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乳牛饮食习惯影响其抵抗力

来源:admin    发布时间:2020-08-14   阅读数:120

The fecal resistome of dairy cattle is associated with diet during nursing

乳牛饮食习惯影响其抵抗力

作者:Jinxin Liu , Diana H. Taft, Maria X. Maldonado-Gomez, Daisy Johnson, Michelle L. Treiber , Danielle G. Lemay , Edward J. DePeters & David A. Mills

期刊:Nature Communications

时间:2019.09

影响因子:11.878?

 

一、研究背景

抗生素耐药性是一个全球的公共健康卫生威胁,在临床治疗已经发现致病菌耐药性发生的概率明显增加。与人类相比,抗生素在牲畜饲养中使用得更多,并可能通过食物链或环境水污染等途径将耐药性传播给人类,从而影响治疗人类感染致病菌的效果。已有报道指出,用于食品生产的动物所携带的耐药性基因(ARG)与临床重要的抗生素是相对应的。而常见的食品生产动物奶牛中具有抗药性基因的大肠埃希菌和沙门氏菌的丰度情况与年龄有关,并且在乳牛阶段的丰度维持在高水平,同时也有报道发现乳牛饮食转变会驱动肠道微生物群落的变化,从而可推测饮食驱动肠道微生物群落变化的同时也驱动肠道抗药性基因的变化。

本文针对这些现象设计对应的实验进行研究,在乳牛出生到成长到10周期间进行粪便取样,分析其中微生物群落及抗药性基因的动态变化情况,同时对用于喂养的母乳中的微生物情况进行研究,寻求乳牛出生后肠道微生物和抗药性基因的来源,并且从研究结果中总结出利用饮食减轻牲畜中抗药性基因的有效方法。

 

二、实验设计


图1. 实验设计示意图

1、乳牛出生后12小时内喂养两次母乳,共取44个母乳样本进行16S测序,共取6个母乳样本进行宏基因组测序。

2、乳牛出生后在第2天、第5天、第3周和第7周共取12个粪便样本进行宏基因组测序。

3、乳牛出生后每周取粪便,共484个样本进行16S测序。


三、实验结果

1、乳牛早期肠道微生物群落结构变化

对乳牛的粪便样本进行16S测序与分析发现,在乳牛出生后初期肠道微生物群落迅速出现,并且α多样性随着时间梯度而逐步增加(图2.左)。而堆叠图显示粪便微生物中超过60%的是Ruminococcaceae、Lachnospiraceae和Bacteroidaceaceae,其中在乳牛出生第1周肠杆菌科细菌占比为25%,随着乳牛长大和饮食改变,到第10周时下降至5%(图2.右)。喂给乳牛的初乳,是初次接触的食品同时也是细菌的储存器,可能作为乳牛肠道初期微生物群落的来源,作者通过对母乳进行16S测序和分析发现其中的微生物主要是链球菌科和肠杆菌科细菌,占比达到90%左右,与乳牛肠道微生物群落组成情况相似。为了进一步探究乳牛肠道微生物群落是由母乳中传播而来,作者选择了母乳样本和第2天、第5天、第3周和第7周的粪便样本进行宏基因组测序并且选取肠杆菌科的大肠杆菌作为主要分析目标,发现第2天的粪便样本中的大肠杆菌的序列与母乳的具有高度相似性,而在第5天的粪便样本中大肠杆菌序列与母乳中的相似性降低,在第3周中表现出明确的遗传特征差异,并且在第7周时粪便中的大肠杆菌丰度可能已经低于检出限。总体而言,母乳是特定细菌的传播载体,乳牛吸收母乳的同时也将其中的细菌定殖在肠道中,但随着生长和饮食改变,细菌种类和结构发生了明显变化。


图2. 左:乳牛肠道微生物的α-多样性;右:乳牛肠道微生物组成堆叠图

2、乳牛粪便中耐药性随着时间显著变化

基于乳牛粪便样本的宏基因组数据进行ARG分析,一共找到来自139个ARG分类的329的ARG,涉及39个耐药机制,推测会对17种抗生素产生抗性。在第2天的粪便样本中超过50%的ARG具有多药耐药性,但是这种ARG的比例逐渐下降,相反在第7周中对四环素耐药的ARG比例达到70%以上并保持稳定(图3.左)。在ARG组成结构不断变化的同时ARG的总丰度却随着时间而显著下降,而丰富度在第2-5天中呈现上升趋势,但是随后也不断下降(图3.中)。通过ARG比对宏基因组组装结果可以预测其细菌来源,通过分析发现检测到的ARG来源于75个细菌家族,其中肠杆菌科、肠球菌科和链球菌科占据较高比例,而肠杆菌科中的ARG随着时间的推移逐渐减少(图3.右)。

  

图3. 左:ARG比例热图;中:ARG丰富度箱型图;右:ARG来源细菌比例气泡图

ARG可转移性一直是人类关注的重要问题,为了评估ARG在乳牛中的转移潜能,使用ResFinder对宏基因组组装数据进行注释,结果表示总共检测到67种ARG具有转移潜能,可对10种抗生素产生耐药性。这些ARG在23个细菌家族中广泛分布,其中肠杆菌科、肠球菌科和链球菌科占据较高比例,随着时间的推移,可转移ARG的多样性增加,在第5天达到峰值。

 

3、母乳是乳牛肠道早期的来源?

针对母乳的宏基因组数据分析发现共检测到了105种ARG,其中有73种ARG是同时存在于第2天的粪便样本中(图4.左),可以推测乳牛生命早期肠道粪便中的ARG组成结果与母乳中的高度相似,但母乳中的ARG的丰富度高于粪便样本。不同乳牛的第2天粪便样本与母乳样本进行配对分析,发现两者之间的ARG具有强相关性(图4.右),这些数据都指向母乳是ARG的载体。


图4. 左:第2天粪便样本母乳样本的ARG韦恩图;右:第2天粪便样本母乳样本的相关性分析


4、乳牛饮食改变可影响粪便中的ARG

乳牛在饮食改变后肠道的微生物群落与ARG组成都发生了明显的变化,因此作者尝试探寻其中的关联。由于乳牛在成长过程中饮食从母乳逐步变成以碳水化合物为主,因此针对粪便宏基因组数据着重COG和CAZy分析,发现肠道微生物群落功能在乳牛成长过程中发生显著变化(图5.左上和图5.左下)。在乳牛第一周中,酶家族的数量逐步增加,其中糖苷水解酶在第2天达到峰值,直到第5天多糖裂解酶基因才开始出现。作者利用宏基因组与数据库比对的方式来检索酶基因的的来源,发现大部分酶是由肠杆菌科细菌提供的,这些酶在乳牛早期丰度较高,随后慢慢下降,其中乳糖酶在第2天出现峰值,与当时乳牛以母乳为主要饮食来源有关,随着时间推移乳牛以淀粉类食品为主要饮食来源后,淀粉相关酶的丰度开始上升(图5.右)。酶的丰度变化表明,乳牛成长过程中ARG的减少不仅是由于没有了母乳补给,还受饮食中出现新的碳源驱动了肠道微生物群落结构产生显著变化的影响,说明饮食与年龄有助于改变乳牛肠道的微生物组成并且影响其抵抗力。


 

图5. 左上:CAZy的NMDS分析;左下:基于CAZy的堆叠图;右:细菌家族与相关的CAZy酶的相关性气泡图


四、亮点

1、实验设计严谨,逻辑合理;

2、分析思路与文章思路清晰明确,故事性强;

3、结合已有报道与自身数据分析得出可靠的结论,并且具有实用指导意义;

4、文章图表精美。



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