田 野,蔡淳理,楊大容,李 慧,劉寶生,3*
(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江西 南昌 330045;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,四川 成都 611130;3.江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 獸藥研究所,江西 南昌 330045)
動(dòng)物腸道作為微生物最密集的棲息地,長(zhǎng)期寄居著大約1014的微生物個(gè)體[1]。單胃哺乳動(dòng)物胃腸道微生物主要是由細(xì)菌組成,約占機(jī)體微生物總量的78%[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),腸道菌群中含有500~1 000種細(xì)菌[3],其中已被記錄的菌門(mén)有50多個(gè)[4]。腸道菌群結(jié)構(gòu)并非固定,但在哺乳動(dòng)物腸道中通常是以Bacteroidetes、Firmicutes中的1個(gè)或2個(gè)門(mén)占據(jù)優(yōu)勢(shì)[5]。動(dòng)物腸道菌群與年齡有關(guān),有研究表明,仔豬腸道菌群隨著發(fā)育過(guò)程逐漸轉(zhuǎn)化并趨于穩(wěn)定[6],而成年豬的腸道菌群大致穩(wěn)定,總體上以Proteobacteria、Firmicutes、Bacteroidetes為主[7-8]。
近十多年來(lái),因?yàn)楦咄繙y(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展,雖然在豬腸道菌群的結(jié)構(gòu)、功能,以及腸道菌群與宿主關(guān)系等多方面展開(kāi)了豐富的研究[9-10],但迄今為止腸道內(nèi)生菌群的真實(shí)情況仍舊不夠明朗。16S rRNA基因全長(zhǎng)1 540 bp,包含9個(gè)可變區(qū),是目前細(xì)菌種屬鑒定和分類(lèi)中應(yīng)用最廣泛的“biomarker”[11-12]。目前的高通量測(cè)序技術(shù)受制于本身測(cè)序長(zhǎng)度的限制,往往只能選擇1~3個(gè)可變區(qū)作為靶點(diǎn)[13]。Claesson等[14]通過(guò)比較16S rRNA基因的V3+V4和V4+V5兩組高變區(qū)在Roche-454和Illumina 2個(gè)主流測(cè)序平臺(tái)中對(duì)細(xì)菌種屬特征分析的偏差,發(fā)現(xiàn)基因序列的覆蓋率越大,準(zhǔn)確性越高。為了避免高通量測(cè)序中的有限測(cè)序在菌群多樣性評(píng)價(jià)和估計(jì)上的不足,本研究通過(guò)基于16S rRNA基因的全序列擴(kuò)增與測(cè)序,構(gòu)建成年商品豬腸道普通可培養(yǎng)核心菌群(general culturable core bacteria, GCCB)的16S rRNA基因克隆文庫(kù),利用Mothur、bioEdit、DNAstar等生物學(xué)軟件,對(duì)豬腸道內(nèi)源GCCB的多樣性進(jìn)行分析,為更好地闡明豬腸道不同腸段的菌群多樣性及其分布特征提供參考。
腸道菌群的分離方法同李慧等[15]。簡(jiǎn)言之,隨機(jī)選擇3頭成年健康商品豬,分3次分別獨(dú)立采樣。按豬腸道的延續(xù)方向,自前向后將十二指腸、空腸、回腸、盲腸、結(jié)腸和直腸依次分成3、5、1、2、3、3個(gè)節(jié)段,無(wú)菌操作,分別從每一節(jié)段中采集腸道內(nèi)容物,利用PCA(plate count agar)、NA(nutrient agar)、TSA(tryptic soy agar)、LB 營(yíng)養(yǎng)瓊脂(Luria-Bertani nutrient agar)和標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ號(hào)瓊脂(standard I nutrient agar,StdI)5種實(shí)驗(yàn)室常用非選擇性培養(yǎng)基(見(jiàn)表1)分別對(duì)每一腸段的腸道菌群進(jìn)行10倍梯度分離培養(yǎng)。