不同种群罗氏沼虾幼体的肠道菌群结构与功能特征分析.pdf
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1、D O I:1 0.1 6 3 7 8/j.c n k i.1 0 0 3-1 1 1 1.2 1 0 6 8第4 2卷第4期2 0 2 3年7月水产科学F I S HE R I E S S C I E N C EV o l.4 2N o.4J u l.2 0 2 3不同种群罗氏沼虾幼体的肠道菌群结构与功能特征分析施金谷1,2,武 霞1,3,黄光华1,杨慧赞1,梁 怡2,吕 敏1,曾 兰1,胡大胜2,黄立斌1,王 瑞1(1.广西水产科学研究院,广西水产遗传育种与健康养殖重点实验室,广西 南宁5 3 0 0 2 1;2.广西水产技术推广站,广西 南宁5 3 0 0 2 2;3.广西师范大学 生命
2、科学学院,广西 桂林5 4 1 0 0 6)摘 要:相同养殖条件下,养殖5个种群的罗氏沼虾,选取同批次孵化2 0d的罗氏沼虾幼体,采用1 6 Sr R NA高通量测序技术对罗氏沼虾缅甸种群、斯里兰卡种群、越南种群、孟加拉种群和自有品种1种群幼虾的肠道菌群进行分析。结果显示,罗氏沼虾缅甸种群、斯里兰卡种群、越南种群、孟加拉种群和自有品种1种群幼虾5个组共有的运算分类单元为2 5 6个,每组特有的运算分类单元分别为1 3 1、2 4 7、2 3 1、1 4 4、1 8 4个。孟加拉种群幼虾的肠道菌群物种丰富度最高,越南种群幼虾的肠道菌群物种多样性最高。5个组的优势菌群在门、科水平上都相似,都为变形
3、菌门、拟杆菌门和厚壁菌门,但其丰度及其他菌群的组成存在差异,斯里兰卡种群肠道菌群中厚壁菌门的丰度大于拟杆菌门,与其他4组菌群不同。5个组的菌群功能也存在共性,主要集中于新陈代谢中的碳水化合物代谢、氨基酸代谢、维生素代谢等方面。试验结果表明,罗氏沼虾不同种群幼体的肠道菌群在结构组成、丰度、代谢功能等方面存在一定的共性。本研究结果可为进一步研究不同种群罗氏沼虾的生长发育机制打下基础。关键词:1 6 Sr R NA;罗氏沼虾;肠道菌群;菌群功能中图分类号:S 9 1 7.1文献标识码:A文章编号:1 0 0 3-1 1 1 1(2 0 2 3)0 4-0 6 7 4-0 8收稿日期:2 0 2 1-
4、0 4-2 5;修回日期:2 0 2 2-0 1-2 1.基金项目:广西重点研发项目(桂科A B 1 8 5 0 0 1 6,桂科A B 1 9 2 4 5 0 3 3);广西科技重大专项(桂科AA 1 7 2 0 4 0 9 5-5).作者简介:施金谷(1 9 8 6),女,硕 士 研 究 生;研 究 方 向:水 产 养 殖 病 害 防 治.E-m a i l:3 5 8 4 7 8 9 4 3q q.c o m.通 信 作 者:王 瑞(1 9 8 4),男,副研究员,博士研究生;研究方向:水产遗传育种和健康养殖.E-m a i l:r a y w o n g x x 1 6 3.c o m
5、.罗氏沼虾(M a c r o b r a c h i u mr o s e n b e r g i i),又称金钱虾、马来大虾或长脚大虾,属节肢动物门甲壳纲十足目长臂虾科沼虾属1,是世界上个体最大的淡水虾。罗氏沼虾肉质鲜嫩,具有食性杂、养殖周期短、生长快、病害少等特点,是一种优良的淡水养殖品种。近年来,罗氏沼虾养殖业发展迅猛,但在养殖过程中,溶解氧、温度、饲料等均可影响罗氏沼虾的免疫机能2-3,免疫机能的下降会引起虾的疾病和死亡,从而影响上市虾的产量和规格,影响养殖户的收益。研究表明,在基础饲料中添加益生菌能显著增强肠道免疫机能4-6以及肠道内优势菌群的生长7-8,提升机体的抗病能力2,9-
6、1 0。肠道菌群失调会引起全身性的炎症,健康的肠道菌群由固定的菌群组成1 1-1 2。所以,肠道菌群的结构和丰度影响着宿主的生长与健康。肠道微生物群是生活在动物肠道部位的生物集合,细菌是肠道中的主要定殖者,其他为真菌、古生菌、原生动物、真核寄生生物以及病毒等1 3。在长期的进化中,肠道微生物除了可以引起疾病的暴发,还可以与宿主互利共生,对宿主的营养代谢、吸收和生长等产生重要影响1 4。肠道微生物群结构的分析研究方法主要有传统纯培养法、E R I C-P C R分子杂交技术、基于1 6 Sr R NA的分子技术、荧光原位杂交技术以及宏基因组学研究方法等1 5。近几年,1 6 Sr R NA高通量
