微生物+轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析解析鯉魚腸道菌群與轉(zhuǎn)錄組水平的相互作用

文章信息

英文名; Interaction Between the Intestinal Microbial Community and TranscriptomeProfile in Common Carp (Cyprinus carpio L.)

期刊：Frontiers in microbiology

影響因子：5.64

研究背景

近年來，腸道微生物對宿主生產(chǎn)性能的影響受到廣泛關(guān)注。宿主的生產(chǎn)性能可以通過調(diào)節(jié)腸道微生物結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)，而腸道微生物結(jié)構(gòu)又主要受遺傳和飼料的影響。腸道微生物也能影響宿主的基因表達(dá)和甲基化水平。研究發(fā)現(xiàn)約 10%的宿主轉(zhuǎn)錄組受微生物調(diào)節(jié)，主要包括免疫、細(xì)胞增殖和代謝功能相關(guān)基因。腸道微生物與宿主基因表達(dá)之間的相互作用機(jī)制會影響飲食行為、消化過程、免疫功能和其他生理現(xiàn)象。一天中微生物的活動(dòng)會改變宿主的生物節(jié)律、表觀遺傳學(xué)和代謝產(chǎn)物。當(dāng)微生物群落內(nèi)穩(wěn)態(tài)的節(jié)律被破壞時(shí)，宿主的正常染色質(zhì)和基因表達(dá)水平將發(fā)生變化，腸-肝軸基因表達(dá)的新機(jī)制將被激活。上述腸道菌群與宿主的相互作用主要通過腦和肝的遠(yuǎn)程控制模式實(shí)現(xiàn)。因此，作者運(yùn)用轉(zhuǎn)錄組和微生物多樣性聯(lián)合分析來解析新黃河鯉品種的腸道微生物群通過調(diào)節(jié)腸道基因表達(dá)影響其生長性能的方式。本研究可以為黃河鯉新品種的選育提供參考。

研究目的

通過比較新鯉魚品系第 4 代（實(shí)驗(yàn)組）和傳統(tǒng)黃河鯉魚（對照組）在收獲時(shí)的生長性能、腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄組譜，探究基因表達(dá)水平與腸道細(xì)菌豐度之間的關(guān)系。

研究方法

材料：黃河鯉新品系（中國水產(chǎn)科學(xué)院淡水漁業(yè)研究中心）和傳統(tǒng)黃河鯉，水池中單獨(dú)喂養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)方法：生長性能測定：養(yǎng)殖 5 個(gè)月后，隨機(jī)抽取 366 只黃河鯉（對照組 180只，實(shí)驗(yàn)組 186 只）。體重（hBwt）用電子秤測量（準(zhǔn)確度：0.1 克），而體長（hBlen）、體寬（hBwid）和體高（hDep）用塑料尺測量（準(zhǔn)確度 ： 0.1 厘 米 ）。 Student’ t 檢 驗(yàn) 用 于 檢 驗(yàn) 實(shí) 驗(yàn) 組 和 對 照 組 之 間 的 差 異（P<0.05）。

測序樣品：養(yǎng)殖 5 個(gè)月后，隨機(jī)各抽取 3 條魚（饑餓 24 小時(shí)），將腸分為前腸、中腸和后腸段，并用鑷子擠壓將每個(gè)片段的內(nèi)容物收集到無菌的 2ml 收集管中（DD4 指對照組樣本，SS4 指實(shí)驗(yàn)組樣本）。對應(yīng)的同一樣本腸道組織用于轉(zhuǎn)錄組測序（CT 指對照組樣本，ST 指選擇組樣本）。

測序策略：16S rRNA 基因 V3-V4 區(qū)擴(kuò)增子測序：Illumina MiSeq 平臺，每組 3 個(gè)重復(fù)。RNA 測序：Illumina Hiseq 2500 平臺，每組 3 個(gè)重復(fù)。

研究結(jié)果

腸道細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與生長性能的關(guān)系

測量了黃河鯉新品四個(gè)生長性能參數(shù)（體重、長度、寬度和深度）（圖 1）。對照組的所有參數(shù)均比對照組顯著提高：重量 14.58%，深度7.14%，寬度 5.04%，長度 5.07%。

為了評估黃河鯉新品種的生長性能是否與其腸道菌群有關(guān)，將實(shí)驗(yàn)組和對照組在相似的生長環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)，并探討其腸道細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異。多樣性分析結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組的平均 OTU 豐富度（322.80±67.87）高于對照組（303.00±53.00）。實(shí)驗(yàn)組和對照組共鑒定出 94 個(gè)共有的細(xì)菌類群（圖 2B）。PCA 分析和系統(tǒng)發(fā)育樹將所有樣本分為兩部分（圖 2C，D），表明實(shí)驗(yàn)組和對照組是可明顯區(qū)分的。因此，我們可以從其遺傳亞種的選擇性微生物群落結(jié)構(gòu)特征來部分估計(jì)該新品種的腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)。在屬水平上對細(xì)菌組成（相對豐度）進(jìn)行分析，結(jié)果表明氣單胞菌（Aeromonas）是對照組的優(yōu)勢類群，其次是厚壁菌（Firmicutes）和玫 瑰 單 胞 菌 （ Roseomonas ）（ 圖 2E ）， 而 實(shí) 驗(yàn) 組 中 ， 玫 瑰 單 胞 菌（Roseomonas）是優(yōu)勢類群，其次是厚壁菌（Firmicutes），然后是氣單胞菌（Aeromonas）。結(jié)果表明這兩個(gè)群體的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)是不同的。這意味著宿主（黃河鯉魚新品種）基因組與微生物組相互作用，以選擇某些微生物類群，暗示腸道菌群組成會影響鯉魚的生長性能。