根據(jù)不同培養(yǎng)基、不同腸段所分離菌群菌落形態(tài)的不同,選取每一腸段在每種不同培養(yǎng)基中數(shù)量最多、形態(tài)典型的3種不同類(lèi)型菌落(如果菌落形態(tài)單一,選取的菌落數(shù)可小于3)組成該腸段的GCCB??紤]到同一腸段中的同種優(yōu)勢(shì)菌種可能在五種培養(yǎng)基中反復(fù)出現(xiàn),導(dǎo)致GCCB中同種菌種的重復(fù)采集,在目測(cè)菌落形態(tài)相同或相似的情況下,同一腸段不同培養(yǎng)基之間,相同的菌種只選擇其中1株作為GCCB成員。所有納入GCCB的菌株經(jīng)過(guò)進(jìn)一步純化培養(yǎng)后,挑單菌落接種至各自分離平板對(duì)應(yīng)的液體培養(yǎng)基中,過(guò)夜培養(yǎng)后,制備成甘油凍干管,保藏在-40 ℃冰箱中備用。
表1 5種菌群分離用非選擇性培養(yǎng)基的配方
從-40 ℃冰箱中取出事先保存好的腸道核心菌株甘油管,自然解凍。無(wú)菌操作,將其接種至事先滅菌好的空白TSB(或NB)液,蓋緊后置于37 ℃、120 r/min搖床中培養(yǎng)12~24 h,使冷凍菌株復(fù)蘇。取復(fù)蘇菌液劃線接種TSA(或NA)平板,置于37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)18~24 h,用于確認(rèn)菌株的純一性。確認(rèn)純一的菌株則按2%的接種量用空白TSB(或NB)液連續(xù)傳代活化2次,取活化好的過(guò)夜培養(yǎng)液,用于16S rDNA的擴(kuò)增或細(xì)菌全基因組的提取。
取1 mL新鮮活化好的核心菌株培養(yǎng)液,10 000 r/min離心5 min,棄上清后用1 mL雙蒸水洗滌沉淀菌體細(xì)胞1次,同條件再次離心棄上清,沉淀菌體細(xì)胞用1 mL雙蒸水重懸后即作為DNA模板加入25 uL PCR反應(yīng)體系(無(wú)菌ddH2O、2×SanTaq PCR Mix(上海生工:B532061)、上下游引物),利用引物(27F:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′;1492R:5′-ACGGTTACCTTGTTACGACTT-3′)進(jìn)行PCR擴(kuò)增(95 ℃ 5 min;95 ℃ 30 s,56 ℃ 30 s,72 ℃ 90 s,25個(gè)循環(huán);72 ℃ 8 min)。陰性對(duì)照用無(wú)菌ddH2O替代DNA模板進(jìn)行。對(duì)于少量直接用菌體細(xì)胞重懸液作為DNA模板無(wú)法擴(kuò)增出其16S rDNA的菌株,則利用細(xì)菌基因組DNA快速抽提試劑盒(上海生工:B518225)先進(jìn)行基因組的提取(提取方法參照試劑盒操作說(shuō)明書(shū)),然后再用提取后的基因組DNA作為16S rDNA序列擴(kuò)增的模板按上述方法進(jìn)行PCR擴(kuò)增。
所有PCR產(chǎn)物均用1%的瓊脂糖凝膠電泳(200 V,30 min),進(jìn)行純度與濃度的檢測(cè),取條帶單一且清晰、亮度足夠,位于DNA Marker 所示1.5 kb左右的樣品,送往擎科生物(武漢公司)進(jìn)行測(cè)序。
所有樣品均采用一代Sanger法進(jìn)行序列測(cè)定,為了測(cè)出16S rDNA擴(kuò)增產(chǎn)物的全序列,本研究采用雙向測(cè)通方案進(jìn)行測(cè)序。測(cè)序結(jié)束后,由測(cè)序公司負(fù)責(zé)將雙側(cè)序列拼接成一條完整的16S rDNA序列。
