鄒文騰,劉振紅,楊靖璇,陸陽陽,彭開松
(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院,水產(chǎn)養(yǎng)殖健康與公共衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230036)
大口黑鱸(Micropterussalmoides)俗名加州鱸,屬鱸形目(Perciformes)鱸亞目(Porcoidei)太陽魚科(Cehtrachidae)黑鱸屬(Micropterus),原產(chǎn)于北美密西西比河流域,自20世紀(jì)80年代引入我國后,因其生長快,肉質(zhì)好,是我國重要的淡水養(yǎng)殖魚類[1]。維氏氣單胞菌(Aeromonasveronii)屬于氣單胞菌科(Aeromonuduceue),氣單胞菌屬(Aeromonas),其中部分菌株是條件致病菌,可感染人、畜禽、魚等多種動(dòng)物,給公共衛(wèi)生和水產(chǎn)養(yǎng)殖造成嚴(yán)重影響[2-3]。致病性維氏氣單胞菌在地表水、土壤、氣溶膠和患病動(dòng)物內(nèi)臟中均有分離[4]。作為一種條件致病菌,其可以導(dǎo)致水產(chǎn)動(dòng)物的暴發(fā)性疾病,也可引起人類腹瀉和菌血癥[5-6]。
根據(jù)已公布的維氏氣單胞菌菌株全基因組信息[7],可以探討維氏氣單胞菌的致病機(jī)制和耐藥機(jī)制,揭示病原特殊信息、致病性、毒力因子和耐藥基因等[8-9],為其病原生物學(xué)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本研究對一株致病性維氏氣單胞菌AV040株,進(jìn)行全基因組測序,分析其致病性和耐藥性的表型和基因型,加深了對維氏氣單胞菌病原學(xué)的理解。
患魚樣品采自安徽省滁州市定遠(yuǎn)縣某漁場。體重為(10±1)g,體長平均(9±1)cm。試驗(yàn)用健康大口黑鱸魚苗體重平均(10±1)g,體長平均(9±1)cm,由安徽省滁州市定遠(yuǎn)縣徽海輝水產(chǎn)養(yǎng)殖有限公司(海大集團(tuán)百容種業(yè)定遠(yuǎn)基地)提供。試驗(yàn)用健康4周齡小鼠,平均體重為(20±2)g,購自安徽醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心。
腦心浸液肉湯培養(yǎng)基(BHI)購自索萊寶,革蘭氏染色試劑盒、細(xì)菌生理生化鑒定管、32種藥敏紙片購自杭州微生物有限公司,細(xì)菌16S rDNA測序由上海生工生物工程股份有限公司完成。
從患病魚的脾臟和腎臟分離病原菌,分離純化方法參考文獻(xiàn)[10]。
試驗(yàn)用健康大口黑鱸魚苗在500 L體積水缸內(nèi)25 ℃馴養(yǎng)2周,期間正常通氧和投喂。試驗(yàn)用健康4周齡小鼠暫養(yǎng)1周,其間正常投喂和更換潔凈墊料。確定試驗(yàn)動(dòng)物健康后進(jìn)行回歸感染。攻毒前24 h,試驗(yàn)魚禁食,試驗(yàn)小鼠禁食和禁水,AV040攻毒濃度為1×108CFU·g-1,將臨死個(gè)體進(jìn)行剖檢和細(xì)菌分離鑒定。
純化后的菌株28 ℃培養(yǎng)24 h,觀察菌落形態(tài);挑取單菌落進(jìn)行革蘭氏染色、劃線血平板和測定生化指標(biāo)。
16S rDNA PCR擴(kuò)增產(chǎn)物送至上海生工生物工程股份有限公司測序,序列通過BLAST進(jìn)行序列比對。在NCBI下載氣單胞菌屬的其他菌株和其他菌屬的16S rDNA,使用MEGA 10.0的NJ法構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹。
全基因組測序由上海歐易生物醫(yī)學(xué)科技有限公司完成。采用三代PacBio和二代Illumina進(jìn)行全基因組測序;Qubit 3.0和Agilent 2100檢測文庫質(zhì)量;falcon進(jìn)行有效數(shù)據(jù)矯正和基因組初步組裝;prodigal(v2.6.3)預(yù)測編碼基因,RNAmmer V1.2 和tRNAscan-SE分別預(yù)測rRNA和Trna;蛋白質(zhì)直系同源簇(Cluster of Orthologous Groups of Proteins, COG)注釋基因功能和功能分類;基因與基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)注釋基因功能和通路分析。
