀察到Proteobacteria豐度降低，而Firmicutes，Actinobacteria和Bacteroidetes豐度顯著增加；非度量多維尺度（NMDS）分析和熱圖結果顯示4日齡雞胚和19日齡雞胚腸道的微生物群落具有顯著差異，Alpha多樣性分析顯示19日齡的雞胚具有更高的微生物多樣性。
為了探究腸道微生態(tài)隨著個體發(fā)育而逐步建立的過程及其遺傳特性，本研究進一步比較了雞胚、雛雞和母雞的菌群組成。其中，豐度門為Proteobacteria，Firmicutes和Bacteroidetes，其次是Actinobacteria，Cyanobacteria和Synergistetes。然而，這些優(yōu)勢物種在各個階段的比例有所不同。Proteobacteria在雞胚中豐富（86%），在母雞中豐度僅為22%；而Firmicutes（76%和44%）和Bacteroidetes（10%和24%）是雛雞和母雞腸道優(yōu)勢菌。在屬水平，Halomonas在雞胚中豐度較高（79%）；而Lactobacillus和Bacteroides在雛雞中是優(yōu)勢菌，豐度分別為67%和10%。59個屬水平的低豐度微生物僅在雞胚中檢測到，這些“過路菌”隨著個體發(fā)育而漸漸消失。在雞胚的162個屬中，68個微生物和母雞相同，100個和雛雞相同。在雛雞中，69%（91/132）和母雞相同。說明腸道菌群受到宿主發(fā)育和環(huán)境因素的共同作用。
基于上述共有微生物的研究，本研究發(fā)現，共有65個核心屬貫穿于生長發(fā)育的各個時期，如Halomonas、Bacteroides、Enterococcus和Lactobacillus等。由此推測，早期胚胎定植的微生物可能遺傳自母雞，并且腸道微生物可能存在從母雞到胚胎、胚胎到小雞的傳遞過程。
通過對菌群功能進行預測，發(fā)現有25個代謝通路在雞胚、雛雞和母雞之間存在顯著差異。雞胚腸道微生物中比較活躍的代謝通路是物質代謝、細胞運動、信號轉導、細胞信號處理、輔酶因子和維生素代謝等，這些途徑大多都與生長和發(fā)育有關。和雞胚相比，雛雞和母雞的微生物更多地參與到轉錄、翻譯、DNA復制和修復、核苷酸代謝、遺傳信息處理、碳水化合物代謝等方面的功能。雛雞和母雞的代謝途徑差異較少，表明盡管它們的腸道微生物組成不同，但功能類似。
為了衡量遺傳背景對腸道微生態(tài)的影響，本研究進一步比較了三個不同品種的雞之間腸道菌群的異同。在相同的飼喂條件下，三種雞的優(yōu)勢屬相似，94.4%（185/196）的微生物屬都是共有的。對不同發(fā)育階段的雞腸道菌群進行Beta多樣性分析，發(fā)現4日齡和19日齡時，三種雞的雞胚菌群差異明顯；相比于雞胚，雛雞和母雞時期的三種雞的腸道菌群差異逐漸減小。
總結
本研究通過將遺傳研究和微生態(tài)研究相結合，系統(tǒng)闡明了不同發(fā)育時期的雞腸道菌群特征：
1. 雞胚中存在豐富的微生物多樣性，包含了28個門和162個屬，屬水平優(yōu)勢菌是鹽單胞菌Halomonas（79%）；
2. 65個菌屬作為“核心菌屬”始終貫穿存在于生長發(fā)育的三個時期；雞胚中檢測到的162個屬中，42%與母雞相同，62%與雛雞相同；
3. 胚胎中的微生物編碼的代謝通路與雛雞和母雞腸道微生物具有的功能差異顯著；
4. 三個不同品種之間有94%的腸道微生物是相同的。
由此可見，在早期胚胎中定植的微生物，至少有一部分遺傳自母雞，而雞孵化出生后，其腸道菌群受環(huán)境因素和宿主遺傳變異的共同影響。這項研究，充分說明了微生物組對于動物這一“生物體”生長發(fā)育的重要作用，對于畜牧業(yè)、醫(yī)學、食品安全檢測等領域均有深遠影響，也再次印證了：微生物無處不在！
該文章的作者為上海交通大學碩士研究生丁金梅，章巖博士和孟和教授為通訊作者。文章中的高通量測序和部分生物信息分析工作是由上海派森諾生物科技股份有限公司合作完成。
文章索引
Ding J, Dai R, Yang L, He C, Xu K, Liu S, Zhao W, Xiao L, Luo L, Zhang Y and Meng H (2017) Inheritance and Establishment of Gut Microbiota in Chickens. Frontiers in Microbiology. 8:1967. doi: 10.3389/fmicb.2017.01967
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