將測(cè)序獲得全部菌株的原始16S rDNA序列,根據(jù)數(shù)據(jù)處理的相關(guān)要求,使用Mothur、bioEdit、DNAstar等生物學(xué)軟件,對(duì)原始序列進(jìn)行質(zhì)檢、篩選、校正、對(duì)齊、合并等處理。然后經(jīng)Mothur軟件的summary程序檢測(cè),去除前后引物并校正后的序列平均長(zhǎng)度在1 400 bp左右。針對(duì)16S rDNA全序列測(cè)序結(jié)果,采用去冗余、嵌合體檢測(cè)、多重比對(duì)、過(guò)濾、雙序列距離矩陣比對(duì)等程序處理,然后根據(jù)furthest neighbor算法,選擇Mothur軟件對(duì)遺傳信息距離矩陣進(jìn)行聚類(lèi)。將97%以上相似度的序列歸類(lèi)并作為一個(gè)OTU(operational taxonomic unit)。提取OTU代表性序列文件,使用MEGA 6.0軟件進(jìn)行Clustal W算法比對(duì),然后采用Neighbor-Joining算法構(gòu)建并繪制進(jìn)化樹(shù)。
登錄NCBI BLAST網(wǎng)址(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)進(jìn)行在線分析。在nucleotide數(shù)據(jù)庫(kù)中采用 megablast法對(duì)所有序列進(jìn)行逐一比對(duì)。根據(jù)E值(Expect)、一致性(Indentities)、插入或缺失(Gaps)3個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行結(jié)果分析判別。按照相似性好、匹配度高、Gaps少的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確認(rèn)每條序列最佳匹配物種序列。在門(mén)(phylum)、目(order)、科(family)、屬(genus)4個(gè)分類(lèi)學(xué)水平上分析總結(jié)各腸道、各節(jié)段的菌群組成和分布特征。
基于NCBI BLAST分析各腸道菌群結(jié)構(gòu)的結(jié)果,使用Mothur軟件進(jìn)行α多樣性分析并計(jì)算菌群多樣性指數(shù)。在多樣性方面,Shannon 指數(shù)反映了群落的多樣性,Simpson 指數(shù)反映了群落中優(yōu)勢(shì)物種的集中程度;在豐度方面,Chao1 指數(shù)和ACE指數(shù)對(duì)群落中的稀有菌種具有更好的估計(jì)。Shannon 指數(shù)、Chao1 指數(shù)、ACE指數(shù)越大,Simpson 指數(shù)越小,則樣品中的物種多樣性越高。
綜合NCBI在線BLAST的分析結(jié)果及Mothur的OTU聚類(lèi)分析數(shù)據(jù),對(duì)豬腸道中的可培養(yǎng)核心菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸類(lèi)處理。估計(jì)豬腸道可培養(yǎng)核心菌群在各個(gè)腸段的OTU真實(shí)分布,繪制不同OTU的菌株數(shù)在不同腸段的分布熱圖。根據(jù)全部腸道不同節(jié)段的菌株分布,利用heatmap軟件(“http://www.heatmapper.ca/”,Heml軟件)在種水平上繪制heatmap圖。同時(shí)歸納并描述各腸段分離可培養(yǎng)核心菌群的交叉分布信息,繪制各腸段菌群分布的Venn圖(http://jvenn.toulouse.inra.fr/app/example.html)。
可培養(yǎng)核心菌群的組成以及其多樣性指數(shù)等的統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)處理,使用SPSS 24.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和ANOVA分析,P<0.05表示差異顯著。
