李 艷 左立康 羅 康 劉桂芹 王長(zhǎng)法 馬青山
(聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山東省黑毛驢高效繁育與生態(tài)飼養(yǎng)工程技術(shù)研究中心,山東省驢產(chǎn)業(yè)科技協(xié)同創(chuàng)新中心,聊城 252000)
腸道微生物對(duì)宿主營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化、吸收及代謝起著重要的調(diào)控作用,驢作為單胃草食動(dòng)物,腸道中更是存在著復(fù)雜微生物菌群且發(fā)揮著重要的生理功能[1]。腸道中菌群的建立除受到飼糧、環(huán)境和疫病等因素影響外,越來(lái)越多的研究表明,宿主腸道微生物菌群和特性與動(dòng)物的遺傳背景密切相關(guān)[2-3]。探究不同品種(系)動(dòng)物腸道菌群差異,并同表型進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,對(duì)分篩腸道益生菌種,調(diào)控腸道菌群平衡,進(jìn)而提高動(dòng)物生產(chǎn)性能具有重要指導(dǎo)意義。
德州驢原產(chǎn)于山東省德州地區(qū),是我國(guó)五大著名大型驢品種之一,具有優(yōu)良的生產(chǎn)性能和穩(wěn)定的遺傳性能,在我國(guó)驢產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和資源保護(hù)中發(fā)揮著重要作用[4-5]。根據(jù)外觀和生理特征德州驢可分為三粉驢和烏頭驢2個(gè)品系[6],這2個(gè)品系均被黑色毛發(fā)覆蓋,但三粉驢的眼睛、鼻唇周圍被毛和腹部毛色為白色。三粉驢和烏頭驢除在外觀表現(xiàn)差異外,本實(shí)驗(yàn)室前期研究還發(fā)現(xiàn),2個(gè)品系的驢駒出生重、臟器系數(shù)、腸道長(zhǎng)度、屠宰性狀(如凈肉率和凈皮率)等都存在差異[7],檢測(cè)2個(gè)品系的驢奶也發(fā)現(xiàn),乳成分及乳中代謝物也存在明顯區(qū)別[8],這表明三粉驢和烏頭驢具有不同的遺傳模式[9]。因此,本研究采用16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)對(duì)三粉驢和烏頭驢直腸菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,首次研究了三粉驢和烏頭驢直腸微生物組成差異的基本信息,并結(jié)合血漿生化指標(biāo)結(jié)果,對(duì)這些差異與生長(zhǎng)、抗病等的相關(guān)性進(jìn)行了探討,研究結(jié)果為了解德州驢腸道菌群提供了新的信息,同時(shí)為后續(xù)分篩德州驢腸道益生菌種、調(diào)控腸道微生態(tài)平衡、提高生產(chǎn)性能提供理論指導(dǎo)。
選擇3~5歲、體重260~300 kg健康空懷三粉驢母驢和烏頭驢母驢各6頭,由山東省德州驢原種場(chǎng)提供。試驗(yàn)驢自出生即養(yǎng)殖于同一飼養(yǎng)場(chǎng)地,飼養(yǎng)管理一致,均飼喂商品精料(粗蛋白質(zhì)含量18.22%,粗脂肪含量1.67%,粗纖維含量4.73%),每日飼喂2次(10:00和18:00),飼喂量為體重的1.5%,粗飼料為小麥秸稈,精粗比為60∶40,自由飲水。試驗(yàn)用驢3個(gè)月以上未接觸過(guò)抗生素治療。
所有樣本均于當(dāng)日09:00—10:00飼喂前采集。頸靜脈采集乙二胺四乙酸二鉀抗凝血20 mL,3 000×g、4 ℃離心10 min后收集血漿,液氮冷凍保藏,用于血漿生化指標(biāo)測(cè)定。直腸內(nèi)容物采集方法:75%酒精對(duì)試驗(yàn)驢肛門周圍進(jìn)行消毒,試驗(yàn)人員戴好無(wú)菌長(zhǎng)臂手套伸入驢直腸內(nèi),取直腸新鮮內(nèi)容物迅速裝入2 mL無(wú)菌凍存管,放入液氮速凍保存,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后,存放于-80 ℃冰箱以待測(cè)序。
