Science|180种野生动物肠道菌群测序结果有哪些信息值得我们关注

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谷禾健康

导语

微生物在在地球上无处不在,适应了几乎所有可用的生态栖息。 微生物在不同物种和个体之间差异性很大,存在着广泛的微生物多样性

野生动物之所以能够耐受病原菌的感染和有毒食物的威胁以及抵御多种疾病,可能与其体内或体表生存的微生物密切关联。然而,与已被广泛研究的人类微生物群相比,野生动物的微生物群受到的关注较少

当宿主有着共同的饮食或共同祖先,尤其是哺乳动物,通常肠道菌群构成也更为相似,不过这种相关性在鱼类、两栖类、鸟类和非脊椎动物中较弱。在许多情况下,肠道微生物都参与宿主的关键生理过程,包括代谢特殊的饮食化合物。

近日,以色列魏茨曼科学研究院Eran Segal团队采用一致的方法从全球四大洲采集了406份动物粪便样品,包括121份养殖样品和285份野生样品。共涉及184个动物物种,包括哺乳类、禽类、两栖类、硬骨鱼类等的物种。这些物种在分类单元、觅食/取食行为、地理分布、性状等方面具有较高的多样性

使用宏基因组学来分析这180多个物种的肠道菌群,使用从头基因组组装,构建并在功能上注释了5000多个基因组的数据库,其中包括1209种细菌,但是其中75%未知

在这项研究中组装的1209个基因组的最大似然比的系统发育树。

内有色环和外有色环分别表示细菌门和宿主类别。先前未描述的基因组进化枝为深红色。

该研究的贡献:

一,坚持野外采样。野外采样,尤其对于动物采样存在很多挑战,但是证据表明圈养动物会改变微生物组,而且,过往大量有关哺乳动物的研究大部分来来自于是圈养动物,包括大小鼠。这次大规模全球野外采样,可以扩大和了解动物宿主栖息微生物的机会。

二,要获得广泛的野生动物代表性,需要在全球不同的生态环境采样,并从具有不同特征和喂养方式的多种动物中取样。此外,该研究为每个物种手工制定了特质,包括饮食适应性,活动时间和社会结构,使我们能够系统地研究微生物群组成与宿主表型之间的关系。

三,为未知物种的大规模注释细菌基因组数据库,并确定了与这些动物的性状和分类相关的多种微生物模式,并强调了其潜力作为发现新的工业酶和治疗剂的主要未开发资源。

微生物的组成,多样性和功能含量与动物分类,饮食,活动,社会结构和寿命相关。动物微生物群系是生物功能的丰富来源,可能会对生物技术产生影响,包括抗生素,工业酶和免疫调节剂。

此外,野外动物表现出适应性,例如安全食用腐烂,感染病原体的肉类和有毒植物,可以产生强效毒素、生物发光以及各种疾病和微生物病原体具有特异性免疫力、再生能力并且在某些物种中具有极长的寿命。这些适应性中的某些,例如毒素产生和生物发光至少部分是由生活在动物体内/上的微生物共生体赋予的。该研究构建和功能注释从自然栖息地的野生动物中提取的微生物群的综合数据库可以对动物性状与其微生物群之间联系的进行全面了解。

例如,为了证明在动物微生物群中可以发现新的细菌功能,作者在实验中验证了细菌毒素——食用腐肉的欧亚兀鹫(Gyps fulvus)的MAG中发现的代谢蛋白酶。这些蛋白酶可用作抗菌化合物,具有抗菌活性潜在的应用包括对抗人类食物中毒

欧亚兀鹫(学名:Gyps fulvus):体长95-105厘米,尾长24-29 厘米,翼展240-280厘米,体重6-11千克。是一种大型的褐色鹫。栖息在海拔高达2,500米的范围内。主要以山羊、鹿和瞪羚等野生动物,以及人类养殖的绵羊、山羊、牛和马为食。靠灵敏的嗅觉来找寻腐烂的动物尸体,并常常为抢一块肉而争个不停。而且习惯把头伸进动物尸体的腹腔内,啄食内脏和肌肉。分布范围非常广泛,遍布欧洲、中东和北非,也分布于印度、喜马拉雅山脉。在地中海沿岸国家最常见。

这项研究的最大贡献是其丰富的、系统生成的数据集。很容易想象,微生物保护和新出现的抗生素耐药性等不同领域的突破是由这些亚基因组的发现推动的。在欧亚兀鹫微生物群中发现的蛋白酶证明了从野生动物微生物群中进行生物勘探的原理,尽管尚不清楚该案例研究是否应被视为例外或预期的发现。

新发现的食腐肉的欧亚兀鹫(Gyps fulvus)的肠道细菌中的毒素代谢蛋白酶可能在抵抗食物中毒方面有应用。

这项研究仅仅触及了可以用这个数据集检验的假设的表面。未来方向包括:

01  微生物群如何帮助动物降解有毒的植物化学物质。

02  抵御食物中的病原体。

03  从多种食物来源中提取营养的问题。

四,丰富了许多未知物种的细菌门,并发现某些细菌进化枝相对于同一门中的其他细菌具有独特的功能特性。动物种类和已发现的动物种类(共存细菌的特定簇)之间的细菌状况有所不同。动物中这种未被探索的微生物多样性与被充分研究的人类微生物组形成了对比,而人类微生物组在参考数据库中表现得更好。未描述的物种中的富集度最高的是疣状菌属(Verrucomicrobia),这是一个存在于水、土壤和人类肠道中的门,但培养物种相对较少。

确定了多种途径和直系同源物,这些途径和直系同源物在特定的动物性状中显着丰富,并表明功能性景观与这些性状相关。这些功能中的一些功能提示了野生生物微生物群的新角色和特性。绘制野生动物的微生物群落图也可能有助于野生微生物的保护工作。

五,重述了首次通过扩增子测序发现的结果,包括食草动物微生物组比食肉动物微生物更加多样化。这是一个比较重要的发现,是否说明植物性饮食可以提高微生物多样性?此外,不同动物群体的微生物组编码的遗传途径因宿主饮食、体型和其他特征而不同。

六,野生动物的微生物区系也是动物和人类病原体的天然库,如当前的COVID-19大流行一样,通过对野生生物微生物景观的广泛的基因组集合可以阐明其传播到人群中的时间和途径。

该研究值得注意的问题:

一,使用MAGs(宏基因组组装的基因组)限制了研究其中一些目标的拓展,即保护医学和生态上重要的细菌菌株。有些微生物物种将需要分析未组装的读取、培养或富集技术,而不是本研究中使用的全基因组测序。

二,即使是那些基因组被MAG组装捕获的细菌,这些组装体也倾向于排除“辅助”基因组,即在不同菌株间存在的基因。然而,这些基因往往在适应特定的宿主和环境中发挥作用。例如,抗菌素抗性、致病性和能量收集是经常由移动元件或其他辅助基因编码的性状。

三,Levin等人检测到的大多数非特征微生物在宿主体内的活动,以及它们是稳定地定殖在动物体内还是短暂地通过它们的胃肠道的问题仍然存在。在这个庞大的数据集上测试每个假设需要大量的计算、解释和实验验证

参考文献:

Levin D, Raab N, Pinto Y, et al. Diversity and functional landscapes in the microbiota of animals in the wild[J]. Science, 2021, 372(6539).

Coleman M. Diagnosing nutritional stress in the oceans[J]. Science, 2021, 372(6539): 239-240.

L.-X. Chen, K. Anantharaman, A. Shaiber, A. M. Eren, J. F. Banfield, Genome Res. 30, 315 (2020)

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