2018-09-06
正文
最近，派森诺生物与内蒙古农业大学合作，在《Scientific Reports》（影响因子：4.122）发表论文，在这项研究中，作者进行了双峰驼胃肠段16S rRNA基因序列分析，阐明了胃肠道不同区段的菌群特征，比较了与粪便微生物的相似性。
研究背景
哺乳动物的肠道微生物在维持健康和调节疾病方面发挥着重要作用，而微生物群落紊乱与糖尿病、肥胖症、肠道疾病和癌症等疾病密切相关。然而，大多数研究都仅仅针对粪便中肠道微生物群落的特征进行研究。
双峰驼是一种生活在沙漠或半沙漠中的非常顽强的动物。它能适应恶劣的环境，如干旱、贫瘠、炎热和寒冷。骆驼是牛奶，肉类和毛皮的运输工具和生产者。研究表明，双峰驼是描述沙漠适应的理想模型，因为它们能够忍受严酷的沙漠生态环境。双峰驼能够适应贫瘠的饮食条件。它可以吃耐盐植物，如藜科、菊科、豆科等。他们几乎能够咽下所有类型的植物，比如灌木或者树木。
双峰驼的消化系统与牛和羊不同，与大多数真正反刍动物的胃相比，双峰驼的胃只有3个腔而没有胃。此外，先前的研究发现，在骆驼属中，大颗粒的保留时间略长于前胃中的小颗粒。但是，流体，大小颗粒的保留时间在肠道中是相似的。因此，双峰驼菌群的特征很重要。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V4区测序
实验对象：11头成年双峰驼
实验设计：每头驼峰取9份样品
瘤胃（LW），内质网（WW），皱胃（ZW），十二指肠（12Z），空肠（KC），回肠（HC），盲肠（MC），结肠（JC）和粪便（FB）
研究结果
1、双峰驼胃肠道不同区段的细菌群落多样性
基于99个测序样品分析胃肠道（GIT）菌群，得到4079128条有效序列。平均每个样品检测到36315条序列，4035个OTU。各区段的OTU数量、Shannon指数和chao1指数具有显著差异。瘤胃、内质网中的Shannon和Chao1指数显著高于其他部位，空肠中的丰富度和多样性是所有样品中最低的。双峰驼GIT中总共检测到27个门。主要的门是Firmicutes（39.97%），Verrucomicrobia（21.10%）和Bacteroidetes（18.94%）。Firmicutes是GIT中所有细菌群落的优势门。Bacteroidetes是前胃第二大优势门，而Verrucomicrobia在回肠、盲肠、结肠和粪便中是第二大优势门。只有Firmicutes，Verrucomicrobia，Bacteroidetes，lanctomycetes，Proteobacteria，Spirochaetes，Tenericutes，Actinobacteria，Cyanobacteria和Lentisphaerae在所有样品中都存在。十二指肠样品中门水平最多（27个门），回肠中门最少（19个）。
双峰驼GIT中总共检测到282个属。但是49.13%序列属于未知微生物。GIT中比较多的属是Akkermansia，Fibrobacter，Prevotella，5–7N15，Pseudomonas，Burkholderia和Lactobacillus。优势分类单元，比如Prevotella，Fibrobacter，unclassifed Bacteroidales，unclassifed BS11和unclassifed Clostridiales在前胃中显著富集。而与GIT其他样品相比，Akkermansia，5–7N15和unclassifed Ruminococcaceae在大肠和回肠中更为富集。其他的门比如Lactobacillus，Burkholderia和Pseudomonas在十二指肠和空肠中较优势。皱胃、十二指肠和空肠中的unclassifed Bifdobacteriaceae的相对丰度显著高于GIT中其他样品。
图1 11头双峰驼胃肠道不同区段的菌群丰富度和系统发育多样性
表1 测序基本信息和Alpha多样性差异比较
图2 双峰驼肠道中部分属的丰富度
图3 PCA主成分分析
2、双峰驼GIT中菌群特征
Weighted UniFrac PCoA分析表明，不同样品之间微生物分布有差异，（i）前胃（瘤胃、内质网、皱胃）和（ii）回肠和大肠（结肠、空肠和粪便）在空间上被区分开（Adonis P=0.001，R2=0.57）。
为了确定GIT中菌群的相关性，随后进行了相关分析。GIT上下段部位的微生物群落组成显著不同。瘤胃、皱胃和内质网的菌群比较相似。GIT下游区段（盲肠、结肠和粪便）也观察到较高的相似性。回肠和GIT下游段也有较高的相似性。
3、总细菌数量
通过RT-PCR检测细菌16S rRNA基因拷贝数来评估GIT不同肠段总细菌数量。双峰驼GIT不同部位细菌密度有显著的区别。结肠和粪便中检测到更多的细菌数量。空肠中细菌的数量显著低于其他样品。前胃中细菌的数量也比粪便样品低。
图4 双峰驼GIT中细菌数量
4、菌群功能预测
在所有样品中，检测到41个基因家族，其中许多基因在膜运输、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、复制和修复以及能量代谢中起作用。在GIT样品中，40个特异基因家族有显著差异。在前胃中，参与氨基酸代谢，复制和修复的基因的相对丰度显著高于在其他解剖位置中观察到的。然而，GIT下游的细菌显著富含与碳水化合物代谢相关的物种类别。粪便和其他部位样品KEGG功能预测相比，它们在微生物群落的预测功能中具有显著的富集作用。特别是通过比较不同部位与疾病相关的功能，发现前胃比其他部位含有更多与代谢疾病和免疫系统相关的功能。但是，在肠道中检测到癌症和传染病的功能比例很高，特别是在十二指肠和空肠中。
表2 不同GI肠段属水平丰度相关性
图5 代谢功能预测和STAMP分析
总结
本研究描述了双峰驼GIT中微生物群落特征。在GIT的不同位置，微生物群落的组成和多样性的变化是不同的。尽管粪便微生物群落与大肠内的微生物群落显著相似，但是粪便不能完全代表GIT的微生物群落。因此，这项研究展示了对胃肠道全区段进行微生物组解析的必要性。当然，还需要进一步研究以了解决定肠道段间和个体间微生物群落组成的影响因素。
本研究的测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
文章索引：
Jing He, LiYi, Le Hai, Liang Ming, Wanting Gao & Rimutu Ji (2018).Characterizing the bacterial microbiota in diferent gastrointestinal tract segments of the Bactrian camel.Scientific Reports 8:654
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