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为探究氨基酸(AA)谱、肠道微生物群和耐药组的动态关系,研究发现 AA 谱可影响二者,为调控提供新视角。
在动物养殖领域,抗生素曾长期被添加到饲料中,自 20 世纪 50 年代起,这种做法广泛应用,到 2010 年,家畜对抗生素的使用占全球总消费量的 70% 以上。然而,抗生素的滥用带来了诸多问题,不仅导致动物产品中出现抗生素残留,还使得耐药微生物和抗生素抗性基因(ARGs)不断涌现,严重威胁食品安全和环境安全。而且,家畜胃肠道被证实是耐药微生物和 ARGs 的主要储存库。与此同时,研究发现肠道微生物群存在昼夜振荡现象,其与肥胖、2 型糖尿病等疾病相关,ARGs 的丰度又与微生物的数量和群落组成密切相关。此外,氨基酸(Amino acids,AAs)作为肠道微生物及其宿主不可或缺的营养物质,其与肠道微生物群、ARGs 之间的动态关系却尚未明确。
在这样的背景下,南京农业大学和南京金陵医院等机构的研究人员开展了相关研究,其成果发表在《Animal Microbiome》上。该研究对于深入理解肠道生态系统、保障动物和人类健康具有重要意义,有望为控制抗生素抗性基因传播提供新的策略。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先,选取 8 头平均体重 57.03 ± 1.78 kg 的杜洛克 × 长白 × 大白杂交育肥猪,在其近端结肠安装医用聚乙烯 T 型插管,待猪恢复正常后,连续 24 小时每隔 3 小时收集结肠食糜样本。然后,对样本进行 DNA 提取,利用宏基因组测序及相关数据分析微生物群落组成、ARGs 和移动遗传元件(Mobile genetic elements,MGEs) 。同时,采用液相色谱 - 质谱(LC-MS)代谢组学和靶向代谢组学技术分析 AAs。最后,运用 JTK_circle 分析、聚类分析、扩展局部相似性分析(eLSA)和偏最小二乘结构方程模型(PLS-SEM)等统计方法对数据进行处理和分析。
研究结果如下:
- 结肠微生物群的动态波动:通过宏基因组测序分析发现,细菌和真核生物的相对丰度在 24 小时内均有显著波动。细菌在黑暗阶段的丰度高于光照阶段,而真核生物则相反。在门水平上,厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)等主要门类的相对丰度波动明显。在属和种水平上,多个属和种的微生物相对丰度呈现显著振荡,如乳杆菌属(Lactobacillus)、普雷沃氏菌属(Prevotella)等。聚类分析显示,不同类群的细菌在一天中的不同时间达到丰度峰值,例如超过 50% 的毛螺菌科(Lachnospiraceae)物种在 T12 达到峰值,在 T21 出现低谷;超过 50% 的瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、梭菌科(Clostridiaceae)和真杆菌科(Eubacteriaceae)物种在 T15 - T21 达到峰值123。
- 结肠食糜中 AA 谱的动态波动:非靶向代谢组学表明食糜中的代谢物(包括 AAs、糖类和脂肪酸)存在昼夜节律波动。靶向代谢组学进一步确定 AA 谱在一天内波动明显,除 L - 高丝氨酸外,其余 35 种已鉴定的 AAs 及其衍生物均呈现显著波动。如瓜氨酸(citrulline)和 L - 甲硫氨酸(L-methionine)的波动最为显著。不同类型的 AAs 在不同时间达到峰值,支链氨基酸 L - 缬氨酸(L-valine)、L - 亮氨酸(L-leucine)和 L - 异亮氨酸(L-isoleucine)在 T06 - T12 达到峰值,芳香族氨基酸 L - 色氨酸(L-tryptophan)、L - 酪氨酸(L-tyrosine)和 L - 苯丙氨酸(L-phenylalanine)在 T12 - T18 达到峰值456。
- AAs 动态影响肠道微生物和耐药组的波动:基于 eLSA 建立的动态关联模型显示,大多数 AAs 与普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)物种呈正相关,与乳杆菌科(Lactobacillaceae)和毛螺菌科物种呈负相关。例如瓜氨酸、4 - 羟基脯氨酸和 L - 丙氨酸与普雷沃氏菌(Prevotella copri)正相关,而 L - 甲硫氨酸等与罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)负相关。在 MGEs 方面,AA 谱与 Tn916 和 istA 组呈负相关,与质粒呈正相关。在 ARGs 方面,AAs 与多种 ARGs 密切相关,如瓜氨酸与 tet32 正相关,与 tetM 负相关。PLS-SEM 分析表明,AA 谱直接影响微生物的 α- 多样性、β- 多样性和 MGEs,间接通过影响 MGEs 和微生物 β- 多样性来影响 ARGs789。
研究结论与讨论部分指出,该研究揭示了 AAs、肠道微生物群和耐药组之间的动态相互作用。饮食中 AA 的组成可能通过影响肠道微生物群和 MGEs,进而影响 ARGs 的丰度。这一发现为缓解抗生素耐药性的传播提供了新的思路,即可以通过调整家畜的饮食 AA 组成来减少 ARGs 的传播。然而,目前对于 AAs 影响这些过程的具体机制还需要进一步研究,以便开发出更有效的干预措施。总体而言,该研究为肠道微生物群和耐药组的调控提供了重要的理论依据,对保障动物健康和公共卫生具有重要意义。
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