殷文健 何 俊 李佳佳 陳煥根 張憲中*
(1.無錫市水產(chǎn)畜牧技術(shù)推廣中心,江蘇 無錫 214125;2.江蘇省淡水水產(chǎn)研究所,江蘇 南京 210017;3.江蘇省漁業(yè)技術(shù)推廣中心,江蘇 南京 210036)
腸道微生物是機(jī)體中復(fù)雜且多樣的生物系統(tǒng),在宿主與腸道微生物長(zhǎng)期共同進(jìn)化的過程中,兩者形成了相互協(xié)作、互利共生的關(guān)系[1]。正常生理狀況下,腸道微生物處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),且這種平衡與宿主的吸收代謝和免疫調(diào)節(jié)密切相關(guān)[2-3]。腸道微生物失衡會(huì)引起腸道疾病,危害宿主健康,影響?zhàn)B殖的經(jīng)濟(jì)效益。水產(chǎn)動(dòng)物的腸道微生態(tài)系統(tǒng)極易受養(yǎng)殖環(huán)境的影響。研究表明,水溫會(huì)影響水產(chǎn)動(dòng)物腸道微生物的組成[4],水體溫度為18 ℃時(shí),羅非魚腸道微生物數(shù)量顯著高于26 ℃[5-6]。Yang 等[7]報(bào)道,在稻田養(yǎng)殖模式中,泥鰍腸道菌群的多樣性秋季比夏季高,并且鄰單胞菌屬只出現(xiàn)在夏季。夏季稻田養(yǎng)殖模式下的泥鰍腸道菌群中的厚壁細(xì)菌、乳酸菌屬和鏈球菌屬明顯高于池塘養(yǎng)殖模式[7],表明養(yǎng)殖環(huán)境直接影響水產(chǎn)動(dòng)物的腸道微生物組成。
池塘和稻田養(yǎng)殖是目前克氏原螯蝦主要的養(yǎng)殖模式,兩種養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦的腸道優(yōu)勢(shì)菌群相同,但是占比存在較大差異[8]。環(huán)境微生物會(huì)影響水產(chǎn)動(dòng)物的腸道微生物的組成與微生態(tài)建立,養(yǎng)殖水體和底泥是水產(chǎn)動(dòng)物養(yǎng)殖環(huán)境中重要部分。目前,不同養(yǎng)殖模式下動(dòng)物腸道菌群的差異是否與養(yǎng)殖環(huán)境中微生物組成具有相關(guān)性仍需要進(jìn)一步研究。因此,本研究在比較池塘和稻田養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道菌群組成差異的基礎(chǔ)上,深入研究養(yǎng)殖環(huán)境(水體和底泥)微生物菌群對(duì)克氏原螯蝦腸道菌群的影響,為池塘與稻田養(yǎng)殖模式下小龍蝦的養(yǎng)殖管理和調(diào)控提供參考。
在江蘇省無錫市選擇3 口(1~2 hm2/口,水深1~1.5 m)克氏原螯蝦養(yǎng)殖池塘,3塊(4~6 hm2/塊,水深1~1.5 m)水稻-克氏原螯蝦綜合種養(yǎng)田塊。2021 年3 月25 日至4 月10 日,在池塘和稻田中陸續(xù)放養(yǎng)4~5 g/只克氏原螯蝦(250~300 kg/hm2),于2021 年7 月8 日采集池塘和稻田內(nèi)克氏原螯蝦(25~32 g/只)、表層底泥和底層水樣品,用于微生物菌群組成分析。養(yǎng)殖所用飼料為小龍蝦配合顆粒餌料(蘇州海大飼料有限公司),主要原料為魚粉、豆粕、菜粕、蝦殼粉、面粉、肉粉、磷酸二氫鈣、氯化鈉、復(fù)合維生素、微量元素等,營(yíng)養(yǎng)水平為粗蛋白37%、粗纖維8%、粗灰分9%、水分10%、鈣2%。
試驗(yàn)期間每天早晚投喂2 次餌料,保證3 h 內(nèi)吃完。養(yǎng)殖期間,保證水源充足,根據(jù)水質(zhì)和天氣變化加注新水。試驗(yàn)期 90 d。
1.2.1 樣品采集
使用地籠從每個(gè)池塘和稻田中各捕撈克氏原螯蝦30 只,去除附肢,使用75%酒精浸泡15 min,無菌水漂洗4次(每次5 min),使用滅菌的濕棉球?qū)⑽r尾部擦拭干凈,拽拉尾部末端扯出整個(gè)腸道,使用鑷子將腸道內(nèi)容物擠至滅菌的5 mL離心管中,每個(gè)池塘和稻田中所有克氏原螯蝦腸道內(nèi)容物混合,于-80 °C 凍存[9]。利用采泥器采集池塘和稻田表層(15 cm)底泥樣品,每個(gè)池塘和稻田采集中間和4個(gè)角落共5個(gè)點(diǎn),混合,放入滅菌離心管中,于-80 °C 凍存。利用無菌玻璃瓶采集池塘和稻田的水體樣品,每個(gè)池塘和稻田采集5 個(gè)點(diǎn)(100 mL/點(diǎn)),混合后低溫高速離心,收集沉淀,于-80 °C凍存。
1.2.2 生長(zhǎng)性能
試驗(yàn)開始和結(jié)束統(tǒng)計(jì)克氏原螯蝦初始體重和終末體重,計(jì)算增重率和餌料系數(shù)。
1.2.3 DNA提取與高通量測(cè)序