采用全自動(dòng)生化分析儀(邁瑞,BS-420)測(cè)定血漿中葡萄糖(GLU)、甘油三酯(TG)、總蛋白(TP)、白蛋白(ALB)、總膽固醇(TC)、總膽紅素(T-BIL)含量及谷草轉(zhuǎn)氨酶(AST)、谷丙轉(zhuǎn)氨酶(ALT)、堿性磷酸酶(ALP)、谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶(γ-GT)、肌酸激酶(CK)活性。
DNA提取、PCR擴(kuò)增、Illumina MiSeq高通量測(cè)序由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司協(xié)助完成。生物信息學(xué)分析通過(guò)測(cè)序公司提供的云平臺(tái)(https://cloud.majorbio.com)完成。采用fastp(https://github.com/OpenGene/fastp,version 0.20.0)軟件對(duì)原始測(cè)序序列進(jìn)行質(zhì)控,使用FLASH(http://www.cbcb.umd.edu/software/flash,version 1.2.7)軟件進(jìn)行序列拼接;應(yīng)用UPARSE軟件(http://drive5.com/uparse,version 7.1),根據(jù)97%的相似度對(duì)序列進(jìn)行操作分類單元(OTU)聚類并剔除嵌合體。利用RDP classifier(http://rdp.cme.msu.edu,version 2.2)對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋;應(yīng)用MOTHUR(version 1.30.2)和QIIME(version 1.9.1)軟件分析菌群的α和β多樣性,R(version 3.3.1)軟件分析并繪制Spearman相關(guān)性熱圖,BugBase(https://bugbase.cs.umn.edu/index.html)工具進(jìn)行表型預(yù)測(cè)。
血漿生化指標(biāo)應(yīng)用SPSS 22.0軟件進(jìn)行處理,采用Student’st檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示;菌群分析采用Student’st檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。P<0.05表示差異顯著,P<0.01表示差異極顯著。
由表1可知,烏頭驢血漿中甘油三酯、總蛋白含量顯著高于三粉驢(P<0.05),而總膽固醇含量顯著低于三粉驢(P<0.05);代謝酶活性方面,烏頭驢血漿中谷草轉(zhuǎn)氨酶和肌酸激酶活性顯著高于三粉驢(P<0.05),而堿性磷酸酶活性顯著低于三粉驢(P<0.05)。
表1 2個(gè)品系德州驢血漿生化指標(biāo)
2.2.1 測(cè)序深度和OTU數(shù)目分析
所有樣本共得到有效序列600 922條,堿基數(shù)目為248 914 591 bp,序列平均長(zhǎng)度414 bp。將所得的有效序列在不同水平上進(jìn)行注釋,得到分類單元包括:20個(gè)門、39個(gè)綱、85個(gè)目、151個(gè)科、283個(gè)屬和1 913個(gè)OTU。烏頭驢、三粉驢特有的OTU數(shù)目分別為343和131個(gè),共有的OTU數(shù)目為1 439個(gè)。
2.2.2 α多樣性分析
由圖1可知,烏頭驢和三粉驢直腸內(nèi)容物菌群α多樣性指數(shù)存在顯著差異(P<0.05),烏頭驢Ace指數(shù)、Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)極顯著高于三粉驢(P<0.01),Simpson指數(shù)顯著低于三粉驢(P<0.05),表明烏頭驢直腸內(nèi)容物菌群更為豐富。
