基于单细胞扩增技术的母婴肠道细菌多样性及功能基因研究

发布时间：2020-03-31 03:44

【摘要】：鉴于肠道细菌多方式长期影响宿主生理与健康,而孕妇与新生儿作为一类特殊群体存在免疫力低下肠道功能不健全等特点。本文采用单细胞扩增技术与宏基因组学相结合策略以期全面了解健康母婴肠道细菌多样性及基因功能信息,为深入理解肠道细菌与宿主健康相关性及其代谢潜能提供理论参考。对来自3对母婴共计48份粪便样本细胞悬液进行细菌群落结构及核心基因功能组成分析,并鉴于短链脂肪酸对孕期能量及免疫调节,人乳低聚糖在初生婴儿能量摄入及健康调节中的关键作用,进一步探讨其生物合成相关功能基因分布及与核心菌群相关性。母婴肠道细菌均涉及701个属和1285个种,检测限为相对丰度10-7,远多于已有大规模宏基因组数据集对健康成人1000至1150个细菌种及个体间160个共享种的菌群组成分类估计,体现本文所用单细胞扩增与宏基因组相结合策略在全面获取肠道细菌多样性信息中的技术优越性。同时,母亲样本除Korarchaeuw、Cenarchaeum外、婴儿样本除Symbiobacterium、Nasuia外均有检出,远高于已有母婴共享菌属为135的分类估计,鉴于肠道细菌分类组成丰富度远高于阴道、口腔、皮肤、环境等其它初生婴儿肠菌可能来源,提示母婴肠道细菌垂直传递在分类水平上的广泛可能。母亲样本相对丰度超1%的核心菌属有16个占样品微生物总量的76.10%,以Blautia、Eubacterium、Anaerostipes、Roseburia等健康肠道常驻菌为主,样品间较好聚类。婴儿胎粪细菌分布呈与分娩方式相关的个体差异,剖宫产儿核心菌属17个合计 81.98%,主要为 Propionibacterium、Delftia、Acinetobacter、Capnocytophaga等皮肤、环境兼性厌氧条件致病菌:而顺产儿核心菌属15个合计65.86%,主要为Roseburia、Eubacterium、Faecalibacterium、Coproccus等肠道厌氧常驻菌,与母亲样本菌群分布更为似性。此外,初生婴儿肠道与母亲样本近乎一致的细菌种类分布表明已有研究远低估了其肠道细菌丰富度及出生短时间内的定植速率。低丰度物种分析发现,母亲样本有440个物种丰度低至10-6;有67个物种丰度低至10-7,该类菌株多未在已有研究报道,却稳定分布于包括初生婴儿在内的所有样本中,提示肠道低丰度物种的广泛分布。它们涉及多种重要代谢途径,其中就包括初次于肠道中温环境发现的结晶纤维素高效降解古菌近源株Cellvibrio gilvus、Cellulomonas fimi、Cellulomonas flavigena,提示肠道环境存在多样化的纤维素分解机制,及丰富的纤维素高效降解菌株、功能基因资源尚待挖掘。功能基因涉及碳、氨基酸、能量、辅酶及维生素、核酸等多种基础代谢步骤,相关性热图显示肠道细菌为难消化多糖转化短链脂肪酸提供完整遗传代谢途径,且Bacteroidaceae与Firmicutes成员分别对多糖降解和短链脂肪酸生成表现出代谢偏好,提示肠道细菌可能存在复杂的菌间互养cross-feeding网络,菌间合作为营养及能量高效摄取、增强孕产期能量储备提供可能。HMOs代谢相关功能基因关联分析呈现了初生婴儿肠道细菌已具备人乳低聚糖完整代谢途径,且多与顺产儿核心菌群正相关、与剖宫产儿核心菌群显著负相关。
【图文】：

技术路线图,肠道细菌,功能基因,多样性

图１技术路线图逡逑Ｆｉｇ．邋１邋Ｔｈｅ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ邋Ｒｏａｄｍａｐ逡逑

分布图,肠道细菌,多样性,分布图

１８逦基于单细胞扩增技术对母婴肠道细菌多样性及功能基因研究逦逡逑图２母婴肠道细菌ａ多样性分布图逡逑Ｆｉｇ．２邋Ｔｈｅ邋ｇｒａｐｈ邋ａｂｏｕｔ邋ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ邋ｉｎｄｅｘ邋ｏｆ邋ｍａｔｅｒｎａｌ邋ａｎｄ邋ｉｎｆａｎｔ邋ｇｕｔ邋ｂａｃｔｅｒｉａ逡逑注：ａ．图ａ：邋Ｏｂｓｅｒｖｅｄ邋ｓｐｅｃｉｅｓ：为己测物种种类数分布图；ｂ．图ｂ：ＣｈａｏＩ邋：据己观测数据外推的可能样品物种种逡逑类数；ｃ．图ｃ：邋Ｓｉｍｐｓｏｎ：物种分布均一性指数即随机取样两个体为不同种的概率，值越大物种不确定性越高、逡逑多样性越高；ｄ．图ｄ：邋Ｓｈａｎｎｏｎ：物种多样性综合指标，由数目和丰度均一性共同决定以描述物种紊乱和不确定逡逑件，，值越大多样性越高。逡逑３．１．３逦（３多样性分析逡逑（３多样性又称生境间多样性用以度量物种组成沿某梯度从一个群落到另一群落逡逑的变化率，强调比较物种组成的环境异质性。主要为Ｕｎｉｆｒａｃ距离、及其与多变量逡逑统计学结合更直观展示样品中物种组成异同的主坐标分析（ＰＣＡ，Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ逡逑Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ邋Ａｎａｌｙｓｉｓ）与主成分分析（ＰＣｏＡ，Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ邋Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ邋Ａｎａｌｙｓｉｓ）。逡逑ＰＣｏＡ邋（Ｕｎｗｅｉｇｈｔｅｄ邋Ｕｎｉｆｒａｃ）逦Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｓ邋ｆａｃｔｏｒ邋ｍａｐ邋－邋ＰＣＡ逡逑￣
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q503;R17

【参考文献】