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微生物群落在城市中构建遗传多样性的确定性过程

来源:admin    发布时间:2020-08-24   阅读数:102

Deterministic processes structure bacterial genetic communities across an urban landscape

微生物群落在城市中构建遗传多样性的确定性过程

作者:J.M. Hassell , M.J. Ward, D. Muloi, J.M. Bettridge, H. Phan, T.P. Robinson

期刊:Nature Communications

影响因子:11.878

时间:2019.06.14


一、研究背景

确定性(即非随机)过程在塑造物种群落与环境互作关系时发挥着核心作用,而禽类栖息地在城市中的特点是极端碎片化,这可能对微生物宿主种群的分布和传染病流行情况产生深远的影响。全基因组测序产生的大量遗传数据可以提供一种最佳方法来识别影响高风险野生动物 - 牲畜 - 人类界面上细菌种群结构的关键驱动因素(如土地利用变化),并协助解决复杂性流行病学过程,无论宿主之间的分类距离如何。作者在肯尼亚内罗毕的99个野生动物-牲畜-人类共存的家庭收集鸟类粪便,使用全基因组测序对其中分离得到的大肠杆菌进行测序与分析来研究其中携带移动遗传元件(MGE),并通过建模计算编码毒力和抗性基因(AMR)的多样性与生态和人类变化的关系。作者研究表明以上禽类所携带的细菌基因受到野生鸟类、牲畜和人类的共同影响,表明构建城市野生鸟类的细菌遗传群落中存在确定性过程,可预测城市土地利用的变化对微生物多样性存在重要影响。


二、实验结果

1、禽类宿主的细菌种群结构

作者从内罗毕的99户家庭中收集了57种禽类的547份粪便样本,而家庭选择的原则是能覆盖城市土地的不同利用、野生动物的不同组合、城市牲畜的不同饲养情况和人口统计学的变化。对样本中培养得到的274份分离物进行全基因组测序,在分析过程中排除可能受到污染的33份数据后得到241份数据继续分析,其中已知的毒力基因(63个)在98%的样本中被检测到而已知AMR(47个)的比例为44%。作者使用多基因座序列分析(MLST)确定128种独特的序列类型(STs),代表了内罗毕禽类样本中大肠杆菌的最高遗传多样性,其中常见的STs与每个分离样本中MGE携带的AMR和毒力基因多样性没有显著相关性。

2、毒力基因多样性与禽类和栖息地的关系

作者发现鸟类中存在的毒力基因多样性随着家庭鸟类粪便中的微生物的α-多样性增加而增加,然而毒力基因多样性只与食肉鸟类呈现显著正相关,而栖息地多样性和牲畜密度与毒力基因多样性呈显著负相关(图1)。为了进一步探索食种子鸟类的微生物的毒力基因多言行的决定因素,作者仅考虑序列的遗传多样性建立了泊松分布模型,发现栖息地多样性与食种子鸟类的毒力基因多样性呈显著负相关。

毒力基因多样性与鸟类物种丰富度图
图1. 毒力基因多样性与鸟类物种丰富度

3、AMR多样性受牲畜和人的共同影响

作者继续用类似的思路研究AMR多样性的决定因素,条件模型证明AMR的α-多样性与人类密度增加显著相关,但仅限于饲养牲畜的家庭,以上结果也得到了zero-inflated模型的支持。同样,为了测试人类密度与牲畜饲养的互作关系是否依赖于某种食性的鸟类,沿用上述相同的模型研究来自于食种子鸟类和食肉鸟类的粪便,发现AMR多样性、牲畜密度和人类密度之间的密切关系只存在于食种子鸟类中(图2),并且检测到AMR的可能性随着牲畜与人类密度的增加而增加。

图2. AMR多样性与人类密度的关系图
图2. AMR多样性与人类密度的关系

4、内罗毕的微生物遗传多样性

作者将模型结果与鸟类多样性、牲畜多样性和人口密度使用PCA进行关联分析,将微生物遗传多样性与家庭层面宿主群落结果结合起来,其中PC1占72.9%,高鸟类多样性的家庭和人口与牲畜高密度性的家庭明显分开(图3.a)。从图中明显看出人畜密度与AMR多样性相关,鸟类多样性与毒力基因多样性相关(图3.b)。

 图3. MGE携带基因多样性与城市中人畜密度关系图
图3. MGE携带基因多样性与城市中人畜密度关系


三、结论与亮点

1、针对人类、牲畜与微生物的关系,作者从疾病传染角度入手,确定以鸟类粪便微生物中的大肠杆菌作为研究对象。

2、通过全基因组测序将研究的对象再次缩小到毒力基因与抗性基因,突出文章重点与亮点。

3、通过多种模型预测分析,推测其中的确定性关系,可作为经典的研究思路应用在其他具体问题研究中。




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