維氏氣單胞菌AV040在BHI中28 ℃培養(yǎng)至對數(shù)期,使用滅菌PBS將菌懸液調(diào)至1×107、1×108、1×109、1×1010和1×1011CFU·mL-1。大口黑鱸(每組10尾)和小鼠(每組5只)分別腹腔注射0.1 mL和0.2 mL各濃度菌液;對照組注射等量滅菌PBS。攻毒期間飼養(yǎng)溫度為(25±1)℃,正常投喂,觀察7 d,記錄每日死亡量、臨床體征及剖檢病變。Reed-Muench法計(jì)算LD50。通過毒力因子數(shù)據(jù)庫(Virulence Factors Database, VFDB)分析E105的毒力基因。
采用K-B紙片擴(kuò)散法進(jìn)行藥敏試驗(yàn),參照文獻(xiàn)[11]。通過抗生素耐藥性數(shù)據(jù)庫(The Comprehensive Antibiotic Resistance Database, CARD, https://card.mcmaster.ca/)分析耐藥基因。
患魚體表出現(xiàn)潰爛,創(chuàng)口泛白,解剖觀察發(fā)現(xiàn)魚體中少血、貧血;肝胰臟發(fā)白,有白色壞死灶;脾臟微腫;腸炎,腸壁薄,內(nèi)有淡黃色液體(圖1)。
A,體表潰爛;B,肝臟白點(diǎn)。A, Body surface ulceration; B, White spots on the liver.圖1 魚體病癥Fig.1 Fish illness
從自然發(fā)病大口黑鱸的脾腎中共分離到10株菌。經(jīng)人工感染,各株菌對大口黑鱸均具有致病性,且AV040株致病性最強(qiáng),出現(xiàn)胸、腹鰭和肛門出血(圖2-A),肝、脾和幽門垂等內(nèi)臟出血(圖2-B、C)。
A,胸、腹鰭和肛門出血(箭頭); B,鰓出血、脾臟腫大(箭頭); C,肝臟、幽門垂出血(箭頭)。A, Bleeding from pectoral and ventral fins and anus (arrow); B, Bleeding from gills and enlarged spleen (arrow); C, Bleeding from enlarged liver and pyloric pendant (arrow).圖2 分離菌回歸感染大口黑鱸病癥圖Fig.2 Separated bacteria return to infect largemouth black bass disease diagram
AV040株在LB平板上形成圓形、表面光滑、邊緣整齊、半透明狀凸起的灰白色菌落(圖3-A),在血平板上可見透明β-溶血圈(圖3-B),其為兩端鈍圓的革蘭氏陰性桿菌(圖3-C)。
A,菌株形態(tài);B,溶血圈;C,革蘭氏染色。A, MH isolation culture; B, Hemolytic ring; C, Microscopic observation of Gram staining.圖3 菌落形態(tài)Fig.3 Colony morphology
根據(jù)菌株菌體形態(tài)和其理化特征(表1),初步判定AV040株為維氏氣單胞菌溫和型。
表1 病原菌的生化反應(yīng)
AV040 16S rDNA序列(1 430 bp, GenBank ID: OL441605.1)與維氏氣單胞菌(GenBank ID: CP034967)同源性最高,為99.93%。系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)化樹(圖4)中,AV040與維氏氣單胞菌(HY6株)聚為一支。結(jié)合16S rDNA鑒定結(jié)果和生理生化特性,判定AV040株為溫和型維氏氣單胞菌。
圖4 AV040株系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.4 Phylogenetic tree of the AV040 strain
維氏氣單胞菌AV040基因組大小為4 501 581 bp (GenBank ID: CP095841),序列GC含量為58.77%,編碼基因3 955個(gè),包含分泌蛋白編碼基因434個(gè)、TMHMM蛋白編碼基因3 955個(gè)、T3SS效應(yīng)蛋白編碼基因440個(gè)。AV040染色體的基因圈圖如圖5所示。