實(shí)驗(yàn)組和對照組之間的差異基因表達(dá)

使用與 16S 測序相同的樣本對黃河鯉新品種（實(shí)驗(yàn)組）和對照組中的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測序并鑒定差異基因（DEG）。在 249 個(gè)顯著 DEGs 中（如圖 3A），194 個(gè)基因表達(dá)下調(diào)，55 個(gè)基因表達(dá)上調(diào)。通過 GO 注釋，這些基因被分為以下功能類別：生物調(diào)節(jié)、細(xì)胞過程、解毒作用、發(fā)育過程、免疫系統(tǒng)進(jìn)程等（都屬于生物過程）；細(xì)胞、細(xì)胞部分、胞外區(qū)域、胞外區(qū)域部分、大分子復(fù)合物等（細(xì)胞成分）；抗氧化活性、結(jié)合活性、催化活性、分子功能調(diào)節(jié)器上等（分子功能）。聚類分析表明，實(shí)驗(yàn)組和對照組具有不同的特征，DEG 分為四個(gè)部分（圖 3B）。這些基因的GO 注釋包括生物學(xué)過程中的 13 個(gè)類別，細(xì)胞成分中的 8 類和分子功能類別中的 7 類（圖 3C）。KEGG 注釋將這些基因中的大部分分配到免疫相關(guān)途徑（圖 3D）。

與腸道細(xì)菌群落組成相關(guān)的差異表達(dá)基因

Pearson 相關(guān)性用于推斷微生物屬級群落組成與 DEGs 之間的關(guān)系（表 2），共探索了 2892 對，包括 245 個(gè)基因和 256 個(gè)屬。圖 4A 列出了與細(xì)菌群落具有屬級關(guān)系的前 10 個(gè)候選基因。其中許多參與免疫反應(yīng)，如 H-2 類組織相容性抗原、類 E-Sβ鏈（H2-Eb1）、類胸苷磷酸化酶（TYMP）、干擾素誘導(dǎo)蛋白 44（IFI44）和主要組織相容性復(fù)合物 I 類相關(guān)基因蛋白樣（MR1）。其他已鑒定的基因具有廣泛的功能。纖毛和圖 3 黃河魚新品與對照組腸道轉(zhuǎn)錄組 DEGs 分析鞭毛相關(guān)蛋白 54（Cfap54）是纖毛和鞭毛組裝和功能所必需的。碳水化合物硫轉(zhuǎn)移酶 14（Chst14）將硫酸鹽轉(zhuǎn)移到硫酸皮膚素中 N-乙酰半乳糖胺殘基的 C-4 羥基中。DNA 修復(fù)蛋白 RAD51 同源物 4（Rad51d）、ETS 易位變異體 5、轉(zhuǎn)錄本變異體 X2（Etv5）和著絲粒蛋白 Spc24（Spc24）與細(xì)胞分化和生長性能相關(guān)。這些基因可能在黃河鯉魚新品種更好的生長性能中發(fā)揮關(guān)鍵作用?？偠灾?，腸道細(xì)菌可以影響腸道中的基因表達(dá)，其中優(yōu)勢種或細(xì)菌結(jié)構(gòu)可能反映宿主黃鯉魚新品種的遺傳特征。腸道的細(xì)菌-基因表達(dá)譜有助于宿主腸道的健康和性能。

通過與基因頻率配對確定的前 10 個(gè)屬為：Bordetella, Lutispora, Methylocystis,Ohtaekwangia,Roseomonas,Shewanella,GpVI,Desulfovibrio, Candidatus_Berkiella and Azorhizobium。其中，Methylocystis 數(shù)量最多，在甲烷循環(huán)中起作用。

總結(jié)

該研究提出了腸道細(xì)菌群落與基因表達(dá)相互作用的證據(jù)。共探索了2892 對（屬級基因和細(xì)菌），包括 245 個(gè)基因和 256 個(gè)屬。作者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基因涉及免疫學(xué)、細(xì)菌群落和細(xì)胞分化，其中大多數(shù)位于免疫相關(guān)信號通路中。研究表明黃河鯉新菌株生長性能的改善可能與其免疫反應(yīng)的改善及其在腸道細(xì)菌結(jié)構(gòu)中的相互作用有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

Su S, Jing X, Zhang C, et al. Interaction Between the Intestinal MicrobialCommunity and Transcriptome Profile in Common Carp (Cyprinus carpio L.)[J]. Frontiers in Microbiology, 2021, 12.