SF:三粉驢;WT:烏頭驢。下圖同。
2.2.3 菌群β多樣性分析
采用主成分分析法(圖2-A)和非度量多維尺度分析法(圖2-B)研究烏頭驢和三粉驢直腸內(nèi)容物菌群整體結(jié)構(gòu)的差異。由圖可知,烏頭驢和三粉驢直腸內(nèi)容物菌群整體結(jié)構(gòu)之間區(qū)分明顯,組內(nèi)樣品聚類程度較高,表明2個(gè)品系遺傳背景對(duì)腸道菌群組成存在影響。
A:主成分分析 principal coordinate analysis;B:非度量多維尺度分析 non-metric multidimensional scaling analysis。
2.2.4 門和科水平上差異微生物比較
對(duì)2個(gè)品系12個(gè)樣本得到的有效序列在門和科水平進(jìn)行聚類并注釋。由圖3-A可知,在門水平上,優(yōu)勢(shì)菌門5個(gè),三粉驢和烏頭驢直腸內(nèi)容物微生物均以厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidota)為主,隨后為螺旋體門(Spirochaetota)、尤微菌門(Verrucomicrobiota)和放線菌門(Actinobacteriota),且2個(gè)品系直腸菌群在門水平上沒(méi)有差異。
由圖3-B可知,在科水平上,三粉驢和烏頭驢直腸內(nèi)容物排名前10的優(yōu)勢(shì)菌科為毛螺菌科(Lachnospiraceae)、理研菌科(Rikenellaceae)、顫螺菌科(Oscillospiraceae)、螺旋體科(Spirochaetaceae)、擬桿菌科p-251-o5(Bacteroidaceae p-251-o5)、普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)、克里斯滕森菌科(Christenseniaceae)、擬桿菌科F082(Bacteroidaceae F082)、擬桿菌科UCG-001(Bacteroidaceae UCG-001)和疣微菌科(Verrucomicrobiaceae)。
圖3 門(A)和科(B)水平上直腸微生物相對(duì)豐度
由表2可知,三粉驢和烏頭驢直腸內(nèi)容物差異菌科包括擬桿菌科(Bacteroidaceae)、產(chǎn)糞甾醇真細(xì)菌科(Eubacterium_coprostanoligenes)、顫螺菌科(Oscillospiraceae)、阿克曼氏菌科(Akkermansiaceae)、氨基酸球菌科(Acidaminococcaceae)和動(dòng)性球菌科(Planococcaceae)等(P<0.05)。
表2 直腸內(nèi)容物中差異性菌科相對(duì)豐度分析
2.2.5 屬水平差異微生物比較
由圖4可知,在屬水平,三粉驢直腸內(nèi)容物毛螺菌科_XPB1014(Lachnospiraceae_XPB1014)、阿克曼氏菌屬(Akkermansia)相對(duì)豐度顯著高于烏頭驢(P<0.05),而普雷沃氏菌屬(Prevotella)和考拉桿菌屬(Phascolarctobacterium)相對(duì)豐度顯著低于烏頭驢(P<0.05)。
數(shù)據(jù)柱標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。
2.2.6 血漿生化指標(biāo)與差異菌屬的關(guān)聯(lián)分析
