2017-10-25
号外号外，派森诺生物给大家带来重磅好消息啦！继今年7月，上海交通大学孟和教授课题组与派森诺生物合作揭示鸡肠道菌群与宿主体液免疫共同“微进化”的特征之后，近日再次在《Frontiers in Microbiology》（影响因子：4.076）上发表研究成果，证实：鸡蛋里有微生物！并阐明了鸡肠道微生物区系是如何遗传和建立的。这项研究，就像审稿人所说的：“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”。
真是可喜可贺啊！
研究背景
动物宿主的胃肠道内定居着复杂多样的微生物群，它们与宿主共生，并共同构成“生物体”。宿主和共生微生物之间存在着密切的共代谢和共进化关系，尤其是肠道菌群，同时受宿主遗传和外界环境因素共同影响。
肠道菌群可以看作是机体的一个数量性状，就像鸡的产蛋量和牛的产奶量一样，它不仅可以产生一些重要的代谢产物维持宿主的生长发育，更对宿主生理和免疫具有重要影响。肠道菌群能够增强宿主消化效率，促进免疫系统的建立和免疫稳态的形成，限制病原菌的定植，从而与宿主的生理功能、代谢、免疫和行为表现等各方面都紧密相关。
众所周知，哺乳动物母体的微生物可能通过胎盘、羊水、脐带血、阴道和母乳等方式传递给胎儿；然而，对于卵生动物，胚胎发育和子代出生是在脱离母体的情况下进行的，母体是否影响后代肠道微生物这一谜题，尚有待解答。
研究目的
本研究以鸡为研究对象，考察鸡三个不同生长发育时期（鸡胚、雏鸡和母鸡）的肠道菌群的组成和分布，以探讨鸡肠道微生态随着个体发育而逐步建立的过程及其遗传特性。具体的目标在于：
1. 探索鸡胚中是否存在微生物？
2. 如果存在，其可能的来源是哪里？
3. 不同生长发育阶段是否具有核心微生物？
4. 遗传因素和环境因素分别如何影响肠道微生物组？
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：细菌16S rRNA基因V4区
实验设计：无菌条件下，分别采集不同发育阶段的鸡（鸡胚、雏鸡和母鸡）的全胚胎、胚中肠道或粪便样品，共176份：
发育阶段 | 样品来源 | 样品名称 | 样品数量 |
孵化期 | 4日龄鸡胚的全胚胎样品 | E4 | 27 |
19日龄鸡胚的肠道样品 | E19 | 24 | |
雏鸡 | 4日龄雏鸡粪便样品 | L4 | 39 |
21日龄雏鸡粪便样品 | L21 | 38 | |
42日龄雏鸡粪便样品 | L42 | 36 | |
母鸡 | 生殖期母鸡粪便样品 | H | 12 |
实验处理：对12只35周龄的母鸡（北京油鸡、仙居鸡和石歧杂鸡各4只）进行配种，挑选受精卵用于孵化胚胎和小鸡。受精卵在无菌消毒室（37.8 ℃、55~65%湿度）孵化，雏鸡出壳后立即送回至母鸡所在养殖场，所有雏鸡的饲养管理条件均和母鸡保持一致。
研究结果
对鸡胚期的51个样品进行测序，得到的微生物分类到28个门，162个属和76个种。在门水平上，Proteobacteria，占总微生物丰度的86%，其次是Firmicutes（5%），Bacteroidetes（4%），以及Actinobacteria（3%）；在属水平上，Halomonas优势，含量为79%，其次是Ochrobactrum，占比5%，两者均属变形菌门。
比较鸡胚两个时期（E4和E19）的微生物组，其相关系数为0.8。尽管在门水平的微生物组成较相似，但可以观察到Proteobacteria丰度降低，而Firmicutes，Actinobacteria和Bacteroidetes丰度显著增加；非度量多维尺度（NMDS）分析和热图结果显示4日龄鸡胚和19日龄鸡胚肠道的微生物群落具有显著差异，Alpha多样性分析显示19日龄的鸡胚具有更高的微生物多样性。
