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Science | 大规模宏基因组研究揭示——为什么野生动物不会吃坏肚子?

2021-12-21
中科新生命
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肠道微生物与生理状态息息相关。除了研究人体肠道微生物对健康和疾病的影响以外,针对动物的肠道微生物研究也是另一大热点。例如,干预家禽及家畜的肠道微生物可以获得更好的性状品质及抗病能力;针对珍稀动物(如大熊猫等)的肠道微生物研究可以帮助人们进一步了解它们的生理特性。

野生动物能够以病原体感染和有毒的食物为生,并且对各种疾病表现出免疫力,这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,我们对野生动物微生物多样性和功能还知之甚少。

2021年3月,魏茨曼科学研究学院Eran Segal教授团队在《Science》杂志上发表了题为《Diversity and functional landscapes in the microbiota of animals in the wild》的研究成果,该研究对180多种野生动物肠道微生物群进行了宏基因组研究,发现了大量未知的物种,识别大量的微生物模式与这些动物的特征和分类,并强调其潜力在很大程度上未开发的资源发现新的工业酶和疗法。


主要结果

1. 构建野生动物宏基因组数据库

为了全面研究野生动物的微生物群,作者在全球五个不同的地理区域内收集了 180 多种微生物物种的400多份粪便样本进行宏基因组分析,构建并注释了5000多个基因组的数据库,其中包括1209种细菌。值得注意的是,分析发现,数据库中超过75%的基因组是未知物种。

接下来,作者对1209种细菌构建了最大似然系统进化树,发现其中41种尚未定位到任何已知门上,并发现一些细菌分支与同一门中的其他细菌相比具有独特的功能特性。该结果极大丰富了现在细菌物种分类和功能的多样性。


2. 微生物群组成与宿主类别和性状相关

为了能够系统地研究微生物群组成和宿主表型之间的关系,研究人员分析了哺乳类、鸟类、鱼类以及爬行类野生动物,包括了不同的动物类别、饮食模式、活动时间、社会结构、寿命和体重,结果发现微生物的组成,多样性和功能基因含量与宿主分类或者性状显著相关——其中一部分微生物群落丰度仅与宿主所处的环境有关,说明它们在适应环境方面具有特定作用;另一方面,某些微生物菌落仅与宿主的分类有关,说明它们可能具有与宿主协同进化的作用,而与生活方式无关。


3. 功能基因的丰度与宿主表型相关

肠道微生物物种组成与宿主的分类与表型密切相关,而当研究人员进一步在功能基因层面进行分析时,发现菌群功能基因的丰度与宿主的进化和分类就没有什么紧密的联系了。PCoA和Mantel 检验表明,动物微生物组的功能景观与生理特征和生活方式特征密切相关,与系统发育无关。


4. 腐肉捕食者微生物群中发现未知毒素代谢基因

野生动物能够靠病原体感染和有毒的食物生存,并对各种疾病表现出免疫力,这些特征可能在很大程度上是由动物的微生物群造成的。为了揭示这种遗传物质所代表的一些潜在功能,研究人员在腐肉捕食者的微生物群中搜索到了可代谢细菌毒素的基因,并通过实验验证了它们裂解细菌毒素的能力,解释了这些适应性是由生活在动物体内的微生物赋予的,也为开发应对人类食物中毒的具有抗菌活性的蛋白药物开发提供了信息。


结论

1. 本研究基于宏基因组组装,构建并注释了来自1209种细菌的5080条基因组,其中75%的细菌是未知物种,极大丰富了微生物群落数据库。

2. 野生动物肠道微生物群的组成和动物类别、饮食模式、活动时间、社会结构、寿命和体重相关,并且与某些类型细菌有共生关系,这些信息不仅提供了野生动物-微生物互作的大量基础信息,也为新的药物及酶制剂的开发提供了潜在的信息。

3. 腐肉捕食者野生动物的肠道菌群中存在能够代谢细菌毒素的基因——解释了为什么它们不会吃坏肚子,同时也为抗食物中毒药物开发提供了可能。