2017-10-25
號外號外，派森(sen)諾(nuo)(nuo)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)給大家帶來重磅好消息啦！繼(ji)今年(nian)7月，上(shang)海交通(tong)大學(xue)孟和(he)教授課題組與(yu)派森(sen)諾(nuo)(nuo)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)合作揭示雞(ji)(ji)腸道菌(jun)群(qun)與(yu)宿主體液免疫共同(tong)“微(wei)進化”的特征(zheng)之后(hou)，近日再次在《Frontiers in Microbiology》（影響因子：4.076）上(shang)發(fa)表研(yan)(yan)究成果，證實(shi)：雞(ji)(ji)蛋里有微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)！并闡明了雞(ji)(ji)腸道微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)區(qu)系是如何(he)遺傳(chuan)和(he)建立的。這項研(yan)(yan)究，就像審稿人所說(shuo)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(zhen)是可喜可賀啊！
研究背景
動物(wu)宿主(zhu)的(de)胃(wei)腸(chang)道內定居著(zhu)復雜多樣的(de)微生(sheng)物(wu)群，它們與宿主(zhu)共(gong)(gong)(gong)生(sheng)，并共(gong)(gong)(gong)同構成“生(sheng)物(wu)體”。宿主(zhu)和(he)共(gong)(gong)(gong)生(sheng)微生(sheng)物(wu)之間存在著(zhu)密切的(de)共(gong)(gong)(gong)代謝和(he)共(gong)(gong)(gong)進化關系(xi)，尤其是腸(chang)道菌群，同時受宿主(zhu)遺傳和(he)外界環境(jing)因素共(gong)(gong)(gong)同影響。
腸道菌(jun)群(qun)可以看作是(shi)機體的一(yi)個數量性(xing)狀，就像雞的產(chan)蛋量和牛的產(chan)奶量一(yi)樣，它不僅可以產(chan)生一(yi)些重(zhong)要的代謝產(chan)物維持宿(su)主的生長發育，更對(dui)宿(su)主生理和免(mian)疫具有重(zhong)要影響。腸道菌(jun)群(qun)能夠增強宿(su)主消化效率，促進免(mian)疫系(xi)統(tong)的建(jian)立和免(mian)疫穩(wen)態的形(xing)成(cheng)，限制病原菌(jun)的定植，從而與宿(su)主的生理功能、代謝、免(mian)疫和行(xing)為(wei)表現等(deng)各方(fang)面都緊密相(xiang)關。
眾所周知，哺乳動(dong)物(wu)母(mu)(mu)體(ti)(ti)的(de)(de)微生物(wu)可能通過胎盤、羊水(shui)、臍帶(dai)血、陰道和母(mu)(mu)乳等方式(shi)傳遞給胎兒(er)；然而，對(dui)于卵(luan)生動(dong)物(wu)，胚胎發(fa)育和子代出生是(shi)在脫離母(mu)(mu)體(ti)(ti)的(de)(de)情(qing)況下進行的(de)(de)，母(mu)(mu)體(ti)(ti)是(shi)否影響后代腸道微生物(wu)這一(yi)謎題(ti)，尚有待解答。
研究目的
本(ben)研究以(yi)(yi)雞(ji)為研究對象，考察(cha)雞(ji)三(san)個不同生長發(fa)育時(shi)期（雞(ji)胚、雛雞(ji)和母雞(ji)）的腸道(dao)菌群的組成(cheng)和分布，以(yi)(yi)探討(tao)雞(ji)腸道(dao)微生態隨著個體(ti)發(fa)育而(er)逐(zhu)步建立的過程(cheng)及(ji)其遺(yi)傳(chuan)特性。具體(ti)的目標在于：
1. 探索雞胚(pei)中(zhong)是否存在(zai)微生物？
2. 如果(guo)存在，其可能的(de)來(lai)源是哪里？
3. 不(bu)同生(sheng)長發育階段(duan)是否具有核心微生(sheng)物？
4. 遺(yi)傳(chuan)因素和環境因素分別如何影響腸道微(wei)生物組(zu)？
研究方法
測序(xu)技術：Illumina MiSeq高(gao)通量測序(xu)平臺
測序模式：細菌16S rRNA基因V4區
實驗設計：無菌條件下，分(fen)別采集不同發(fa)育階段的(de)雞（雞胚(pei)、雛雞和母雞）的(de)全胚(pei)胎(tai)、胚(pei)中(zhong)腸道或糞便(bian)樣品，共176份：