參照Z(yǔ)oetendal等[10]的方法提取樣品總DNA。樣品經(jīng)過渦旋處理后在低溫條件下10 000 g離心15 min,將獲得的沉淀轉(zhuǎn)移至鋯珠管中,加入十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)緩沖溶液對(duì)樣品進(jìn)行研磨處理,利用DNA提取液(北京索萊寶科技有限公司)對(duì)總基因組DNA進(jìn)行抽提。樣品經(jīng)過經(jīng)1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后,以NanoDrop 2000(Thermo Fisher Scientific)測(cè)定DNA 純度和含量。利用細(xì)菌16S rRNA 基因V4 區(qū)通用引物(515F:GTGCCAGCMGCCGCGGTAA;806R:GGACT ACHVGGGTWTCTAAT)[11]進(jìn)行PCR 擴(kuò)增、產(chǎn)物純化、建庫(kù)。利用Illumina HiSeq 2500 平臺(tái)(Illumina)對(duì)檢測(cè)合格的文庫(kù)進(jìn)行300×2 bp 測(cè)序。本研究中PCR 產(chǎn)物純化、建庫(kù)和測(cè)序在華大基因(BGI)完成,測(cè)序原始數(shù)據(jù)上傳至NCBI(PRJNA757836)。
1.2.4 高通量測(cè)序結(jié)果分析
利用軟件Cutadapt(3.4)[12]截掉測(cè)序數(shù)據(jù)的引物和接頭,去除窗口平均質(zhì)量低于20的末端堿基、含N的序列、片段長(zhǎng)度小于225 bp的序列以及低復(fù)雜度的序列[13]。上述質(zhì)量過濾后的序列導(dǎo)入Qiime2(2020.11)[14]進(jìn)行嵌合體去除與雙端拼接,所用軟件為Dada2(1.20.0)[15],前端序列保留長(zhǎng)度230 bp,后端序列保留長(zhǎng)度200 bp,其余參數(shù)為軟件默認(rèn)值。使用Vsearch(2.16.0)[16]對(duì)上述序列進(jìn)行97%聚類,聚類方法為Open-reference,以Silva(123)數(shù)據(jù)庫(kù)作為參考序列,其余參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。使用Mafft(7.4)[17]對(duì)代表性序列進(jìn)行系統(tǒng)進(jìn)化分析,并通過Qiime2 進(jìn)行微生物菌群結(jié)構(gòu)的Alpha 和Beta多樣性分析和微生物物種注釋(Silva 123)。
數(shù)據(jù)采用Excel 2020 進(jìn)行初步整理,SPSS 20.0 進(jìn)行相關(guān)性分析,利用非參數(shù)Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)比較差異,使用R 軟件包進(jìn)行微生物Spearman 相關(guān)性分析,使用GraphPad Prism 處理分析過的數(shù)據(jù)并作圖。置信區(qū)間為95%,結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示,P<0.05 表示差異顯著。
表1 不同養(yǎng)殖模式對(duì)克氏原螯蝦生長(zhǎng)性能的影響
由表1可知,不同養(yǎng)殖環(huán)境對(duì)克氏原螯蝦的初均重、末均重、增重率和餌料系數(shù)影響不顯著(P>0.05)。
池塘和稻田養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道、水和底泥微生物菌群Observed_features 稀釋曲線見圖1??耸显r腸道、水體和底泥樣品的高通量測(cè)序數(shù)據(jù)經(jīng)過濾后,分別有62 197、56 902、57 657 條/樣序列用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。
圖1 池塘和稻田養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道、水和底泥微生物菌群Observed_features稀釋曲線
由圖1 可知,蝦腸道、水和底泥微生物高通量測(cè)序深度足夠,研究數(shù)據(jù)具有代表性。
不同養(yǎng)殖模式對(duì)腸道、水和底泥微生物Alpha多樣性指數(shù)的影響見表2。由表2可知,與池塘養(yǎng)殖相比,稻田養(yǎng)殖蝦腸道菌群Faith_pd 和Oberserved_features 指數(shù)具有下降趨勢(shì),水體微生物Pielou_evenness 和Shannon_entropy 指數(shù)均顯著降低(P<0.05),F(xiàn)aith_pd 指數(shù)具有下降趨勢(shì);底泥多樣性指數(shù)無顯著變化(P>0.05)。
