不同年齡成年伊犁馬糞便真菌群落結(jié)構(gòu)的分析

陳雪靜,吾爾恩·阿合別爾迪,木古麗·木哈西,瑪依拉·吐?tīng)柕貏e克

(伊犁師范大學(xué) 生物與地理科學(xué)學(xué)院,新疆 伊寧 835000)

新疆維吾爾自治區(qū)是我國(guó)馬品種數(shù)量最多的省份。馬產(chǎn)業(yè)是新疆地方特色且重要的現(xiàn)代畜牧業(yè)，它對(duì)改善新疆農(nóng)村經(jīng)濟(jì)狀況、增加牧民收入、促進(jìn)社會(huì)和諧具有極為重要的意義。新疆的馬肉產(chǎn)量對(duì)我國(guó)乃至世界馬肉產(chǎn)量均具有重大貢獻(xiàn)。截止到2017年末我國(guó)馬匹存欄為343.7萬(wàn)只，其中新疆占比為20.0%，全國(guó)排名第二，僅次于四川省，是我國(guó)主要馬匹養(yǎng)殖區(qū)之一。伊犁州直屬縣(市)、阿勒泰和塔城地區(qū)擁有全疆大部分馬產(chǎn)業(yè)，馬匹存欄量分別占全疆總量的45.1%、14.8%和12.1%，馬肉產(chǎn)量分別達(dá)到33 811 t、4 520 t和10 242 t，占全疆馬肉總產(chǎn)量的73%。這三個(gè)地區(qū)主要品種為伊犁馬和哈薩克馬。

近年來(lái)腸道菌群成為學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。人體是由數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的細(xì)胞組成，而胃腸道中聚集的微生物的數(shù)量也達(dá)到了同樣的數(shù)量級(jí)，在其他動(dòng)物腸道內(nèi)微生物數(shù)量和種類(lèi)也非常豐富，因此腸道菌群的微生態(tài)平衡就像一種器官，對(duì)機(jī)體各種生理功能具有非常重要的作用。動(dòng)物胃腸道菌群可以直接影響機(jī)體的能量代謝、消化功能、黏膜免疫系統(tǒng)的發(fā)育、疾病的發(fā)生和發(fā)展，對(duì)于馬等草食動(dòng)物而言更是如此，其生活主要依賴(lài)于胃腸道內(nèi)的微生物對(duì)纖維素等結(jié)構(gòu)性碳水化合物的發(fā)酵作用。

國(guó)內(nèi)外對(duì)馬腸道微生物，尤其對(duì)腸道真菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的研究較罕見(jiàn)。邢振存采用PCR-DGGE技術(shù)從蒙古馬和純種馬糞便分別檢測(cè)到31個(gè)真菌，分別屬子囊菌門(mén)、擔(dān)子菌門(mén)和新麗鞭毛菌門(mén)，子囊菌門(mén)含量最多。楊頊等構(gòu)建我國(guó)西藏自治區(qū)天然放牧馬糞樣的ITS克隆文庫(kù)，檢測(cè)到子囊菌門(mén)的Pezizales、Thelebolales、Pleosporales三個(gè)目，以及另一個(gè)盤(pán)菌綱內(nèi)未確定目(Uncultured in Pezizomycetes)。Mura等通過(guò)ITS克隆文庫(kù)的構(gòu)建，從盎格魯-阿拉伯馬腸道樣品中共檢測(cè)到厭氧真菌的3個(gè)屬，即、、，均隸屬于Neocallimastigaceae(新美鞭菌科)，具有完整、有效的纖維素降解酶系。然而，以上DGGE、克隆文庫(kù)等傳統(tǒng)分子生物學(xué)技術(shù)具有不能完整地反映整個(gè)群落的結(jié)構(gòu)信息等局限性。與之相比，高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)微生物群落信息的采集與分析更準(zhǔn)確、詳細(xì)。