由圖5可知,Spearman相關(guān)分析顯示,在12頭德州驢直腸內(nèi)容物菌群微生物相對(duì)豐度前30的菌屬中,普雷沃氏菌屬相對(duì)豐度與血漿中谷草轉(zhuǎn)氨酶活性和甘油三酯含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與血漿中堿性磷酸酶活性和總膽固醇含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);考拉桿菌屬相對(duì)豐度與血漿中總膽固醇含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05);阿克曼氏菌屬相對(duì)豐度與血漿中堿性磷酸酶活性和總膽固醇含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與血漿中谷草轉(zhuǎn)氨酶活性和甘油三酯含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01);毛螺菌科_XPB1014相對(duì)豐度與血漿中堿性磷酸酶活性和總膽固醇含量呈顯著或極顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01),與血漿中谷草轉(zhuǎn)氨酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。
Lachnoclostridium:藍(lán)綠藻菌屬;Prevotella:普雷沃氏菌屬;unclassified_f_Selenomonadaceae:未分類硒藻科;Anaerovorax:優(yōu)桿菌屬;Prevotellaceae_UCG-001:普雷沃氏菌科_UCG-001;Ruminococcus:瘤胃球菌屬;Phascolarctobacterium:考拉桿菌;norank_f_Lachnospiraceae:未分類毛螺菌科;Saccharofermentans:乙酸糖發(fā)酵菌;Akkermansia:阿克曼氏菌屬;norank_f_Eubacterium_coprostanoligenes_group:未分類產(chǎn)糞甾醇真細(xì)菌組;norank_f_Bacteroidales_UCG-001:未分類擬桿菌科_UCG-001;Prevotellaceae_UCG-004:普雷沃氏菌科_UCG-004;Christenseniaceae_R-7_group:克里斯滕森菌科_R-7組;Lachnospiraceae_UCG_009:毛螺菌科_UCG_009;Lachnospiraceae_XPB1014:毛螺菌科_XPB1014;Treponema:密螺旋體屬;Lachnospiraceae_AC2044_group:毛螺菌科_AC2044組;Rikenellaceae_RC9_gut_group:理研菌科_RC9腸道組;AST:谷草轉(zhuǎn)氨酶 aspartate aminotransferase;ALP:谷丙轉(zhuǎn)氨酶 alanine aminotransferase;CK:肌酸激酶 creatine kinase;TC:總膽固醇 total cholesterol;TG:甘油三酯 triglyceride;TP:總蛋白 total protein。
2.2.7 BugBase表型預(yù)測(cè)
借助BugBase分析工具,對(duì)2個(gè)品系直腸微生物群的7種表型進(jìn)行了預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6所示,烏頭驢直腸微生物群的潛在致病性顯著高于三粉驢(P<0.05),而包含的可移動(dòng)元件顯著低于三粉驢(P<0.05)。
圖6 BugBase表型預(yù)測(cè)
動(dòng)物胃腸道菌群特征除受到日齡、營(yíng)養(yǎng)及環(huán)境因素影響外,越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn),宿主胃腸道菌群特性與動(dòng)物的遺傳背景也密切相關(guān)[10-11]。本試驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上,首先測(cè)定了三粉驢和烏頭驢2個(gè)品系德州驢的血漿生化指標(biāo),再通過(guò)16S rDNA高通量測(cè)序技術(shù)分析其直腸菌群區(qū)系,發(fā)現(xiàn)2個(gè)品系德州驢血漿生化指標(biāo)、直腸菌群特征及其功能預(yù)測(cè)等都存在差異,表明2個(gè)品系的遺傳背景對(duì)腸道菌群特征存在影響。