7、测序是分析肠道微生物的主要技术,可以准确定位到分类学属水平。韩娜等1 6研究出一种新的定量1 6 Sr R NA基因扩增子测序方法,采用随机标签和内参法相结合,能降低试验因素的影响,有效提高肠道微生物群结构检测的精准性。1 6 Sr R NA测序技术已应用到畜牧学1 7-1 9、医学2 0-2 1、农学2 2和水产学2 3-2 5等多种学科专业。基于1 6 Sr R NA技术,邓祥宜等2 6研究了克氏原螯虾(P r o c a m b a r u s c l a r k i a)的肠道菌群多样性,表明核心菌群在消化利用肠道中的蛋白质上起重要作用。目前,国 内 学 者 主 要 研 究 报 道 了
8、 凡 纳 滨 对 虾(L i t o p e n a e u s v a n n a m e i)2 7-2 8、克氏原螯虾1 3,2 9、日本囊对虾(M a r s u p e n a e u sj a p o n i c u s)3 0等虾类的肠道菌群结构与特征,而关于罗氏沼虾的肠道菌群研究报道较少,主要集中在饲料中添加微生态制剂2、发酵豆粕3 1等对罗氏沼虾肠道菌群的影响及不同养殖条件对罗氏沼虾肠道菌群的影响3 2方面。笔者利用1 6 Sr R NA高通量测序技术,探究罗氏沼虾的肠道菌群结构与功能,分析不同种群罗氏沼虾幼体间的肠道菌群差异,以丰富和扩展罗氏沼虾肠道菌群的基础研究。1 材料
9、与方法1.1 试验材料选用缅甸种群、斯里兰卡种群、越南种群、孟加拉种群和自有品种1种群等5个不同种群的罗氏沼虾幼体,试验材料采自广西南宁国家级罗氏沼虾良种场。育苗用水为浓缩海水加入淡水配制,盐度1 01 2,水温2 82 9,p H7.58.0,溶解氧质量浓度5m g/L。早晚各投喂卤虫(A r t e m i a)无节幼体1次,中间投喂蒸蛋微粒2次。所有样品为同一批孵化且孵化2 0d的幼虾。1.2 研究方法1.2.1 样本采集从育苗车间采集孵化2 0d的5个不同种群的罗氏沼虾幼体,每个种群的幼体样本各2份,每份含罗氏沼虾幼体约3g。样品采集后用无菌水冲洗5次,使用1 5m L离心管存放,-8
10、 0保存备用。1.2.2 细菌的1 6 Sr R NA基因V 3V 4区测序于-8 0取出罗氏沼虾幼体样品,冰上融化后,按照H i P u r eS t o o lD NAK i t说明书方法提取肠道微 生 物 的 总D NA。采 用P C R扩 增 细 菌1 6 Sr R NAV 3和V 4区,扩增引物为3 4 1 F(C C T A C G GGNG G CWG C AG)和8 0 6 R(G GA C T A CHVG G G TAT C T AAT)。反 应 体 系(5 0L)为:1 0B u f f e rKO D5L、2 mm o l/Ld NT P s5L、2 5 mm o l/
11、LM g S O43L、正向引物(1 0m o l/L)和反向引物(1 0m o l/L)各1.5L、KO D聚合酶1L、模板D NA1 0 0n g、超纯水补至5 0L。P C R扩增程序为:9 4预变性2m i n,9 8 变性1 0s,6 2 退火3 0s,6 8延伸3 0s,3 0个循环;6 8终延伸5m i n。P C R产物经2%琼脂糖凝胶电泳检测后,使用A x y P r e pD NA凝胶回收试剂盒按照说明书方法进行回收,采用A B IS t e p O n e P l u s实时P C R系统进行定 量后在I l l u m i n a平 台 进 行P E 2 5 0测序,测
12、序工 作 由 广 州 基 迪 奥 生 物 科 技 有 限 公 司完成。1.2.3 生物信息学分析对罗氏沼虾幼体肠道菌群1 6 Sr R NA高通量测序数据进行生物信息学分析,主要分析步骤包括:(1)原始测序序列的拼接和质控:使用F A S T P软件过滤低质量R e a d s,然后利用F L A S H将双端R e a d s拼接为T a g s,再过滤低质量的T a g s,最后使用U s e-a r c h软件的U P A R S E算法对运算分类单元进行聚类分析,相似度大于9 7%的序列聚为一类,计算每个运算分类单元在各个样品中的T a g s绝对丰度和相 对 信 息。(2)采 用R
13、D P C l a s s i f i e r的N a v eB a y e s i a na s s i g n m e n t算 法,与G r e e n G e n e数 据 库(设定置信度的阈值为0.81.0)对代表性运算分类单元进行物种注释;计算A l p h a多样性;在生物学分类的门水平和科水平进行细微生物群落结构和相对丰度分析,绘制群落C i r c r o图和堆叠图,根据物种、样本间丰度相似性进行聚类,分析样本细微生物群落门、科水平组成的相似情况以及主要差异。(3)根据运算分类单元的物种注释和丰度信息,使用P I C RU S t软件进行微生物群K E G G通路功能注释。(