AV040全基因組序列在碳水化合物活性酶數(shù)據(jù)庫中(Carbohydrate-Active Enzymes Database)共注釋基因92個(gè),在病原體宿主相互作用數(shù)據(jù)庫(Pathogen Host Interactions)中共注釋基因859個(gè),在同源基因族數(shù)據(jù)庫(Database of Clusters of Orthologous Genes)中共注釋基因3 720個(gè),在基因本體數(shù)據(jù)庫(Gene Ontology)中共注釋基因2 867個(gè),在京都基因與基因組百科全書(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)中共注釋基因2 164個(gè),在非冗余蛋白庫(Non-Redundant Protein Sequence Database)中共注釋基因3 939個(gè)。
AV040基因組中具有生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)編碼基因按COG分類標(biāo)準(zhǔn)可劃分為22類,共注釋蛋白編碼基因3 720個(gè)(圖6)。參與基礎(chǔ)功能的基因441個(gè),占11.85%;參與氨基酸代謝及轉(zhuǎn)運(yùn)的基因370個(gè),占9.95%;參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因287個(gè),占7.72%;轉(zhuǎn)錄相關(guān)基因276個(gè),占7.42%;參與能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的基因235個(gè),占6.32%;參與碳水化合物的運(yùn)輸和代謝的基因213個(gè),占5.73%。此外,7.90%的基因在COG中未歸類,功能尚不明確。
1,RNA加工與修飾; 2,染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化; 3,能量產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換; 4,細(xì)胞周期控制、細(xì)胞分裂、染色體分化; 5,氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝; 6,核苷酸的運(yùn)輸和代謝; 7,碳水化合物的運(yùn)輸和代謝; 8,輔酶的運(yùn)輸和代謝; 9,脂質(zhì)的運(yùn)輸和代謝; 10,翻譯、核糖體結(jié)構(gòu)和生物生成; 11,轉(zhuǎn)錄; 12,復(fù)制、重組和修復(fù); 13,細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、包膜的生物生成; 14,細(xì)胞運(yùn)動(dòng); 15,翻譯后修飾、蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)、伴侶蛋白; 16,無機(jī)離子運(yùn)輸和代謝; 17,次生代謝物的生物合成、運(yùn)輸和分解; 18,一般功能; 19,功能未知; 20,信號轉(zhuǎn)導(dǎo); 21,胞內(nèi)分泌和囊泡運(yùn)輸; 22,防御機(jī)制。1, RNA processing and modification; 2, Chromatin structure and dynamics; 3, Energy production and conversion; 4, Cell cycle control, cell division, chromosome differentiation; 5, Amino acid transport and metabolism; 6, Nucleotide transport and metabolism; 7, Carbohydrate transport and metabolism; 8, Coenzyme transport and metabolism; 9, Lipid transport and metabolism; 10, Translation, ribosome structure and biogenesis; 11, Transcription; 12, Replication, recombination and