機(jī)體的血漿生化指標(biāo)變化受動(dòng)物不同品種(系)、生長(zhǎng)發(fā)育階段、飼糧營(yíng)養(yǎng)水平等影響,反映機(jī)體的代謝狀況。本研究中,所測(cè)定的德州驢血漿生化指標(biāo)結(jié)果同以往研究報(bào)道相吻合[12-13],但在以往的研究中未見(jiàn)烏頭驢和三粉驢2個(gè)品系相比較的報(bào)道。本試驗(yàn)中,三粉驢血漿中甘油三酯、總蛋白含量顯著低于烏頭驢,這或許是由于三粉驢具有更加優(yōu)良的代謝能力[7],血漿中甘油三酯和蛋白質(zhì)被動(dòng)員所致。代謝酶活性方面,血漿中堿性磷酸酶為堿性條件下非特異水解的磷酸脂酶總稱,能夠促進(jìn)動(dòng)物發(fā)育和骨骼肌生長(zhǎng)。Juokslahti等[14]研究發(fā)現(xiàn),血漿中堿性磷酸酶活性與平均日增重呈正相關(guān)。本研究中,三粉驢血漿中堿性磷酸酶活性顯著高于烏頭驢,這可能是三粉驢具有更優(yōu)異生產(chǎn)性能的原因之一[7]。谷草轉(zhuǎn)氨酶和肌酸激酶是反映肝臟和心肌及骨骼肌功能的重要指標(biāo)。本研究中,烏頭驢血漿中谷草轉(zhuǎn)氨酶和肌酸激酶活性顯著高于三粉驢,雖然這些數(shù)值都在正常范圍之內(nèi)[12-13],但考慮到試驗(yàn)用三粉驢和烏頭驢都處于相同健康狀態(tài)、生理階段,這2個(gè)指標(biāo)的差異或許和不同驢品系相關(guān)。
分析2個(gè)品系德州驢直腸菌群結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),菌群α多樣性和β多樣性存在明顯差異,Massacci等[15]研究6個(gè)品種馬(阿拉伯馬、比利時(shí)馬、法國(guó)馬、漢諾威馬、盧西塔諾馬和奧爾登堡馬)糞便菌群時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果,這或許與不同品種(系)動(dòng)物的遺傳背景有關(guān)。在門水平上,以往研究發(fā)現(xiàn)德州驢后腸及直腸糞便以厚壁菌門和擬桿菌門為優(yōu)勢(shì)菌門[1,16]。本研究中,厚壁菌門和擬桿菌門亦為2個(gè)品系德州驢共有相對(duì)豐度最高的菌門,這與以往研究結(jié)果一致。在2個(gè)品系直腸內(nèi)容物中還發(fā)現(xiàn)了螺旋體門、尤微菌門和放線菌門,但均沒(méi)有差異,這表明2個(gè)品系的遺傳背景在門水平上未產(chǎn)生影響,同以往研究結(jié)果[17]相吻合。然而,Kataev等[18]研究則發(fā)現(xiàn),雅庫(kù)特和卡爾梅克牛直腸糞便菌門類似,而瘤胃液菌門差異較大,這或許與瘤胃內(nèi)微生物群落更為復(fù)雜、更易受到外部因素影響有關(guān)。在科水平和屬水平上,2個(gè)品系直腸內(nèi)容物菌群存在較大差異,與本研究結(jié)果類似,Zhao等[17]利用16S rRNA高通量測(cè)序比較蒙古馬和純種馬糞便菌群,發(fā)現(xiàn)2個(gè)品種馬糞便菌群在屬水平上存在較大差異。
不同品種(系)間菌屬相對(duì)豐度的變化可能受特定品種間腸道功能差異的影響,同時(shí)差異的菌屬也會(huì)發(fā)揮不同的功能[19]。在豬上的研究發(fā)現(xiàn),普雷沃菌屬和擬桿菌屬在肥胖哥廷根豬腸道中相對(duì)豐度較高,梭狀芽胞桿菌屬在瘦肉型哥廷根豬腸道中相對(duì)豐度較高,然而在奧薩巴豬中情況則完全相反[20]。本實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn),與烏頭驢相比,三粉驢的肝臟系數(shù)較高,并且小腸、盲腸長(zhǎng)度更長(zhǎng),三粉驢具有更優(yōu)良的消化能力[9],2個(gè)品系腸道生理功能的差異對(duì)腸道菌群也產(chǎn)生了影響。本研究中發(fā)現(xiàn),三粉驢直腸內(nèi)容物中與多糖降解相關(guān)的毛螺菌科_XPB1014和與抗病相關(guān)的阿克曼氏菌屬相對(duì)豐度顯著高于烏頭驢,而普雷沃菌屬和考拉桿菌屬相對(duì)豐度則顯著低于烏頭驢。