發育階段 | 樣品來源 | 樣品名稱 | 樣品數量 |
孵化(hua)期 | 4日(ri)齡雞胚的全胚胎樣品(pin) | E4 | 27 |
19日(ri)齡雞(ji)胚的腸道樣品 | E19 | 24 | |
雛雞 | 4日齡雛雞糞便樣品(pin) | L4 | 39 |
21日齡雛雞糞便樣(yang)品 | L21 | 38 | |
42日齡雛雞(ji)糞(fen)便(bian)樣品(pin) | L42 | 36 | |
母雞 | 生殖期母雞(ji)糞便樣品(pin) | H | 12 |
實驗處理(li)：對(dui)12只35周齡的母雞(ji)(ji)(ji)(ji)（北京(jing)油雞(ji)(ji)(ji)(ji)、仙(xian)居雞(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)石歧雜雞(ji)(ji)(ji)(ji)各4只）進(jin)行配種，挑選受精卵用于孵化(hua)胚胎和(he)小雞(ji)(ji)(ji)(ji)。受精卵在(zai)無菌消(xiao)毒室（37.8 ℃、55~65%濕度）孵化(hua)，雛雞(ji)(ji)(ji)(ji)出殼后(hou)立即送(song)回至母雞(ji)(ji)(ji)(ji)所在(zai)養殖場，所有雛雞(ji)(ji)(ji)(ji)的飼養管理(li)條件均和(he)母雞(ji)(ji)(ji)(ji)保持一致。
研究結果(guo)
對雞(ji)胚(pei)期的(de)51個(ge)(ge)樣(yang)品進行(xing)測(ce)序，得到的(de)微生物分類到28個(ge)(ge)門，162個(ge)(ge)屬和(he)76個(ge)(ge)種。在門水(shui)平上，Proteobacteria，占總(zong)微生物豐度(du)的(de)86%，其(qi)次(ci)是Firmicutes（5%），Bacteroidetes（4%），以(yi)及Actinobacteria（3%）；在屬水(shui)平上，Halomonas優勢，含量為79%，其(qi)次(ci)是Ochrobactrum，占比5%，兩者均屬變形菌門。
比較雞(ji)胚兩個時期（E4和E19）的(de)(de)微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)組(zu)，其相(xiang)(xiang)關系(xi)數為0.8。盡管在門水平(ping)的(de)(de)微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)組(zu)成較相(xiang)(xiang)似，但(dan)可(ke)以觀察到Proteobacteria豐(feng)度降低，而(er)Firmicutes，Actinobacteria和Bacteroidetes豐(feng)度顯(xian)著(zhu)增(zeng)加；非度量多維(wei)尺度（NMDS）分析和熱圖結(jie)果顯(xian)示4日(ri)(ri)(ri)齡雞(ji)胚和19日(ri)(ri)(ri)齡雞(ji)胚腸道的(de)(de)微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)群(qun)落具(ju)有顯(xian)著(zhu)差異，Alpha多樣性(xing)分析顯(xian)示19日(ri)(ri)(ri)齡的(de)(de)雞(ji)胚具(ju)有更(geng)高的(de)(de)微生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)多樣性(xing)。
為了探究腸道(dao)微(wei)(wei)生(sheng)態隨著個(ge)體(ti)發育(yu)而(er)(er)逐(zhu)步建立的(de)過程(cheng)及其(qi)(qi)遺(yi)傳特性，本研究進一步比較(jiao)了雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)胚(pei)(pei)、雛(chu)雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)(he)(he)母雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)的(de)菌(jun)(jun)群組成。其(qi)(qi)中，豐(feng)度(du)門為Proteobacteria，Firmicutes和(he)(he)(he)Bacteroidetes，其(qi)(qi)次是(shi)Actinobacteria，Cyanobacteria和(he)(he)(he)Synergistetes。