昭蘇馬場(chǎng)位于素有“天馬故鄉(xiāng)”美稱(chēng)的伊犁州昭蘇縣境內(nèi)，是我國(guó)重要馬產(chǎn)業(yè)基地，主要承擔(dān)伊犁馬選育的核心任務(wù)。新疆一些少數(shù)民族自古便有食用馬肉的生活習(xí)慣，通常選擇4～12歲伊犁馬進(jìn)行屠宰，然而從營(yíng)養(yǎng)成分和人體攝入能量的角度，以及屠宰性狀指標(biāo)和器官重量等肉用性能的角度考慮，加之飼養(yǎng)管理成本的因素，5～6歲為適宜屠宰年齡階段。另外，5～8歲年齡階段的伊犁馬競(jìng)賽技能最好。

本研究采用高通量測(cè)序技術(shù)研究以上4個(gè)年齡階段伊犁馬糞便真菌群落的組成，探討伴隨年齡增長(zhǎng)伊犁馬腸道菌群的動(dòng)態(tài)變化情況，糞便是了解腸道微生物群落的重要樣品，微生物占糞便的30%以上，并且新鮮糞便中絕大多數(shù)微生物是活菌，對(duì)揭示伊犁馬腸道微生物的生物多樣性和馬腸道疾病的診斷具有重要的理論指導(dǎo)作用，對(duì)飼用益生菌或生物性添加劑的開(kāi)發(fā)提供理論數(shù)據(jù)，對(duì)我區(qū)馬產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

試驗(yàn)動(dòng)物為新疆伊犁昭蘇馬場(chǎng) (80°51′～81°03′E，42°25′～43°15′N(xiāo)) 自由放牧的4歲、6歲、8歲和12歲四個(gè)不同年齡分組的雄性伊犁馬匹，每組3匹，共12匹。馬腸道樣品為7月份采集的新鮮糞便，分別標(biāo)記為ZS.4、ZS.6、ZS.8和ZS.12。

1.2 腸道微生物基因組DNA的提取

采用美國(guó)強(qiáng)力土壤DNA提取試劑盒(MOBIO Power Soil DNA Isolation Kit)分離糞便樣本全基因組，按照說(shuō)明書(shū)上步驟進(jìn)行。將提取得到的糞便基因組加入100μL去離子水溶解，取5μL用1.0%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)(0.5×TAE緩沖液)，檢測(cè)DNA的相對(duì)濃度和質(zhì)量，使用無(wú)菌水稀釋DNA樣本至1 ng/μL。

1.3 ITS序列的PCR擴(kuò)增與測(cè)序

以稀釋后的基因組DNA為模板，以ITS5-1737F和ITS2-2043R作ITS1可變區(qū)特異引物，通過(guò)高效、高保真酶進(jìn)行PCR擴(kuò)增。反應(yīng)體系參照說(shuō)明書(shū)，反應(yīng)條件：98 ℃ 2 min；98 ℃ 10 s，50 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，30 個(gè)循環(huán)；72 ℃ 10 min。所得到的擴(kuò)增PCR產(chǎn)物經(jīng)1%瓊脂糖電泳檢測(cè)合適后進(jìn)行測(cè)序 (測(cè)序工作由北京諾禾致源生物信息科技有限公司完成)，使用New England Biolabs公司高效和高保真酶PhusionHigh-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer進(jìn)行PCR擴(kuò)增，確保擴(kuò)增效率和準(zhǔn)確性，采用Illumina NovaSeq6000測(cè)序平臺(tái)測(cè)序。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Uparse軟件對(duì)Effective Tags進(jìn)行聚類(lèi)，對(duì)獲得的序列以97%的一致性聚類(lèi)劃分為OTU(Operational Taxonomic Unit)。OTUs中出現(xiàn)頻率最高的序列選取為OTUs的代表序列，然后用QIIME軟件中的blast方法與Unit(v7.2)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行物種分析和注釋?zhuān)⒎謩e在界、門(mén)、綱、目、科、屬等分類(lèi)水平上統(tǒng)計(jì)樣本微生物群落組成。以樣本中數(shù)據(jù)量最少的為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行均一化處理，基于均一化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行Alpha多樣性分析和Beta多樣性分析。

利用QIIME軟件計(jì)算樣品包括Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)的α多樣性值，其中群落豐富度用Chao1指數(shù)描述，其值越高表明群落物種的豐富度越高。Shannon指數(shù)可以反映樣品物種的多樣性程度，其值越高表明群落物種的多樣性越高。