毛螺菌科是草食動(dòng)物腸道中常見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)菌群,能夠分解碳水化合物產(chǎn)生短鏈脂肪酸,從而為宿主提供能量[21]。本研究中,毛螺菌科_XPB101相對(duì)豐度與血漿中堿性磷酸酶活性呈正相關(guān),結(jié)合之前討論,具有較高相對(duì)豐度的毛螺菌科_XPB1014可能是三粉驢具有更高水平的消化及代謝能力的原因之一。阿克曼氏菌屬以腸道中黏蛋白作為能量來(lái)源,大量研究表明阿克曼氏菌能夠拮抗病原菌生長(zhǎng),具有維持腸道黏液層厚度和保障腸屏障完整性的作用[22]。本研究中,BugBase表型預(yù)測(cè)顯示三粉驢腸道菌群潛在致病性顯著低于烏頭驢,這可能與三粉驢腸道中阿克曼氏菌相對(duì)豐度顯著高于烏頭驢有關(guān)。普雷沃菌屬是食草動(dòng)物和雜食動(dòng)物的瘤胃和腸道中常見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)菌屬[23],可通過(guò)發(fā)酵可溶性碳水化合物和降解不溶性植物纖維產(chǎn)生短鏈脂肪酸,有效地從復(fù)雜多糖中獲取能量[24],進(jìn)而增加宿主脂肪沉積[25]。本研究中,烏頭驢腸道中普雷沃菌相對(duì)豐度顯著高于三粉驢,其相對(duì)豐度與血漿中甘油三酯含量呈正相關(guān),與堿性磷酸酶活性呈負(fù)相關(guān),烏頭驢血漿中甘油三酯含量顯著高于三粉驢或許同此菌屬有關(guān)。然而,本實(shí)驗(yàn)室前期研究發(fā)現(xiàn)三粉驢具有更優(yōu)良的生產(chǎn)性能,這與在豬上的研究結(jié)果[26]不同,或許是由于除菌群因素外,驢的生長(zhǎng)性能還同受腸道長(zhǎng)度、臟器系數(shù)等因素影響[7]。研究發(fā)現(xiàn),考拉桿菌屬相對(duì)豐度的增加與動(dòng)物腸道炎癥和病理發(fā)生有關(guān)[27],而與動(dòng)物平均日增重和空腸絨毛高度呈負(fù)相關(guān)[28],這與本研究中烏頭驢腸道考拉桿菌屬相對(duì)豐度較高,同時(shí)BugBase表型預(yù)測(cè)其潛在致病力較高的結(jié)果相一致。2個(gè)品系的這些差異菌群信息為后續(xù)分篩德州驢腸道益生菌種、調(diào)控腸道微生態(tài)平衡、提高生產(chǎn)性能提供重要參考。
可移動(dòng)元件主要包括插入序列、轉(zhuǎn)座子、整合子、自轉(zhuǎn)移廣宿主質(zhì)粒、基因島和噬菌體等,可移動(dòng)元件的功能除了使細(xì)菌耐藥基因發(fā)生水平遷移外,還包括糖類分解、汞抗性、毒力因子和生物修復(fù)等功能[29]。在豬上的研究證實(shí),腸道菌群通過(guò)可移動(dòng)元件實(shí)現(xiàn)對(duì)ASP250(金霉素+磺胺二甲嘧啶+青霉素)的耐藥性[30],雖然在本研究中三粉驢腸道菌群BugBase表型預(yù)測(cè)所含可移動(dòng)元件顯著高于烏頭驢,但德州驢抗病性強(qiáng),養(yǎng)殖過(guò)程中較少應(yīng)用抗生素[31],耐藥基因產(chǎn)生和遷移的風(fēng)險(xiǎn)較低。
① 三粉驢血漿膽固醇含量和堿性磷酸酶活性更高,烏頭驢血漿甘油三酯和總蛋白含量更高。
② 三粉驢腸道中毛螺菌科_XPB1014和阿克曼氏菌屬相對(duì)豐度更高,菌群功能預(yù)測(cè)中潛在的致病性更低。
③ 從血漿生化指標(biāo)和腸道菌群結(jié)構(gòu)角度分析,三粉驢在生產(chǎn)和抗病性能方面或更優(yōu)于烏頭驢。