然而(er)(er)，這(zhe)些優(you)勢物種(zhong)在(zai)各個(ge)階(jie)段的(de)比例有所不同(tong)(tong)。Proteobacteria在(zai)雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)胚(pei)(pei)中豐(feng)富（86%），在(zai)母雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)中豐(feng)度(du)僅(jin)為22%；而(er)(er)Firmicutes（76%和(he)(he)(he)44%）和(he)(he)(he)Bacteroidetes（10%和(he)(he)(he)24%）是(shi)雛(chu)雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)和(he)(he)(he)母雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)腸道(dao)優(you)勢菌(jun)(jun)。在(zai)屬水平，Halomonas在(zai)雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)胚(pei)(pei)中豐(feng)度(du)較(jiao)高（79%）；而(er)(er)Lactobacillus和(he)(he)(he)Bacteroides在(zai)雛(chu)雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)中是(shi)優(you)勢菌(jun)(jun)，豐(feng)度(du)分別(bie)為67%和(he)(he)(he)10%。59個(ge)屬水平的(de)低豐(feng)度(du)微(wei)(wei)生(sheng)物僅(jin)在(zai)雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)胚(pei)(pei)中檢(jian)測到(dao)，這(zhe)些“過路(lu)菌(jun)(jun)”隨著個(ge)體(ti)發育(yu)而(er)(er)漸漸消(xiao)失。在(zai)雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)胚(pei)(pei)的(de)162個(ge)屬中，68個(ge)微(wei)(wei)生(sheng)物和(he)(he)(he)母雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)相同(tong)(tong)，100個(ge)和(he)(he)(he)雛(chu)雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)相同(tong)(tong)。在(zai)雛(chu)雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)中，69%（91/132）和(he)(he)(he)母雞(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)相同(tong)(tong)。說(shuo)明腸道(dao)菌(jun)(jun)群受到(dao)宿主(zhu)發育(yu)和(he)(he)(he)環境(jing)因素的(de)共(gong)同(tong)(tong)作用(yong)。
基(ji)于上(shang)述(shu)共有微生物的研(yan)究，本研(yan)究發(fa)現，共有65個核心屬貫穿于生長發(fa)育(yu)的各個時期，如Halomonas、Bacteroides、Enterococcus和Lactobacillus等。由此推測(ce)，早期胚(pei)胎(tai)定(ding)植的微生物可能遺傳自母雞(ji)(ji)，并(bing)且腸道(dao)微生物可能存(cun)在從(cong)母雞(ji)(ji)到(dao)胚(pei)胎(tai)、胚(pei)胎(tai)到(dao)小雞(ji)(ji)的傳遞過程。