repair; 13, Cell wall, membrane and envelope biogenesis; 14, Cell motility; 15, Post-translational modifications, protein turnover, chaperone proteins; 16, Inorganic ion transport and metabolism; 17, Secondary metabolite biosynthesis, transport and catabolism; 18, General function; 19, Function unknown; 20, Signal transduction; 21, Intracellular secretion and vesicular transport; 22, Defense mechanisms.圖6 AV040 COG功能分類Fig.6 AV040 COG functional classification
AV040基因組在KEGG中共注釋代謝通路41條,基因2 164個(gè)(圖7)。富集到代謝通路相關(guān)基因有6大類,即機(jī)體系統(tǒng)、代謝、人類疾病、遺傳信息處理、環(huán)境信息處理、細(xì)胞過程。AV040基因組中參與代謝途徑的基因最多,共1 120個(gè);與人類疾病相關(guān)基因139個(gè)。
1,消化系統(tǒng);2,免疫系統(tǒng);3,神經(jīng)系統(tǒng);4,循環(huán)系統(tǒng);5,內(nèi)分泌系統(tǒng);6,環(huán)境適應(yīng);7,老化;8,發(fā)育和再生;9,排泄系統(tǒng);10,核苷酸代謝;11,脂質(zhì)代謝;12,其他氨基酸的代謝;13,糖類的生物合成和代謝;14,其他次級代謝物的生物合成;15,外來生物的生物降解和代謝;16,萜類和聚酮類的代謝;17,碳水化合物的代謝;18,氨基酸的代謝;19,輔因子和維生素的代謝;20,能量代謝;21,內(nèi)分泌和新陳代謝疾病;22,心血管疾病;23,癌癥:特定類型;24,耐藥性:抗生素;25,感染性疾病:寄生蟲病;26,傳染性疾病:細(xì)菌性;27,免疫性疾病;28,傳染性疾病:病毒性;29,癌癥:概況;30,神經(jīng)退行性疾病;31,耐藥性:抗腫瘤;32,翻譯;33,折疊、分類和降解;34,復(fù)制和修復(fù);35,轉(zhuǎn)錄;36,膜運(yùn)輸;37,信號轉(zhuǎn)導(dǎo);38,細(xì)胞運(yùn)動(dòng);39,細(xì)胞生長和死亡;40,細(xì)胞群落-原核生物;41,運(yùn)輸和分解代謝。1, Digestive system; 2, Immune system; 3, Nervous system; 4, Circulatory system; 5, Endocrine system; 6, Environmental adaptation; 7, Aging; 8, Development and regeneration; 9, Excretory system; 10, Nucleotide metabolism; 11, Lipid metabolism; 12, Metabolism of other amino acids; 13, Biosynthesis and metabolism of sugars; 14, Biosynthesis of other secondary metabolites; 15, Foreign biodegradation and metabolism of organisms; 16, Metabolism of terpenoids and polyketides; 17, Metabolism of carbohydrates; 18, Metabolism of amino acids; 19, Metabolism of cofactors and vitamins; 20, Energy metabolism; 21, Endocrine and metabolic diseases; 22, Cardiovascular diseases; 23, Cancer: specific types; 24, Drug resistance: antibiotics; 25, Infectious diseases: parasitic disease; 