本研究共對(duì)分離自健康成年商品豬6個(gè)腸段17個(gè)腸節(jié)段的共355株可培養(yǎng)核心菌株進(jìn)行了16S rDNA全序列的檢測(cè),其中十二指腸83株、空腸84株、回腸30株、盲腸48株、結(jié)腸58株、直腸52株。
在97%的相似水平上對(duì)全部核心菌株的16S rDNA進(jìn)行聚類(lèi)分析,共獲得32個(gè)OTU,物種注釋結(jié)果顯示它們分屬于8個(gè)菌屬,17個(gè)菌種(見(jiàn)表2)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,各腸段分離的核心菌株數(shù)量與OTU的聚類(lèi)個(gè)數(shù)無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05,見(jiàn)圖1)。
圖1 不同腸段GCCB的OTU聚類(lèi)分析結(jié)果
將聚類(lèi)所得32個(gè)OTU用MEGA 6.0軟件進(jìn)一步繪制種屬進(jìn)化樹(shù)(見(jiàn)圖2),將所得進(jìn)化樹(shù)結(jié)合物種注釋結(jié)果(見(jiàn)表2)來(lái)看,同一菌屬下的種、亞種均能較好的聚集到1個(gè)分支上,各分支間的距離也能在一定程度上體現(xiàn)種屬間的差異水平,展示物種之間的親緣關(guān)系。
圖2 核心菌群OTU聚類(lèi)后的種屬進(jìn)化樹(shù)繪制
表2 成年豬腸道GCCB的OTU聚類(lèi)分析結(jié)果
本研究同時(shí)對(duì)所有核心菌株的16S rDNA序列進(jìn)行NCBI在線數(shù)據(jù)庫(kù)的逐一比對(duì)。將比對(duì)結(jié)果按種屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),355株核心菌株分別屬于3個(gè)菌門(mén)、5個(gè)菌目、6個(gè)菌科、13個(gè)菌屬(見(jiàn)表3)、33個(gè)菌種及亞種。核心菌群中以Escherichia、Bacillus、Proteus3個(gè)菌屬豐度最高,分別占據(jù)檢測(cè)樣本的41%、30%和9%。
表3 成年豬腸道GCCB的結(jié)構(gòu)組成
α多樣性的分析結(jié)果(表4)表明,成年商品豬腸道中,可培養(yǎng)核心菌群多樣性最豐富的為結(jié)腸和空腸,其次為直腸和十二指腸,多樣性最簡(jiǎn)單的則為回腸和盲腸。
表4 豬腸道GCCB的α多樣性指數(shù)分析
從本研究的結(jié)果來(lái)看,355株GCCB在門(mén)水平上,除其中1株為Actinobacteria外,其余均為Proteobacteria和Firmicutes。在全部檢出的33個(gè)菌(亞)種中,小腸共檢出27種,大腸共檢出26種,其中大、小腸共有菌種17種。不同腸段間,十二指腸共檢出8個(gè)菌屬,16個(gè)菌種,其中豐度排列前3的菌種依次為Escherichiacoli、Bacillusamyloliquefaciens和Bacillusvelezensis;空腸共檢出9個(gè)菌屬,20個(gè)菌種,其中豐度最高的3種為Escherichiacoli、Bacillusvelezensis和Bacillussubtilis;回腸共檢出6個(gè)菌屬,10個(gè)菌種,豐度排列前3的菌種為Escherichiacoli、Cronobactersakazakii和Proteusmitabilis;盲腸共檢出6個(gè)菌屬,10個(gè)菌種,豐度最高的前3菌種為Escherichiacoli、Bacillusvelezensis和Proteusmitabilis;結(jié)腸共檢出10個(gè)菌屬,20個(gè)菌種,豐度最高的前3菌種為Escherichiacoli、Klebsiellaquasipneumoniae和Bacillusvelezensis;直腸共檢出8個(gè)菌屬,15個(gè)菌種,豐度排列前3的菌種為Escherichiacoli、Cronobactersakazakii、Bacillusvelezensis(見(jiàn)圖3)。