通過對菌群功能進行(xing)預測，發現有(you)25個代(dai)謝(xie)(xie)(xie)通路在雞(ji)胚(pei)、雛(chu)(chu)雞(ji)和(he)母(mu)雞(ji)之間存在顯著差異(yi)。雞(ji)胚(pei)腸道微(wei)生(sheng)(sheng)物中比(bi)較活躍的(de)代(dai)謝(xie)(xie)(xie)通路是物質(zhi)代(dai)謝(xie)(xie)(xie)、細胞運動、信號(hao)轉(zhuan)導、細胞信號(hao)處理(li)、輔(fu)酶因子(zi)和(he)維生(sheng)(sheng)素代(dai)謝(xie)(xie)(xie)等，這些途(tu)(tu)徑大多都與(yu)生(sheng)(sheng)長(chang)和(he)發育有(you)關。和(he)雞(ji)胚(pei)相(xiang)比(bi)，雛(chu)(chu)雞(ji)和(he)母(mu)雞(ji)的(de)微(wei)生(sheng)(sheng)物更(geng)多地參與(yu)到轉(zhuan)錄(lu)、翻譯、DNA復(fu)制和(he)修復(fu)、核苷酸代(dai)謝(xie)(xie)(xie)、遺傳信息處理(li)、碳水化合物代(dai)謝(xie)(xie)(xie)等方面的(de)功能。雛(chu)(chu)雞(ji)和(he)母(mu)雞(ji)的(de)代(dai)謝(xie)(xie)(xie)途(tu)(tu)徑差異(yi)較少(shao)，表明盡管它(ta)們的(de)腸道微(wei)生(sheng)(sheng)物組成不同，但功能類似。
為了衡量遺(yi)傳背景對(dui)腸(chang)(chang)道(dao)微生(sheng)態的(de)(de)(de)影響，本研究進(jin)一(yi)步(bu)比(bi)較了三個不同品種(zhong)的(de)(de)(de)雞(ji)之間腸(chang)(chang)道(dao)菌群的(de)(de)(de)異同。在相同的(de)(de)(de)飼(si)喂條(tiao)件下，三種(zhong)雞(ji)的(de)(de)(de)優勢屬相似，94.4%（185/196）的(de)(de)(de)微生(sheng)物屬都是共(gong)有的(de)(de)(de)。對(dui)不同發(fa)育階段的(de)(de)(de)雞(ji)腸(chang)(chang)道(dao)菌群進(jin)行Beta多(duo)樣性分析，發(fa)現(xian)4日齡(ling)和(he)19日齡(ling)時，三種(zhong)雞(ji)的(de)(de)(de)雞(ji)胚(pei)菌群差(cha)異明顯；相比(bi)于雞(ji)胚(pei)，雛雞(ji)和(he)母(mu)雞(ji)時期(qi)的(de)(de)(de)三種(zhong)雞(ji)的(de)(de)(de)腸(chang)(chang)道(dao)菌群差(cha)異逐漸(jian)減小。
總結
本研究(jiu)通過將(jiang)遺傳研究(jiu)和微生態研究(jiu)相(xiang)結合，系(xi)統(tong)闡明(ming)了不同發育時期的(de)雞腸道菌群特征：
1. 雞胚中存在(zai)豐富的微生物(wu)多樣性，包含了28個門和162個屬，屬水平優勢菌(jun)是鹽單(dan)胞菌(jun)Halomonas（79%）；
2. 65個(ge)菌屬(shu)(shu)作為“核心菌屬(shu)(shu)”始終貫穿存在(zai)于生長發育的三個(ge)時期；雞胚中檢測到的162個(ge)屬(shu)(shu)中，42%與母雞相(xiang)同，62%與雛雞相(xiang)同；
3. 胚胎中的(de)微生物(wu)編碼的(de)代謝通(tong)路(lu)與雛雞和(he)母雞腸道微生物(wu)具(ju)有的(de)功能差異顯著；
4. 三個不同(tong)品種(zhong)之間有94%的腸(chang)道微生物是(shi)相同(tong)的。
由此可見，在早期胚胎中定植(zhi)的(de)微生(sheng)(sheng)物，至少(shao)有一部分遺傳(chuan)自母雞(ji)，而雞(ji)孵化(hua)出生(sheng)(sheng)后，其(qi)腸道菌群受環境因素和宿主遺傳(chuan)變異的(de)共同(tong)影響。這(zhe)項研究，充分說明了微生(sheng)(sheng)物組對(dui)于動(dong)物這(zhe)一“生(sheng)(sheng)物體”生(sheng)(sheng)長發育的(de)重(zhong)要作用，對(dui)于畜牧業、醫(yi)學、食品安全檢(jian)測等領域(yu)均(jun)有深遠影響，也再次印證了：微生(sheng)(sheng)物無處不在！
該文(wen)(wen)章的作者為上海交通(tong)大學碩士(shi)研究生丁金(jin)梅，章巖博士(shi)和孟(meng)和教授為通(tong)訊作者。文(wen)(wen)章中的高通(tong)量測(ce)序和部分(fen)生物信息(xi)分(fen)析工作是由上海派森諾生物科(ke)技股份有(you)限公司合作完成。
文(wen)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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