表2 不同養(yǎng)殖模式對(duì)腸道、水和底泥微生物Alpha多樣性指數(shù)的影響
不同養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道、水和底泥微生物Beta多樣性分析見圖2。由圖2可知,養(yǎng)殖模式能夠明顯影響蝦腸道與水體微生物菌群結(jié)構(gòu),而對(duì)底泥微生物影響較小。
圖2 不同養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道、水和底泥微生物Beta多樣性分析
圖3 不同養(yǎng)殖模式對(duì)克氏原螯蝦腸道菌群組成的影響
由圖3 可知,克氏原螯蝦腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌門(相對(duì)豐度>1%)有Proteobacteria、Firmicutes、Verrucomicrobia、Actinobacteria 等13 種;池塘蝦腸道內(nèi)相對(duì)豐度最高的菌門為Proteobacteria(19.98%),稻田蝦腸道內(nèi)相對(duì)豐度最高的菌門為Firmicutes(16.10%)。蝦腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌屬(相對(duì)豐度>0.5%) 有Candidatus Bacilloplasma、UnculturedChthoniobacterales、UnculturedRsaHF231等41 個(gè);池塘蝦腸道內(nèi)相對(duì)豐度最高的屬為UnculturedChthoniobacterales(9.45%),稻田蝦腸道內(nèi)相對(duì)豐度最高的屬為Candidatus Bacilloplasma(9.44%)。
不同養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道菌群差異分析見表3。由表3可知,與池塘養(yǎng)殖相比,門水平上,稻田蝦腸道內(nèi)Fusobacteria 的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05),Actinobacteria和Cyanobacteria的相對(duì)豐度有增加的趨勢(shì),Verrucomicrobia 的相對(duì)豐度顯著降低(P<0.05)。Acidobacteria 和Proteobacteria 的相對(duì)豐度有降低的趨勢(shì)。與池塘養(yǎng)殖相比,在屬水平上,稻田蝦腸道內(nèi)Planktothrix、UnculturedActinobacteria、Methylocaldum、Luteolibacter、 Mycobacterium、UnculturedRhizobiales、Desulfocapsa、Synechococcus、Uncultured PeM15 的相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05);UnculturedChthoniobacterales、UnculturedChthoniobacterales、UnculturedAnaerolineaceae、UnculturedMycoplasmataceae的相對(duì)豐度顯著降低(P<0.05)。
表3 不同養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道菌群差異分析
圖4 池塘與稻田水體微生物組成
表4 池塘與稻田水體微生物差異分析
由圖4 可知,水體微生物優(yōu)勢(shì)菌門(相對(duì)豐度>1%)有Proteobacteria、Cyanobacteria、Actinobacteria 等10 種,其中池塘水體Proteobacteria豐度最高(34.17%),而稻田水體中豐度最高的菌門為Cyanobacteria(41.69%)。水體微生物優(yōu)勢(shì)菌屬(相對(duì)豐度>0.5%) 有UnculturedCyanobacteria、 UnculturedSporichthyaceae、 UnculturedComamonadaceae等38 個(gè),其中池塘水體UnculturedSporichthyaceae豐度最高(12.01%),而稻田水體中豐度最高的菌屬為UnculturedCyanobacteria(21.34%)。