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)序結(jié)果質(zhì)量分析

通過(guò)對(duì)樣品測(cè)序得到原始序列條數(shù)為344 827，過(guò)濾掉低質(zhì)量的序列后，共獲得有效序列總數(shù)為309 227。根據(jù)barcode標(biāo)簽進(jìn)行樣品序列拆分，再對(duì)初始序列進(jìn)行去冗余處理后，獲得16S rDNA Unique Reads，并將其聚類(lèi)為用于物種分類(lèi)的OTU，統(tǒng)計(jì)得到各個(gè)樣品在不同OTU中的豐度信息，四組樣品共產(chǎn)生89～132個(gè)OTU，有效序列比例均大于74%以上，各樣品的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

稀釋曲線能夠可直接反映出測(cè)序數(shù)據(jù)量的合理性，并間接反映樣本中物種的豐富程度，當(dāng)曲線趨向平坦時(shí)，說(shuō)明測(cè)序數(shù)據(jù)量漸進(jìn)合理，更多數(shù)據(jù)量只會(huì)產(chǎn)生少量新物種(OTUs)從稀釋曲線(圖1)中可知，序列數(shù)量到75 000時(shí)各樣品稀釋曲線均基本趨于平緩，說(shuō)明取樣基本合理，真實(shí)環(huán)境中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的置信度較高，能夠比較真實(shí)地反映樣本微生物群落。

2.2 各樣品中真菌多樣性及相關(guān)性分析

如表2所示，四組樣品的4個(gè)指數(shù)，即Chao1、Ace、Shannon和Simpson指數(shù)的大小依次為ZS.6>ZS.4>ZS.8>ZS.12，說(shuō)明物種多樣性和豐富度在ZS.6最高，而在ZS.12中最低。Shannon和Simpson指數(shù)4個(gè)年齡組間統(tǒng)計(jì)差異較顯著(<0.05)，而Chao1和Ace指數(shù)統(tǒng)計(jì)差異不顯著(>0.05)。

表1 樣品測(cè)序數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Sequencing data statistics

圖1 相似度為0.97條件下各樣品組的稀釋曲線Fig. 1 Rarefaction curves of each group at cut-off level of 3%

在0.97的相似度下，得到了每個(gè)樣品的OTU個(gè)數(shù)，利用R軟件繪出韋恩圖，分析不同樣本組之間共有、特有的OTU數(shù)目，直觀展示樣品間OTU的重疊情況。結(jié)合OTU所代表的物種，可以找出不同環(huán)境中的核心微生物。如圖2所示，4組共有的OTU數(shù)量為43。每組特有的OTU數(shù)量占總OTU數(shù)量的比例依次為ZS.4(35.8%)>ZS.6(22.7%)>ZS.8(19.1%)>ZS.12(5.6%)，說(shuō)明隨著年齡的增加腸道微生物特有微生物的數(shù)量逐漸減少。

表2 各組真菌多樣性指數(shù)Table 2 Diversity indices of fungi in each group

2.3 腸道菌群組成分析

比較不同年齡伊犁馬腸道優(yōu)勢(shì)菌門(mén)、科、屬的相對(duì)豐度可知，隨著成年伊犁馬的年齡增長(zhǎng)，其優(yōu)勢(shì)菌的相對(duì)豐度均發(fā)生變化。

本試驗(yàn)中共檢測(cè)到4個(gè)真菌門(mén)分類(lèi)物種，分別為Ascomycota (子囊菌門(mén))、Basidiomycota (擔(dān)子菌門(mén))、Neocallimastigomycota (新美鞭菌門(mén))、Mucoromycota (廣古菌門(mén))，所占比例如圖3。

ZS.4中相對(duì)豐度大小依次為Ascomycota> Basidiomycota> Neocallimastigomycota >Mucoromycot，Ascomycota的OTU數(shù)量占的比例最高，占30.1%，該門(mén)類(lèi)在4歲馬腸道中相對(duì)豐度在四組樣品中最高，并隨著年齡的增加逐漸減少。在ZS.6、ZS.8和ZS.12作為最優(yōu)勢(shì)門(mén)類(lèi)的Basidiomycota在該三組隨年齡增加而逐漸減少。Neocallimastigomycota在4歲馬腸道中的豐度較高，為8.3%，而其余3個(gè)年齡伊犁馬腸道中均較低。未知菌類(lèi)隨著年齡的增加顯著增高。

