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瘤胃细菌之间的通讯机制研究

来源:admin    发布时间:2020-09-02   阅读数:96

瘤胃细菌之间的通讯机制研究

Can rumen bacteria communicate to each other?

作者:Mi-Young Won1, Linda B. Oyama2 , Stephen J. Courtney2 , Christopher J. Creevey2and Sharon A. Huws2*

期刊:Mirobiome

时间:2020.02

IF:10.465

DOI:10.1186/s40168-020-00796-y


一、研究背景

瘤胃是反刍动物的第一胃,瘤胃微生物组是由细菌、真菌、原生动物和病毒组成的高度复杂群落,其主要作用是降解和发酵食物,为生物体提供营养与能量。面对如此复杂的瘤胃微生物群落,组学可以辅助我们对此深入了解,但目前对瘤胃微生物中细菌之间的交流方式认识仍然匮乏。目前研究表示,群体感应(quorum sensing,QS)是公认的细菌交流形式,主要通过化学物质影响细菌的基因表达情况,从而达到群体调节的目的。基于高丝氨酸内酯(AHL)的QS系统AI-1主要存在于革兰氏阴性细菌,有研究表明在瘤胃液中检测到AHL,并且AHL在不同季节的含量会相应变化;基于四羟基呋喃的QS系统AI-2可以同时存在于革兰氏阳性菌和阴性菌,系统的关键蛋白是LuxS蛋白,也有瘤胃宏转录组表明LuxS被检测到。

作者通过收集已发表的瘤胃宏转录组和瘤胃细菌基因组的原始数据,再次对其进行注释分析来研究瘤胃已知QS系统中关键基因的情况,加深对细菌间通讯机制的了解。


二、研究结果

1、瘤胃细菌基因组来源与关键基因查找

本文用于研究的瘤胃细菌基因组来源于Hungate收集和Genebank收录,共汇总了448个瘤胃细菌基因组,包括136个革兰氏阴性菌和311个革兰氏阳性菌,以及1个不定性细菌。作者使用PROKKA(默认参数)对每个基因组进行重新注释,使用关键词从基因组中查找关注的基因,搜索与AHL相关的基因,使用如下关键词:群体感应、AHL、高丝氨酸内酯等;搜索与LuxS相关基因,使用如下关键词:群体感应、LuxS、LuxR等。同时收集20个公开的瘤胃宏转录组数据,重新进行表达量计算后提取通过上述方法搜索得到的关键基因的定量信息。


2、瘤胃细菌基因组与群体感应相关基因

对448个瘤胃细菌基因组进行关键基因搜索,发现超过50%的基因组中不含有AHL或LuxS相关基因。可以调节AI-2系统的LuxS基因和LuxR基因在革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中普遍存在,在本研究中一共鉴定出171种LuxS基因,其中126个革兰氏阳性菌和45个革兰氏阴性菌中均存在LuxS基因,另外还鉴定出21种LuxR基因。相反,仅在一个革兰氏阴性菌(柠檬酸杆菌,NLAE-zl-C269)中鉴定到AHL基因,同时也检测到LuxS基因和LuxR基因,推测此菌同时存在两种QS系统。对基因组进行进一步分析,发现有不少细菌中存在用于切割AHL酶的功能基因,表明瘤胃细菌可能通过降解AHL来降低AI-1系统的能力。

针对发现LuxS基因的瘤胃细菌种属进行分析,发现丁酸弧菌属(Butyrivibrio)中有48种细菌具有LuxS基因,其次是假丁酸弧菌属(Pseudobutyrivibrio)和普雷沃菌属(Prevotella),推测以上菌属在AI-2系统中扮演重要角色(图1)。利用这171种LuxS基因序列,再加上作为标准序列的哈维氏弧菌(Vibrio harveyi)和肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)的LuxS基因序列共同构建进化树(图1)。在进化树中来自同一菌属的LuxS基因序列的批次相似度较高并且明显聚集,但同一菌属中还会出现小分群,如来自丁酸弧菌属(Butyrivibrio)的LuxS基因产生了8个分群。

图1. LuxS基因分布统计与进化树分析
图1. LuxS基因分布统计与进化树分析

3、LuxS基因在瘤胃宏转录组的丰度分析

在本研究中,作者利用数据量为105 G的宏转录组原始数据进行重新分析与定量,共发现了97个LuxS基因表达,其中普雷沃菌属中的LuxS基因表达丰度较高(图2)。宏转录组的数据展示的是在特定情况下基因的转录情况,因此在基因组搜索分析得到的其余74个LuxS基因未必是不表达的,可能需要在其他特定条件中才会高表达。

图2. 宏转录组中LuxS基因表达统计
图2. 宏转录组中LuxS基因表达统计


三、讨论

作者通过大量的数据分析表明,丁酸弧菌属、假丁酸弧菌属和普雷沃菌属是瘤胃中丰度较高的菌属,说明AI-2系统在瘤胃细菌之间中可能起到重要的通讯作用,以上结论需要在不同的反刍动物中进行验证。在瘤胃中除了细菌之外,真菌、古菌、原生动物和病毒可能都对瘤胃QS系统产生影响,可作为后续的研究方向。



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