圖3 成年商品豬不同腸段的GCCB組成結(jié)構(gòu)圖
通過(guò)對(duì)不同腸段中檢出菌種的相對(duì)豐度分析(圖4),發(fā)現(xiàn)Escherichiacoli在所有腸段均有檢出,且在各腸段中均是檢出數(shù)量最多的菌種,其中盲腸是檢出概率最高的腸段,占全部檢出菌株的56.25%。Bacillusvelezensis在盲腸、結(jié)腸、直腸,以及十二指腸、空腸均是主要檢出菌種,但在回腸卻沒(méi)有檢出。Bacillusamyloliquefaciens和Proteusmirabilis在各腸段均有分布,其中前者以十二指腸的檢出頻率最高,后者則在回腸中的相對(duì)含量更高。此外,Cronobactersakazakii雖然在十二指腸、盲腸和結(jié)腸都沒(méi)有檢出,但它在回腸中的檢出頻率卻僅次于Escherichiacoli。
圖4 成年商品豬不同腸段GCCB相對(duì)豐度圖
為了進(jìn)一步分析各腸段間共有菌群的分布特性,本研究還對(duì)全部檢出菌種進(jìn)行了分類(lèi)統(tǒng)計(jì),結(jié)果顯示,小腸、大腸各腸段之間的共有菌種均為6種,而在整個(gè)腸道的六個(gè)腸段均有分布的菌種有5種(圖5),分別是Escherichiacoli、Bacillusamyloliquefaciens、Shigella、Bacillus和Proteusmirabilis,占全部檢出菌總數(shù)的60.56%。Proteuspenneri在小腸中廣泛分布而在大腸中僅在結(jié)腸中檢出,同樣,在大腸中普遍存在的Bacillusvelezensis在回腸中也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。
圖5 不同腸段共有核心菌群的分析
同時(shí),本研究還對(duì)同一腸段不同腸節(jié)段之間的可培養(yǎng)核心菌群進(jìn)行了比較分析。從圖6可以看出,Escherichiacoli雖然廣泛分布于整個(gè)腸道,但檢出率最高的腸段還是回腸、盲腸和十二指腸前段。Cronobactersakazakii雖然不是在腸道的每一節(jié)段都有檢出,但其在回腸和直腸前段的檢出率卻很高。Bacillusamyloliquefaciens廣泛分布于十二指腸、回腸和大腸各段,但在空腸各節(jié)段中卻很少檢出。類(lèi)似的還有Bacillusvelezensis,該菌廣泛分布在腸道的大多數(shù)節(jié)段,但回腸和直腸前段卻沒(méi)有檢出。
圖6 豬腸道不同節(jié)段可培養(yǎng)菌群的分布特征
本研究利用5種不同的非選擇性培養(yǎng)基,對(duì)商品豬不同腸段不同節(jié)段的GCCB進(jìn)行了分離培養(yǎng),通過(guò)對(duì)分離菌株16S rDNA全序列的檢測(cè)與分析,發(fā)現(xiàn)成年商品豬腸道內(nèi)的GCCB絕大部分均屬于Proteobacteria和Firmicutes 2門(mén),而且以Escherichia、Bacillus、Proteus3個(gè)屬為主,占樣本檢出量的80%。雖然本研究檢測(cè)的只是腸道中的GCCB,但從檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,腸道菌群的總體構(gòu)成與Kelly等[16]和Zhao等[17]通過(guò)高通量的方法對(duì)不同腸段內(nèi)菌群多樣性的研究結(jié)果相一致,而與Regina等[18]和Kim等[19]利用糞便樣品所測(cè)得的豬腸道菌群主要由Firmicutes和Bacteroidetes構(gòu)成的結(jié)果不完全相同。因此可以推斷,動(dòng)物腸道內(nèi)與動(dòng)物糞便的菌群結(jié)構(gòu)是有差異的,對(duì)動(dòng)物腸道菌群的研究來(lái)說(shuō),僅僅檢測(cè)糞便樣品中的菌群結(jié)構(gòu)是不夠的。