圖2 四個(gè)樣品組中真菌多樣性的相關(guān)性分析Fig. 2 The similarity analysis of fungaldiversity among four groups

在科的水平上，總共47個(gè)類(lèi)群被分類(lèi)，其中最優(yōu)勢(shì)菌為Cryptococcaceae和Pichiaceae，其次是Neocallimastigaceae、Sporormiaceae、Aspergillaceae、Lasiosphaeriaceae、Didymosphaeriaceae等。Pichiaceae在4歲馬腸道中最高，隨年齡增加逐漸減少，在12歲馬腸道中極少。Cryptococcaceae 科的相對(duì)豐度為ZS.6>ZS.4>ZS.8>ZS.12，從6歲開(kāi)始逐漸減少。Neocallimastigaceae在4歲伊犁馬腸道中明顯高于其他三組。未知菌類(lèi)隨著年齡的增加呈顯著增高趨勢(shì)，如圖4。

圖3 不同年齡成年伊犁馬門(mén)水平上腸道微生物相對(duì)豐度Fig. 3 Relative abundances of fungi in intestineof different age groups at phylum level

圖4 不同年齡成年伊犁馬科水平上腸道微生物相對(duì)豐度Fig. 4 Relative abundance of fungi in intestine ofdifferent age groups at family level

在屬的水平上共檢測(cè)到56個(gè)被分類(lèi)的真菌，其中優(yōu)勢(shì)菌為和，的比例隨年齡的增加而明顯減少，隨著年齡增加呈逐漸減少。在ZS.4中豐度較高。未知菌類(lèi)占的比例隨年齡增加逐漸提高，在ZS.12中達(dá)到83.6%，如圖5。

圖5 不同年齡成年伊犁馬屬水平上腸道微生物相對(duì)豐度Fig. 5 Relative abundance of fungi in intestine ofdifferent age groups at genus level

3 討 論

腸道菌群寄居在機(jī)體腸道中，是由細(xì)菌、真菌、古生菌、原生動(dòng)物等相互協(xié)同、相互制約構(gòu)成的，龐大而又復(fù)雜的微生物體系，數(shù)量驚人，種類(lèi)非常多，不同的微生物群體發(fā)揮著不同的功能，直接參與宿主的食物消化、營(yíng)養(yǎng)吸收、能量代謝、免疫應(yīng)答等諸多機(jī)體的生理功能。腸道菌群可以通過(guò)代謝活動(dòng)維持動(dòng)物腸道的健康以及動(dòng)態(tài)平衡。與細(xì)菌相比，腸道內(nèi)的真菌數(shù)量和種類(lèi)較少，但對(duì)腸道動(dòng)態(tài)平衡的維持也同樣起重要作用。腸道內(nèi)的真菌與細(xì)菌之間具有密切關(guān)系，通過(guò)互利共生、拮抗等關(guān)系，支持和保護(hù)彼此的生長(zhǎng)發(fā)育。腸道菌群群落結(jié)構(gòu)可受到來(lái)自宿主方面的很多因素的影響，如不同類(lèi)型食物的攝入、年齡的增長(zhǎng)、抗生素的使用情況以及宿主的健康狀況等，另外也受到生活地域、季節(jié)和飼養(yǎng)條件等很多環(huán)境因子的影響，其中宿主的年齡的差異明顯影響腸道菌群結(jié)構(gòu)。本研究采用ITS1測(cè)序方法對(duì)伊犁馬腸道菌群群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，初步揭示伊犁馬腸道真菌菌群結(jié)構(gòu)，為更深入了解伊犁馬腸道微生物結(jié)構(gòu)，以及預(yù)防和檢測(cè)疾病奠定基礎(chǔ)。

本試驗(yàn)四組樣品Shannon和Chao1指數(shù)的數(shù)據(jù)顯示真菌群落物種多樣性和物種豐度隨年齡先有增加，后有減少的趨勢(shì)。對(duì)同樣四組樣品中真菌Shannon和Chao1指數(shù)的分析顯示，真菌群落物種多樣性隨年齡增加而減少，而細(xì)菌物種豐富與年齡無(wú)相關(guān)性(數(shù)據(jù)未發(fā)布)。綜合以上結(jié)果可知，導(dǎo)致真菌多樣性和群落豐度的這種變化趨勢(shì)的主要因素是馬年齡，而不是細(xì)菌群落變化。