26, Infectious diseases: bacterial disease; 27, Immune diseases; 28, Infectious diseases: viral disease; 29, Cancer: profile; 30, Neurodegenerative diseases; 31, Drug resistance: antitumor; 32, Translation; 33, Folding, sorting and degradation; 34, Replication and repair; 35, Transcription; 36, Membrane transport; 37, Signal transduction; 38, Cell motility; 39, Cell growth and death; 40, Cell communities-prokaryotes; 41, Transport and catabolism.圖7 AV040 KEGG通路注釋Fig.7 AV040 KEGG pathway annotation
腹腔注射AV040株對昆明(KM)小鼠的LD50為2.97×107CFU·g-1。攻毒后小鼠蜷縮、瞇眼、顫抖,肝臟、腸道出血(圖8)。
圖8 AV040菌株感染小鼠解剖圖Fig.8 Anatomical diagram of AV040 strain infected mice
腹腔注射AV040株對大口黑鱸的LD50為6.53×106CFU·g-1。攻毒后臨死魚病癥與回歸感染結(jié)果一致。AV040攻毒濃度大于108CFU·g-1時(shí),大口黑鱸全部死亡,累計(jì)死亡曲線如圖9。
圖9 AV040感染大口黑鱸累計(jì)死亡量Fig.9 Accumulated deaths of AV040 infected largemouth bass
AV040全基因組中有253個(gè)編碼序列可能為毒力基因。其中黏附分子156個(gè),包括Ⅳ型鞭毛Flp(Flp type Ⅳ pili)基因(flp1、flpA-L)、Ⅳ型鞭毛Tap(Tap type Ⅳ pili)基因(tapA-D、tapF、tapM-Q、tapT-W、tapY1-2、tppA-F)、側(cè)向鞭毛(lateral flagella)基因(flgC、flgE、flgI、flgJ、fliF、fliJ、fliP)、I型鞭毛(Type I fimbriae)基因(flimA、flimC-F)、甘露糖敏感的血凝素Ⅳ型鞭毛(mannose-sensitive haemagglutinin type Ⅳ pili)基因(mshA-Q)和極性鞭毛(polar flagella)基因(cheA-2、cheB-2、cheR-3、cheV-Z);分泌系統(tǒng)85個(gè),包括T2SS分泌系統(tǒng)基因(exeA-N)、T3SS分泌系統(tǒng)基因(acr1-2、acrH、acrR、acrV、aexT、ascB-Y)、T6SS分泌系統(tǒng)基因(astA-S、clpV1、dotU、vgrG1-3、hcp1);毒素12個(gè),包括溶血素Ⅲ(hemolysin Ⅲ)、溶血素HlyA(hemolysin HlyA)基因(hlyA)、溶血素外排AHH1(extracellular hemolysin AHH1)基因(ahh1)、耐熱溶血素(hemolysin)基因(ast)和毒素重復(fù)序列(repetitive sequence, RTX)基因(rtxA-H)。
AV040全基因組含有耐藥基因5個(gè),K-B藥敏試驗(yàn)驗(yàn)證表型。其中OXA-912和cphA3與碳青霉烯類(carbapenems)的耐藥性有關(guān),對碳青霉烯類(carbapenems)的亞胺培南耐藥;rsmA和adeF與氨基糖苷類(aminoglycosides)、氨基香豆素類(aminocoumarins)、喹諾酮類(quinolones)和四環(huán)素類的耐藥性有關(guān),對氨基糖苷類的慶大霉素、卡那霉素、新霉素和丁胺卡那,喹諾酮類的諾氟沙星、恩諾沙星、環(huán)丙沙星和氧氟沙星,四環(huán)素類的多西環(huán)素和四環(huán)素敏感和中介;EF-Tu突變體與利福霉素類(rifamycin)的耐藥性有關(guān),對利福霉素類的利福平耐藥。
AV040株基因組中未檢測出耐藥基因,但耐藥的抗生素,包括林可酰胺類的克林霉素和林可霉素、硝基咪唑類的甲硝唑、甲氧芐啶類的甲氧芐啶、青霉素類的青霉素G和氨芐西林。