为了探究肠道微生态随着个体发育而逐步建立的过程及其遗传特性，本研究进一步比较了鸡胚、雏鸡和母鸡的菌群组成。其中，丰度门为Proteobacteria，Firmicutes和Bacteroidetes，其次是Actinobacteria，Cyanobacteria和Synergistetes。然而，这些优势物种在各个阶段的比例有所不同。Proteobacteria在鸡胚中丰富（86%），在母鸡中丰度仅为22%；而Firmicutes（76%和44%）和Bacteroidetes（10%和24%）是雏鸡和母鸡肠道优势菌。在属水平，Halomonas在鸡胚中丰度较高（79%）；而Lactobacillus和Bacteroides在雏鸡中是优势菌，丰度分别为67%和10%。59个属水平的低丰度微生物仅在鸡胚中检测到，这些“过路菌”随着个体发育而渐渐消失。在鸡胚的162个属中，68个微生物和母鸡相同，100个和雏鸡相同。在雏鸡中，69%（91/132）和母鸡相同。说明肠道菌群受到宿主发育和环境因素的共同作用。
基于上述共有微生物的研究，本研究发现，共有65个核心属贯穿于生长发育的各个时期，如Halomonas、Bacteroides、Enterococcus和Lactobacillus等。由此推测，早期胚胎定植的微生物可能遗传自母鸡，并且肠道微生物可能存在从母鸡到胚胎、胚胎到小鸡的传递过程。
通过对菌群功能进行预测，发现有25个代谢通路在鸡胚、雏鸡和母鸡之间存在显著差异。鸡胚肠道微生物中比较活跃的代谢通路是物质代谢、细胞运动、信号转导、细胞信号处理、辅酶因子和维生素代谢等，这些途径大多都与生长和发育有关。和鸡胚相比，雏鸡和母鸡的微生物更多地参与到转录、翻译、DNA复制和修复、核苷酸代谢、遗传信息处理、碳水化合物代谢等方面的功能。雏鸡和母鸡的代谢途径差异较少，表明尽管它们的肠道微生物组成不同，但功能类似。
为了衡量遗传背景对肠道微生态的影响，本研究进一步比较了三个不同品种的鸡之间肠道菌群的异同。在相同的饲喂条件下，三种鸡的优势属相似，94.4%（185/196）的微生物属都是共有的。对不同发育阶段的鸡肠道菌群进行Beta多样性分析，发现4日龄和19日龄时，三种鸡的鸡胚菌群差异明显；相比于鸡胚，雏鸡和母鸡时期的三种鸡的肠道菌群差异逐渐减小。
总结
本研究通过将遗传研究和微生态研究相结合，系统阐明了不同发育时期的鸡肠道菌群特征：
1. 鸡胚中存在丰富的微生物多样性，包含了28个门和162个属，属水平优势菌是盐单胞菌Halomonas（79%）；
2. 65个菌属作为“核心菌属”始终贯穿存在于生长发育的三个时期；鸡胚中检测到的162个属中，42%与母鸡相同，62%与雏鸡相同；
3. 胚胎中的微生物编码的代谢通路与雏鸡和母鸡肠道微生物具有的功能差异显著；
4. 三个不同品种之间有94%的肠道微生物是相同的。
由此可见，在早期胚胎中定植的微生物，至少有一部分遗传自母鸡，而鸡孵化出生后，其肠道菌群受环境因素和宿主遗传变异的共同影响。这项研究，充分说明了微生物组对于动物这一“生物体”生长发育的重要作用，对于畜牧业、医学、食品安全检测等领域均有深远影响，也再次印证了：微生物无处不在！
该文章的作者为上海交通大学硕士研究生丁金梅，章岩博士和孟和教授为通讯作者。文章中的高通量测序和部分生物信息分析工作是由上海派森诺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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https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2017.01967/full