本研究發(fā)現(xiàn)伊犁馬腸道真菌的優(yōu)勢(shì)菌為Ascomycota、Basidiomycota、Neocallimastigomycota、Mucoromycota。研究表明Ascomycota、Basidiomycota在家牛、綿陽(yáng)、山羊、家兔等草食動(dòng)物糞便中均為優(yōu)勢(shì)菌。另外，華彥等通過(guò)高通量測(cè)序證明華北豹腸道中真菌以Ascomycota數(shù)量最多，其次為Basidiomycota和Mucoromycota。艾生權(quán)等采用RFLP法分析結(jié)果顯示亞成體大熊貓腸道真菌主要為Ascomycota、Basidiomycota 2個(gè)門(mén)。Mura等通過(guò)試驗(yàn)證明盎格魯-阿拉伯馬腸道厭氧真菌中Neocallimastigomycota最數(shù)量多。這些研究結(jié)果表明，在以上的幾種動(dòng)物類(lèi)群間，其腸道真菌菌群結(jié)構(gòu)在門(mén)水平上有相似之處。

本研究發(fā)現(xiàn)在屬的水平上，伊犁馬腸道中的優(yōu)勢(shì)菌為(隱球酵母菌屬)和(畢赤酵母屬)。4歲馬腸道中Pichia相對(duì)豐度最高，其次是，而6歲、8歲和12歲馬腸道中相對(duì)豐度最高，其次為Pichia。

圓形或橢圓形、胞外具有莢膜結(jié)構(gòu)的一種真菌，該屬已被分類(lèi)的種有37個(gè)，其中除了、和等少數(shù)幾種之外，其他成員對(duì)人類(lèi)沒(méi)有致病性。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)中隱球酵母菌相關(guān)序列均屬于未知菌類(lèi)，未發(fā)現(xiàn)以上幾種真菌相關(guān)DNA序列。多數(shù)可將甲醇作為唯一碳源和能源生長(zhǎng)繁殖，可能對(duì)降低腸道中甲醇含量具有一定作用。有報(bào)道表明酵母菌含有維生素、酶等物質(zhì)，對(duì)動(dòng)物腸道的微生物平衡具有很強(qiáng)的恢復(fù)能力，可以提高動(dòng)物的生產(chǎn)性能，現(xiàn)階段被廣泛應(yīng)用于飼料工業(yè)上。本研究發(fā)現(xiàn)隨成年伊犁馬年齡的增長(zhǎng)，以上兩種酵母菌的相對(duì)豐度下降，這也從真菌的角度說(shuō)明，成年伊犁馬4～6歲為對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化能力最強(qiáng)的年齡階段。是一種反芻動(dòng)物瘤胃中最重要的厭氧真菌，不僅具有降解纖維素，還具有降解蛋白質(zhì)和淀粉等物質(zhì)的能力，因此在飼料消化過(guò)程中起重要作用。在4歲伊犁馬糞便中的相對(duì)豐度較高，該數(shù)據(jù)同樣支持成年階段中4～6歲伊犁馬消化能力最強(qiáng)。本研究數(shù)據(jù)中屬于的OTU基本上都是。相關(guān)研究表明為反芻動(dòng)物消化道中較普遍的厭氧菌，對(duì)纖維飼料水解作用是通過(guò)產(chǎn)生纖維素酶來(lái)進(jìn)行。

4 結(jié) 論

比較不同年齡成年伊犁馬腸道優(yōu)勢(shì)菌門(mén)、科、屬的相對(duì)豐度可知，隨著成年伊犁馬的年齡增長(zhǎng)，其優(yōu)勢(shì)菌的相對(duì)豐度均發(fā)生變化。本研究對(duì)新疆地區(qū)成年伊犁馬糞便真菌組分進(jìn)行了分析，揭示了伊犁馬腸道菌群的多樣性，為更深入地了解伊犁馬真菌群落結(jié)構(gòu)奠定了一定的基礎(chǔ)。