由表4 可知,在門水平上,與池塘相比,稻田水體Fusobacteria 門相對(duì)豐度顯著增加 (P<0.05),Verrucomicrobia 相對(duì)豐度顯著降低 (P<0.05),Actinobacteria 和Cyanobacteria 相對(duì)豐度有增加的趨勢(shì),Acidobacteria、Proteobacteria相對(duì)豐度有降低的趨勢(shì)。在屬水平上, 與池塘相比, 稻田水體UnculturedCyanobacteria等13 個(gè)屬相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05),UnculturedSporichthyaceae等18 個(gè)屬相對(duì)豐度顯著降低(P<0.05),UnculturedComamonadaceae屬相對(duì)豐度有降低的趨勢(shì)。
圖5 池塘與稻田底泥微生物組成
表5 池塘與稻田底泥微生物差異分析
由圖5 可知,底泥優(yōu)勢(shì)(相對(duì)豐度>1%)菌門有Proteobacteria、Chloroflexi、Acidobacteria 等11 種;相對(duì)豐度最高的門均為Proteobacteria(36.79%、31.23%)。底泥優(yōu)勢(shì) ( 相對(duì)豐度>0.5%) 菌屬有UnculturedAnaerolineaceae、 UnculturedAcidobacteria、 UnculturedXanthomonadales等38 個(gè);相對(duì)豐度最高的屬均為UnculturedAnaerolineaceae(9.41%、10.00%)。
由表5 可知,與池塘相比,稻田底泥Firmicutes 門和Marmoricola屬相對(duì)豐度顯著增加(P<0.05),UnculturedNitrospinaceae和UnculturedDesulfobacteraceae屬相對(duì)豐度顯著降低(P<0.05),Actinobacteria 相對(duì)豐度有增加的趨勢(shì),Defluviicoccus屬相對(duì)豐度具有降低的趨勢(shì)。
圖6 池塘與稻田養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道、水及底泥微生物相關(guān)性分析
表6 克氏原螯蝦腸道優(yōu)勢(shì)菌屬與底泥和水體微生物相關(guān)性分析
由圖6 可知,蝦腸道微生物菌群與底泥和水體微生物菌群均存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),且蝦腸道微生物與底泥微生物的相關(guān)性更高。
由表6 可知,蝦腸道、水體和底泥優(yōu)勢(shì)菌屬間的相關(guān)性分析(P<0.05 且相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值>0.8)顯示,共有29 個(gè)腸道優(yōu)勢(shì)菌屬與底泥和水體微生物顯著相關(guān),其中23 個(gè)與底泥微生物顯著相關(guān),22 個(gè)與水體微生物顯著相關(guān),16 個(gè)與底泥和水體微生物均顯著相關(guān)。Verrucomicrobiaceae兩個(gè)未知屬、Cyanobacteria未知屬及Luteolibacter主要受底泥微生物影響, 而Chthoniobacterales未知屬及Planktothrix主要受水體微生物影響。
克氏原螯蝦的生長(zhǎng)受到諸多因素的影響。本試驗(yàn)中,克氏原螯蝦的體生長(zhǎng)性能在不同的養(yǎng)殖模式下無顯著差異??赡苁且?yàn)楸狙芯恐锌耸显r的放養(yǎng)密度和水草覆蓋度適中。
腸道微生物可以調(diào)節(jié)腸道環(huán)境,促進(jìn)腸道菌群平衡,維護(hù)宿主健康[18]。在宿主與腸道菌群長(zhǎng)期共同進(jìn)化的過程中,某種或某些特殊的微生物會(huì)定植在腸道中,形成該宿主腸道內(nèi)的核心菌群[19]。核心菌群很少受到宿主馴養(yǎng)狀態(tài)和飼養(yǎng)環(huán)境的影響。Tzeng等[20]發(fā)現(xiàn),不同棲息環(huán)境中日本沼蝦的腸道核心菌群主要為變形菌門,其次為厚壁菌門和放線菌門。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),兩種飼養(yǎng)模式下小龍蝦的核心菌群主要為變形菌門,其次是厚壁菌門和疣微菌門,與上述研究結(jié)果相類似。有研究表明,水生動(dòng)物腸道菌群的結(jié)構(gòu)組成受遺傳、飼養(yǎng)環(huán)境和飼料組成等因素影響[21]。嚴(yán)雪瑜等[22]報(bào)道,稻田養(yǎng)殖模式下的鯉魚腸道菌群多樣性高于池塘養(yǎng)殖模式。在本試驗(yàn)中,稻田養(yǎng)殖模式下蝦腸道菌群多樣性低于池塘養(yǎng)殖模式,這可能是稻田水體環(huán)境中微生物多樣性偏低導(dǎo)致。本研究后續(xù)比較池塘和稻田水體微生物多樣性發(fā)現(xiàn),稻田水體中微生物多樣性顯著低于池塘。