AV040株基因組中未檢測出耐藥基因,表型敏感或中介的抗生素,包括肽類的萬古霉素、多黏菌素B,大環(huán)內(nèi)酯類的紅霉素、阿奇霉素和克拉霉素,磷霉素類的磷霉素,頭孢菌素類的頭孢氨芐和頭孢噻肟,復(fù)方磺胺類的復(fù)方新諾明,酰胺醇類的氯霉素和氟苯尼考(表2)。
表2 耐藥基因和藥敏抑菌圈
比較大口黑鱸源不同維氏氣單胞菌菌株對大口黑鱸的LD50發(fā)現(xiàn),LD50從大到小依次為:AV040株(6.53×106CFU·g-1)、未命名菌株(2.6×106CFU·g-1)[12]、未命名菌株(0.2×106CFU·g-1)[1]、未命名菌株(7.94 ×105CFU·g-1)[13]、HN1903株(3.72×104CFU·g-1)[10]、GJL1株(7.2×103CFU·g-1)[5]??梢姳敬畏蛛x的維氏氣單胞菌AV040株對大口黑鱸的毒力低于以上已報(bào)道的大口黑鱸源維氏氣單胞菌菌株。
比較不同宿主來源的維氏氣單胞菌對小鼠的LD50發(fā)現(xiàn),LD50從大到小依次為:大口黑鱸源(AV040株,2.97×107CFU·g-1)、鴨源(未命名菌株,5.0×106.5CFU·g-1)[14]、人源(RY001株,1.4×106CFU·g-1)[15]、黃顙魚源[TH0426株,(7.47±2.30)×105CFU·g-1][16]??梢姳敬畏蛛x的維氏氣單胞菌AV040株對公共衛(wèi)生的威脅低于已報(bào)道的維氏氣單胞菌菌株。
致病性維氏氣單胞菌屬于條件致病菌,由特定菌毛抗原和毒素等引起宿主感染[17]。AV040基因組中發(fā)現(xiàn)Ⅳ型鞭毛、側(cè)向鞭毛、I型鞭毛、甘露糖敏感的血凝素Ⅳ型鞭毛、極性鞭毛相關(guān)基因,這些基因編碼產(chǎn)物在細(xì)菌與宿主細(xì)胞黏附中起到重要作用[18]。
AV040通過分泌系統(tǒng)分泌毒力因子(如毒素和水解酶)對宿主產(chǎn)生致病性[19]。T2SS分泌系統(tǒng)輸出水解酶和溶血素[20]。T3SS形成纖毛狀的通道連通細(xì)菌和宿主的細(xì)胞膜,使毒素可直接進(jìn)入宿主細(xì)胞內(nèi)[21]。T6SS分泌系統(tǒng)輸出蛋白質(zhì)效應(yīng)物,如G重復(fù)蛋白(VgrG)和溶血素協(xié)同調(diào)節(jié)蛋白(Hcp),作用于宿主細(xì)胞的細(xì)胞膜[22]。
AV040基因組中存在5種溶血相關(guān)毒力因子,溶血素是致病性維氏氣單胞菌重要的毒力因子,可引起細(xì)胞毒性和紅細(xì)胞裂解,導(dǎo)致宿主內(nèi)出血[5,23]。RTX蛋白增強(qiáng)維氏氣單胞菌躲避宿主免疫系統(tǒng)的能力,使其在宿主體內(nèi)生存的時(shí)間延長[24-25]。
在AV040基因組中,發(fā)現(xiàn)了3種耐藥機(jī)制,分別是抗生素失活、抗生素外排和抗生素靶點(diǎn)改變。AV040基因組中,OXA(β-內(nèi)酰胺酶基因)編碼參與滅活頭孢類抗生素的蛋白,cphA(β-內(nèi)酰胺酶基因)編碼參與滅活碳青霉烯類抗生素的蛋白[19]。adeF基因編碼參與氟喹諾酮和四環(huán)素類抗生素耐藥性的外排泵蛋白,rsmA基因編碼參與氟喹諾酮和氨基糖苷類抗生素耐藥性的外排泵蛋白,兩者均屬于RND抗生素外排泵家族。RND家族蛋白在革蘭氏陰性細(xì)菌的細(xì)胞膜上創(chuàng)建一個(gè)蛋白通道,用于運(yùn)輸細(xì)胞內(nèi)的抗生素至細(xì)胞外,使細(xì)菌產(chǎn)生抗生素耐藥性[26]。
AV040對碳青霉烯類抗生素的亞胺培南、氨基香豆素類的新生霉素和利福霉素類的利福平具有耐藥性,耐藥表型與基因型一致。AV040未表現(xiàn)出對氨基糖苷類、喹諾酮類和四環(huán)素類抗生素的耐藥性,但是耐藥基因可能會(huì)進(jìn)一步產(chǎn)生對應(yīng)抗生素的耐藥性,使頭孢類、氟喹諾酮類抗生素和四環(huán)素類抗生素對AV040的最小抑菌濃度提高[27]。
綜上所述,通過全基因組測序分析,初步掌握了大口黑鱸源維氏氣單胞菌AV040基因組的結(jié)構(gòu)、編碼基因的組成和蛋白功能的預(yù)測,以及毒力因子和耐藥基因等信息,并通過體外試驗(yàn)驗(yàn)證了部分毒力基因和耐藥基因與表型之間的關(guān)系。本研究結(jié)果為理解大口黑鱸源維氏氣單胞菌的致病性和耐藥性提供了分子水平的數(shù)據(jù)支撐。