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、細胞增殖和代謝功能相關基因。腸道微生物與宿主基因表達之間的相互作用機制會影響飲食行為、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會改變宿主的生物節(jié)律、表觀遺傳學和代謝產(chǎn)物。當微生物群落內(nèi)穩(wěn)態(tài)的節(jié)律被破壞時，宿主的正常染色質(zhì)和基因表達水平將發(fā)生變化，腸-肝軸基因表達的新機制將被激活。上述腸道菌群與宿主的相互作用主要通過腦和肝的遠程控制模式實現(xiàn)。因此，作者運用轉(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（實驗組）和傳統(tǒng)黃河鯉魚（對照組）在收獲時的生長性能、腸道細菌結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄組譜，探究基因表達水平與腸道細菌豐度之間的關系。

研究方法

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

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

測序樣品：養(yǎng)殖 5 個月后，隨機各抽取 3 條魚（饑餓 24 小時），將腸分為前腸、中腸和后腸段，并用鑷子擠壓將每個片段的內(nèi)容物收集到無菌的 2ml 收集管中（DD4 指對照組樣本，SS4 指實驗組樣本）。對應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)擴增子測序：Illumina MiSeq 平臺，每組 3 個重復。RNA 測序：Illumina Hiseq 2500 平臺，每組 3 個重復。

研究結(jié)果

腸道細菌群落結(jié)構(gòu)與生長性能的關系

測量了黃河鯉新品四個生長性能參數(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，將實驗組和對照組在相似的生長環(huán)境中進行培養(yǎng)，并探討其腸道細菌群落結(jié)構(gòu)的差異。多樣性分析結(jié)果顯示實驗組的平均 OTU 豐富度（322.80±67.87）高于對照組（303.00±53.00）。實驗組和對照組共鑒定出 94 個共有的細菌類群（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），表明實驗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)特征來部分估計該新品種的腸道細菌結(jié)構(gòu)。在屬水平上對細菌組成（相對豐度）進行分析，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 驗 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)果表明這兩個群體的細菌群落結(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。

實驗組和對照組之間的差異基因表達

使用與 16S 測序相同的樣本對黃河鯉新品種（實驗組）和對照組中的轉(zhuǎn)錄組進行測序并鑒定差異基因（DEG）。在 249 個顯著 DEGs 中（如圖 3A），194 個基因表達下調(diào)，55 個基因表達上調(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)、細胞過程、解毒作用、發(fā)育過程、免疫系統(tǒng)進程等（都屬于生物過程）；細胞、細胞部分、胞外區(qū)域、胞外區(qū)域部分、大分子復合物等（細胞成分）；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，實驗組和對照組具有不同的特征，DEG 分為四個部分（圖 3B）。這些基因的GO 注釋包括生物學過程中的 13 個類別，細胞成分中的 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途徑（圖 3D）。

與腸道細菌群落組成相關的差異表達基因

Pearson 相關性用于推斷微生物屬級群落組成與 DEGs 之間的關系（表 2），共探索了 2892 對，包括 245 個基因和 256 個屬。圖 4A 列出了與細菌群落具有屬級關系的前 10 個候選基因。其中許多參與免疫反應，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）、干擾素誘導蛋白 44（IFI44）和主要組織相容性復合物 I 類相關基因蛋白樣（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）與細胞分化和生長性能相關。這些基因可能在黃河鯉魚新品種更好的生長性能中發(fā)揮關鍵作用?？偠灾c道細菌可以影響腸道中的基因表達，其中優(yōu)勢種或細菌結(jié)構(gòu)可能反映宿主黃鯉魚新品種的遺傳特征。腸道的細菌-基因表達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菌群落與基因表達相互作用的證據(jù)。共探索了2892 對（屬級基因和細菌），包括 245 個基因和 256 個屬。作者發(fā)現(xiàn)大多數(shù)基因涉及免疫學、細菌群落和細胞分化，其中大多數(shù)位于免疫相關信號通路中。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的改善及其在腸道細菌結(jié)構(gòu)中的相互作用有關。

參考文獻

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.