本研究因?yàn)榫悍蛛x時(shí)不同腸段內(nèi)容物的稀釋倍數(shù)不同,因此不同腸段分離所得的菌株在各腸段的實(shí)際數(shù)量也是不同的,但所有分離菌株均為所在腸段含量最多的可培養(yǎng)菌種,因此能很好地反映不同腸段和節(jié)段中的可培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)菌群組合。從不同腸段GCCB的結(jié)構(gòu)來(lái)看,Escherichiacoli、Bacillusamyloliquefaciens、Shigella、Bacillus和Proteusmirabilis5種菌是廣泛分布于所有腸段的共有菌。同時(shí)本研究還發(fā)現(xiàn)盡管空腸的可培養(yǎng)菌含量相對(duì)不高[20],但其種類(lèi)卻比較豐富,而盲腸含菌量相對(duì)豐富,但其菌群的多樣性卻不高。Looft等[21]認(rèn)為,不同腸段中菌群結(jié)構(gòu)的不同是基于不同菌群在腸道中所起的作用不同,小腸菌群多與腸道內(nèi)小分子物質(zhì)的吸收有關(guān),而大腸菌群則與腸道內(nèi)容物中的植物細(xì)胞壁降解有關(guān)。同樣,Kelly等[16]認(rèn)為不同腸段的菌群構(gòu)成還因其腸道粘膜毛細(xì)血管擴(kuò)散出來(lái)的氧分及腸腔內(nèi)容物中的營(yíng)養(yǎng)成分的含量不同而不同,十二指腸和空腸粘膜菌群絕大部分為Proteobacteria,隨著腸道向后延續(xù),在回腸和大腸部分Proteobacteria逐漸減少,而B(niǎo)acteroidetes和Firmicutes依次增多。由于菌群分離過(guò)程的工作量比較大,本試驗(yàn)未同時(shí)對(duì)成年豬腸道中的厭氧可培養(yǎng)菌群進(jìn)行分離篩選,因此,本研究的結(jié)果僅代表普通可培養(yǎng)核心菌群的結(jié)果。
在當(dāng)前動(dòng)物腸道菌群的結(jié)構(gòu)與多樣性研究中,16S rDNA的高通量測(cè)序分析法已成主流,但由于測(cè)序技術(shù)所限,目前大多都是基于16S rDNA的1個(gè)或2個(gè)可變區(qū)進(jìn)行,無(wú)法覆蓋整個(gè)16S rRNA基因,因此必然存在比對(duì)信息不足、比對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確度偏低等問(wèn)題[22-23]。為了避免此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生,本試驗(yàn)采用了16S rDNA的全序列進(jìn)行測(cè)序并比對(duì)。通過(guò)Mothur軟件的OTU聚類(lèi)分析,結(jié)果表明本研究所分離菌株分別屬于8個(gè)屬,17個(gè)種。然而,通過(guò)16S rDNA全序列的NCBI在線比對(duì)結(jié)果卻顯示本研究所分離菌株分為13個(gè)屬,33個(gè)種或亞種。這一結(jié)果表明,OTU的聚類(lèi)分析雖然具有很好的科學(xué)依據(jù),但它作為一種純粹的計(jì)算機(jī)算法,依然存在一定系統(tǒng)缺陷[13],某些預(yù)測(cè)的OTU并不能代表真實(shí)的細(xì)菌種類(lèi),并與傳統(tǒng)的菌群分類(lèi)學(xué)分類(lèi)不符[24]。
成年商品豬腸道中的GCCB主要包括Escherichia、Bacillus、Proteus3個(gè)菌屬中的十幾個(gè)菌種,在這些菌種中,Escherichiacoli、Bacillusamyloliquefaciens、Shigella、Bacillus和Proteusmirabilis5個(gè)菌種分布于成年豬腸道的幾乎所有節(jié)段。在腸道菌群多樣性分析中,計(jì)算機(jī)軟件的OTU聚類(lèi)分析結(jié)果可能與16S rDNA全序列測(cè)定后的比對(duì)結(jié)果存在較大的差異。