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瑞士乳杆菌调控小鼠肠道菌群变化规律的研究

浏览: 发布日期:2018-04-25
瑞士乳杆菌调控小鼠肠道菌群变化规律的研究 
 
到目前为止,众多的研究表明肠道菌群的结构和功能与机体的健康状况息息相关,肠道菌群影响宿主的代谢显型、营养物质的产生和吸收以及调整和改善机体的免疫系统。到目前为止,就L. helveticus而言,国内外的研究主要集中在其发酵产生的生物活性物质(比如血管紧张素转化酶抑制肽等)对机体健康的促进作用。有关L. helveticus调控小鼠肠道菌群为主题的国内外文献及研究报道较少。
 
来自天津商业大学生物技术与食品科学学院的臧凯丽、贾彦和河北一然生物科技有限公司的崔文静等人给小鼠灌胃Bifidobacterium bifidum MIMBb75,利用定量聚合酶链式反应(PCR)技术检测小鼠肠道菌群变化的方法,以L. helveticus TS206为研究对象,利用扩增子测序技术对长期L. helveticus TS206干预小鼠的肠道菌群结构进行分析,探究L. helveticus TS206调控小鼠肠道菌群结构变化的规律并鉴定出与其干预显著相关的关键菌属。本研究将丰富L. helveticus TS206的益生功能,为该菌作为功能性食品改善人体健康提供可靠的理论依据,还为以肠道菌群为靶点通过益生菌的摄入来预防各类慢性疾病带来了全新的思路和方法。
 
L. helveticus TS206干预后小鼠肠道微生物整体特征
各样品中序列和OTUs数目概况
全部序列的长度均在80~120 bp的范围内,由于细菌16S rRNA基因的V6区平均长度为100 bp,所以本次实验的测序长度基本能覆盖V6区。根据16S rRNA基因序列相似度与细菌分类地位之间的对应关系,在97%的序列相似性水平上经过Usearch的方法划分OTUs。20 个样本一共获得了1 617 个OTUs。
 L. helveticus TS206干预后小鼠肠道微生物整体结构的改变
L. helveticus TS206灌胃组小鼠肠道拟杆菌门(Bacteroidetes)细菌的相对丰度随着灌胃L. helveticus TS206时间延长有降低的趋势,在灌胃第6周拟杆菌门细菌相对丰度降到最低,由最初的27.5%降到17.8%;对照组小鼠肠道拟杆菌门细菌丰度虽然在第2、3周(B2、B3)有所波动,但实验期间基本维持在同一水平。伴随着拟杆菌门细菌相对丰度的降低,L. helveticus TS206灌胃组小鼠肠道硬壁菌门细菌相对丰度相应升高,由起初的71.4%增加到第6周的80.7%。
在科的水平上丰度占优势地位的主要为S24-7、毛螺菌科、瘤胃球菌科、拟杆菌科和理研菌科的细菌。经过干预后,对瘤胃球菌科细菌作用持续性较好,对动物的生理影响也比较持久。而毛螺菌科细菌在灌胃L. helveticus TS206后相对丰度波动较大,但是总体上都高于对照组。同时,在灌胃L. helveticus TS206后有显著变化的理研菌科从起初的2.9%降低到第7周的0.7%,也显著低于对照组(4.1%);S24-7科细菌从最初的27.5%降低到第6的11.3%,也低于对照组的平均水平(17.4%)。
在整个实验过程中,L. helveticus TS206组小鼠肠道中肠菌科细菌数量具有降低趋势,到灌胃第4周降到最低,相比于对照组,随后一直处于较低水平;而对照组小鼠肠杆菌科细菌则是随着实验时间的延长而增加。虽然在L. helveticus TS206灌胃前两周时,对照组小鼠肠杆菌数量都低于L. helveticus TS206组,差异极显著(P<0.01),但是从第3周开始一直到实验结束,L. helveticus TS206灌胃组小鼠肠道内肠杆菌数量一直显著地低于对照组(P<0.05)。
 
L. helveticus TS206对小鼠肠道微生物α多样性的影响
 
各组样本的OTUs数目随着测序深度的增加基本达到饱和,说明当前测序深度足以发现各样本生境中的大部分物种。而2 组样本的稀释曲线交错,说明2 组小鼠肠道物种多样性并没有大的差异。虽然差异分析箱图显示对照组要略高于L. helveticus TS206组,但差异不显著(P>0.05)。
两组小鼠肠道微生物Shannon指数的差异分析也出现同样结果,在灌胃L. helveticus TS206后α多样性指数与对照组相比较低,但是差异不显著(P>0.05),以上说明L. helveticus TS206对小鼠肠道微生物整体多样性没有显著影响(P>0.05)。
 