從門的分類水平上可見,在稻田養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道放線菌門的相對(duì)豐度顯著增加。放線菌是腸道的優(yōu)勢(shì)菌群,具有產(chǎn)生短鏈脂肪酸的能力,并且其代謝產(chǎn)物具有抑菌活性[23]。本研究發(fā)現(xiàn),在屬水平上,稻田養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道囊裸藻屬(Trachelomonas)相對(duì)豐度降低,而浮絲藻屬 (Planktothrix) 相對(duì)豐度增加。 囊裸藻屬(Trachelomonas)分布較廣,為湖泊、沼澤等靜水水體中常見的浮游微生物,其大量繁殖時(shí)使水呈棕褐色。稻田養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道放線菌和囊裸藻屬(Trachelomonas)相對(duì)豐度改變的原因可能與稻田水質(zhì)的改善有著緊密聯(lián)系。根據(jù)上述結(jié)果可以推測(cè),稻田養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道微生物結(jié)構(gòu)可能更健康。
水生動(dòng)物的消化道短,腸道微生物極易受水環(huán)境的影響[24]。研究表明,微生物可以通過水環(huán)境引起水生動(dòng)物腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[25]。本研究中,水體微生物的主要菌門為變形菌門、藍(lán)藻門、放線菌門和疣微菌門,這與克氏原螯蝦腸道的優(yōu)勢(shì)菌群基本一致。稻田水體微生物多樣性顯著低于池塘水體,造成這一結(jié)果的原因可能是水稻大量吸收水體中的營(yíng)養(yǎng)素,水體清瘦,導(dǎo)致微生物數(shù)量較少[26]。本試驗(yàn)中,在門水平,稻田水體微生物的變形菌門,放線菌門和疣微菌門相對(duì)豐度顯著低于池塘水體,而藍(lán)藻門相對(duì)豐度顯著高于池塘水體。所有的變形菌門細(xì)菌為革蘭氏陰性菌,其外膜主要由脂多糖組成,因此該門包括很多致病菌[27];放線菌門會(huì)促使土壤中的動(dòng)物和植物腐爛,同時(shí)放線菌具有一種土霉味。因此,推測(cè)稻田水體中變形菌門和放線菌門相對(duì)豐度較低表明稻田中水質(zhì)更好。本試驗(yàn)中,在屬水平,稻田水體微生物魚孢菌科(Uncultured Sporichthyaceae)、藍(lán)藻細(xì)菌(Cyanobacteria)和聚球藻屬(Synechococcus)相對(duì)豐度顯著高于池塘水體。這可能是由于稻田充足的陽(yáng)光照射刺激了藍(lán)藻菌屬生長(zhǎng),也可能是因?yàn)榈咎锼|(zhì)較好菌群多樣性低,藍(lán)藻菌屬對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)壓力減小[28]。
池塘和稻田底泥中主要的微生物菌門為變形菌門、綠彎菌門、酸桿菌門、放線菌門等[29]。本研究結(jié)果顯示,池塘與稻田底泥微生物多樣性沒有顯著差異,在門和屬水平上,微生物菌群結(jié)構(gòu)的差異也不大。研究表明,植物種植可以引起土壤中微生物群落組成和豐度的變化,植物能夠通過對(duì)土壤養(yǎng)分和水分的吸收以及根系分泌物的釋放來調(diào)控周圍的土壤,從而對(duì)微生物施加選擇性壓力[30-31]。本研究發(fā)現(xiàn),池塘和稻田底泥微生物菌群結(jié)構(gòu)差異不大,可能是養(yǎng)殖克氏原螯蝦池塘內(nèi)種植的水草也具有相似的土壤調(diào)控作用。
本研究中的相關(guān)性分析結(jié)果表明,克氏原螯蝦腸道菌群結(jié)構(gòu)與底泥和水體微生物均具有顯著正相關(guān)關(guān)系,表明蝦腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)受底泥和水體微生物的正向調(diào)控。而蝦腸道微生物菌群與底泥微生物相關(guān)性更強(qiáng),表明底泥微生物菌群對(duì)蝦腸道微生物的影響更大,與在南美對(duì)蝦和小龍蝦上的研究結(jié)果相一致[32-33]。因此,可推測(cè)這一結(jié)果可能與克氏原螯蝦的生活習(xí)性密切相關(guān),小龍蝦具有穴居性,洞穴深度一般在30 cm左右,此外小龍蝦會(huì)采食底泥中的腐殖質(zhì)有機(jī)碎屑[34]。
池塘和稻田兩種養(yǎng)殖模式下克氏原螯蝦腸道菌群結(jié)構(gòu)差異顯著,受養(yǎng)殖環(huán)境水和底泥的正向調(diào)控,其中受底泥微生物的影響更大。