14、4)使用S P S S2 6.0、WP S软件进行相关数据图形化处理。2 结 果2.1 运算分类单元分析肠道菌群通过1 6 Sr R NA高通量测序及处理,5组样品共获得有效序列9 6 64 2 3条,按9 7%的相似度共划分出8 1 8 5个运算分类单元。缅甸种群、斯里兰卡种群、越南种群、孟加拉种群和自有品种1种群罗氏沼虾组共有的运算分类单元为2 5 6个,每组独有的运算分类单元分别为1 3 1、2 4 7、2 3 1、1 4 4、1 8 4个(图1)。样本运算分类单元数量依次为越南种群孟加拉种群缅甸种群斯里兰卡种群自有品种1种群(图2),这说明5个种群的罗氏沼虾样品均含有较丰富的菌群种类,
15、且核心菌群较相似。2.2 A l p h a多样性分析5组罗氏沼虾幼体肠道菌群的A l p h a多样性指数见表1。组间平均覆盖率为9 9.6 7%9 9.7 2%,表明试验所测数据能够真实反映样品中菌群的组成,测序深度已经基本覆盖到样本中所有的物种,存在新物种的可能性很小。孟加拉种的C h a o指数和A c e指数均高于其他4组,表明孟加拉种群幼虾的肠道菌群物种丰富度最高。各组样品的香农指数依次为越南种群斯里兰卡种群缅甸种群孟加拉种群自有品种1种群,表明罗氏沼虾越南种576第4期施金谷等:不同种群罗氏沼虾幼体的肠道菌群结构与功能特征分析 图1 运算分类单元韦恩图F i g.1 V e e
16、nd i a g r a m s o fO T U s 图2 各组运算分类单元数量F i g.2 C o l u m nd i a g r a mo fO T U s i nd i f f e r e n t g r o u p s表1 各组样品的A l p h a多样性指数 T a b.1 A l p h a-d i v e r s i t y i n d e xo f t h e s a m p l e s i nd i f f e r e n t g r o u p s组别G r o u p香农指数S h a n n o n i n d e x辛普森指数S i m p s o n i n
17、 d e xC h a o指数C h a o i n d e xA c e指数A c e i n d e x覆盖率/%G o o d sc o v e r a g e缅甸种群B u r m e s ep o p u l a t i o n4.6 7 40.8 7 41 1 5 8.3 8 21 2 1 8.9 4 09 9.6 7斯里兰卡种群S r iL a n k a np o p u l a t i o n4.9 5 10.9 3 21 0 8 2.3 2 41 1 1 0.8 4 99 9.7 2越南种群V i e t n a m e s ep o p u l a t i o n5.3
18、0 30.8 8 01 2 0 0.6 6 61 2 1 8.2 3 39 9.6 8孟加拉种群B e n g a l i p o p u l a t i o n4.4 6 40.8 4 01 2 4 1.6 8 91 2 4 9.6 1 09 9.6 7自有品种1种群Ow nv a r i e t y1p o p u l a t i o n2.9 8 30.6 1 11 0 1 4.0 4 41 0 6 9.0 1 59 9.7 1群幼虾的肠道菌群多样性最高,与运算分类单元的检测结果相符。各组样品的辛普森指数依次为斯里兰卡种群越南种群缅甸种群孟加拉种群自有品种1种群,表明罗氏沼虾斯里兰卡种群
19、幼虾的肠道菌群种数最多,且各种个体分配更均匀,物种多样性程度高。2.3 肠道菌群整体结构分析2.3.1 肠道菌群在门水平上的结构分析在生物分类学门水平上,5组样品的肠道菌群共注释到1 3个门,平均相对丰度大于1%的门有5个,分别为变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、蓝藻菌门和浮霉菌门。缅甸种群、越南种群、孟加拉种群和自有品种1种群的平均相对丰度排名前3的菌门一致,由大到小依次为变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门,只有细菌丰度比例存在一定的差异:缅甸种群为6 4.4 3%、3 2.8 9%和1.9 4%;越南种群为7 7.3 4%、1 8.6 4%和1.8 0%;孟加拉种群为6 8.1 5%、2 8.5 6