与2 组小鼠肠道粪便菌群结构差异显著相关的肠道关键OTUs
 
通过LEfSe分析寻找到53 个OTUs是造成L. helveticusTS206组和对照组小鼠肠道菌群结构差异的关键物种。相对于对照组,27 个OTUs在L. helveticus TS206组中丰度较低,26 个OTUs在L. helveticus TS206组丰度富集。共有3 个OTUs(OTU1 488、OTU1 588、OTU1 598)属于肠杆菌科和1 个属于瘤胃球菌科的OTUs均在对照组中富集;同时,在这53 个差异OTUs中,有15 个OTUs属于梭菌目(Clostridiales),而7 个属于梭菌目的OTUs以及部分属于拟杆菌属的OTUs在L. helveticus TS206组丰度更高。在53 个差异OTUs中一共有10 个OTUs属于毛螺菌科,其中有5 个(OTU1 248、OTU801、OTU771、OTU1 355、OTU1 295)在L. helveticus TS206组富集,另外5 个(OTU468、OTU462、OTU1 238、OTU952、OTU659)在对照组中富集,这些均说明即使属于同一分类水平的物种在肠道中可能会发挥不同的功能。
 
与L. helveticus TS206相关的肠道关键物种对各组样本肠道微生物整体结构差异的影响
 
通过主成分分析可以发现,基于53 个关键OTUs的相对丰度进行降维分析,L. helveticus TS206组所有样本聚为一类,对照组所有样本也聚为一类,并且2 组差异显著(P<0.05),这从另一层面上说明这53 个差异显著OTUs可能是造成L. helveticus TS206组与对照组小鼠肠道菌群结构差异的关键物种。
 
关键OTUs在2 组样本间互作网络的特征
 
在对照组富集的和在L. helveticus TS206组富集的OTUs之间互作关系紧密,并且在2 组富集的OTUs之间均呈负相关关系,这也充分说明这些差异OTUs在两组样本的肠道中可能存在竞争抑制的关系。并且,只在对照组富集的属于肠杆菌科的OTUs与L. helveticus TS206组多个OTUs具有负相关关系,最为明显的是与属于梭菌目的OTU41有负相关关系,这也提示该梭菌目的OTUs可能是L. helveticus TS206组中关键的OTUs,并能抵制肠杆菌科物种的增殖作用。另外,只在对照组中富集的属于瘤胃球菌科的OTUs也与L. helveticus TS206组多个OTUs呈现负相关关系;此外,在L. helveticus TS206组富集的丰度较高的拟杆菌属的OTUs也与对照组多个OTUs呈现负相关关系。
 
结 论
所有测序序列在97%相似水平划分得到1 617 个操作分类单位(OTUs),被划分为8 个门,硬壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)为各组小鼠中的优势菌门,占总序列数的97.49%,且硬壁菌门丰度最高,超过70%;优势菌科主要为S24-7、毛螺菌科(Lachnospiraceae)、瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、理研菌科(Rikenellaceae)和拟杆菌科(Bacteroidaceae),且与对照组相比L. helveticus TS206组肠杆菌科细菌数量较低并呈下降趋势。经LEfSe分析有53 个关键OTUs与2 组小鼠肠道粪便菌群结构显著相关,其中27 个OTUs在对照组中富集,分属于肠杆菌科、瘤胃球菌科、毛螺菌科和梭菌目;26 个OTUs在L. helveticus TS206组中富集,分属于梭菌目、毛螺菌科和拟杆菌属,其中与对照组相比,梭菌目丰度水平高。经主成分分析,两组样品完全分离,菌群的整体结构存在差异,且富集的OTUs之间呈负相关关系。综上所述,在实验阶段,灌胃雄性BALB/c小鼠一定剂量的L. helveticus TS206后,经扩增子测序分析获得的初步结论为L. helveticusTS206能改变肠道菌群整体结构的功效,表现出了抑制肠道有害微生物生长的作用,并通过促进部分有益菌的增殖来维持肠道菌群结构的稳态。
 
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