20、%和1.7 6%;自有品种1种群的为8 4.7 3%、1 2.6 5%和0.6 6%。这4个组的绝对优势菌门均为变形菌门和拟杆菌门。而斯里兰卡种群中厚壁菌门的丰度相对较高,其优势菌门依次为变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门,占比分别为8 5.3 2%、7.9 7%和4.4 6%(图3)。2.3.2 肠道菌群在科水平上的结构分析在生物分类学科水平上,罗氏沼虾不同种群幼虾的肠道菌群结构分析见图4。各组样品检测到的绝对优势菌科均为肠杆菌科,其他优势菌科(相对丰度大于1%且排名前4)在各组样品的分布具有明显差异。缅甸 种 群 以 肠 杆 菌 科(5 1.0 5%)、螺 旋 体 科(2 3.7 7%)、黄杆菌
21、科(1 0.4 2%)和S t a p p i a c e a e(7.3 8%)为优势菌科;斯里兰卡种群以肠杆菌科(6 0.0 7%)、弧菌科(2 1.5 3%)、烟杆菌科(9 7.2 3%)和希瓦氏菌科(4.9%)为优势菌科;越南种群以肠杆菌科(4 8.3 1%)、黄 杆 菌 科(1 5.4 9%)、弧 菌 科(1 0.5%)和C e l l v i b r i o n a c e a e(7.4 1%)为优势菌科;孟加拉种群以肠杆菌 科(5 9.3 7%)、黄 杆 菌 科(2 6%)、螺 旋 体 科(4.1 1%)和希瓦氏菌科(3.6 8%)为优势菌科;自有品种1种群以肠杆菌科(8 1.
22、3 1%)、黄杆菌科(6.0 1%)、S t a p p i a c e a e(4.1 6%)和螺旋体科(3.8%)为优势菌科。676水 产 科 学第4 2卷图3 各组样品门水平上的菌群群落C i r c o s图F i g.3 C i r c r od i a g r a mo fm i c r o b i a l c o mm u n i t yo np h y l u ml e v e l i nd i f f e r e n t g r o u p s图4 各组样品科水平上的菌群群落结构及相对丰度F i g.4 T h ec o mm u n i t ys t r u c t u r
23、 ea n dr e l a t i v ea b u n d a n c eo nf a m i l y l e v e l i nd i f f e r e n t g r o u p s2.4 细菌群落功能预测P I C RU S t分析表明,罗氏沼虾肠道菌群所预测到的功能基因可注释到K E G G数据库中6条1级通路以及3 3条2级通路(平均相对丰度1%)。1级通路结果表明,基因主要富集在新陈代谢、遗传信息处理、细胞进程、环境信息处理、生物系统、人类疾病通路中。在5个组中,新陈代谢类通路富集的功能基因均占所有通路富集到的功能基因的约8 0%(图5),表明罗氏沼虾幼虾肠道菌群的主要功能是
24、参与肠道内各种物质的消化与代谢。2级通路结果表明,基因主要富集在新陈代谢通路中的碳水化合物代谢、氨基酸代谢、维生素代谢、萜类和聚酮类化合物代谢、其他氨基酸代谢、脂质代谢、外源生物降解和代谢、能量代谢和糖基生物合成与代谢等,遗传信息处理类通路中的复制与修复、折叠、分类和降解,细胞进程类通路中的细胞运动,以及环境信息处理类通路中的膜转运。776第4期施金谷等:不同种群罗氏沼虾幼体的肠道菌群结构与功能特征分析图5 各组样品1级通路功能占比F i g.5 F u n c t i o n a l p r o p o r t i o no fp r i m a r yp a t h w a y i nd
25、i f f e r e n t g r o u p s3 讨 论3.1 罗氏沼虾幼体肠道菌群结构特征分析罗氏沼虾幼体的肠道非常细小,不易分离取出,研究表明,肠道菌群约占个体全部菌群的7 8%8 0%3 3-3 4,而外部使用消毒杀菌的溶剂冲洗,可以成功冲洗掉附着于幼体外表面的细菌3 5-3 6;医学试验证明,无菌水的冲洗同样可以有效清除幼体表面附着的微生物3 7-3 9,故笔者通过使用无菌水的多次冲洗和漂洗,去除罗氏沼虾幼体表面的微生物,提高试验的准确性,以提取到的罗氏沼虾幼体总菌群D NA来代替肠道菌群。水生生物的优势菌群多以变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门等为主2 7-3 0。通过1 6 Sr
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