噬菌体对驴肠道微生物多样性的影响.pdf
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1、 文章编号:1 6 7 4-1 4 8 X(2 0 2 3)0 3-0 1 9 4-0 7噬菌体对驴肠道微生物多样性的影响崔嘉琪1,宋鹏1,王瑞荣2,刘文华1,张灿1,邹玲1,赵付伟3,嵇传良3,任慧英1(1.青岛农业大学动物医学院,山东青岛 2 6 6 1 0 9;2.青岛农业大学实验室管理中心,山东青岛 2 6 6 1 0 9;3.东阿阿胶股份有限公司黑毛驴研究所,山东聊城 2 5 2 2 0 0)摘 要:为了探究噬菌体使用前后驴肠道微生物多样性及结构组成的变化,并借以评价噬菌体(v B-S a b S-S d s 2)的治疗效果。对8 0头驴的粪便使用沙门菌特异性引物i n v A进行聚
2、合酶链式反应(p o l y m e r a s e c h a i n r e a c t i o n,P C R)检测,选择1 3头沙门菌检测阳性驴,将1 3头阳性驴在同等条件单独隔离饲养,在饲喂噬菌体前后掏肛采集粪便,利用1 6 S r R NA高通量测序技术,对两组驴粪便在微生物多样性方面(结构和组成)存在的差异进行比较。结果表明:与噬菌体饲喂前相比,饲喂后的驴肠道菌群丰富度显著升高(P0.0 5),目标宿主肠杆菌科细菌数量显著降低,且部分益生菌相对丰度升高;含多种临床条件致病菌的假单胞菌属和梭状芽胞杆菌属细菌的相对丰度显著降低。因此,饲喂噬菌体不会对驴肠道正常菌群的多样性造成影响,而
3、且能改善驴肠道健康状况和微生态环境。关键词:驴;噬菌体;粪便微生物;1 6 S r R NA;高通量测序中图分类号:Q 9 3 9.4 8文献标识码:AD O I:1 0.3 9 6 9/J.I S S N.1 6 7 4-1 4 8 X.2 0 2 3.0 3.0 0 6收稿日期:2 0 2 2-0 1-2 4基金项目:山东省产业技术体系驴产业创新团队项目(S D A I T-2 7)作者简介:崔嘉琪(1 9 9 7),男,山东高青人,在读硕士,研究方向为噬菌体治疗。通信作者:任慧英(1 9 6 8),女,山东莱阳人,教授,博士,研究方向为噬菌体治疗。E-m a i l:r e n r e
4、n 0 2 2 8s i n a.c o mE f f e c t o f P h a g e o n M i c r o b i a l D i v e r s i t y i n D o n k e y I n t e s t i n eC U I J i a q i1,S ONG P e n g1,WANG R u i r o n g2,L I U W e n h u a1,Z HANG C a n1,Z OU L i n g1,Z HAO F u w e i3,J I C h u a n l i a n g3,R E N H u i y i n g1(1.C o l l e g e o
5、 f V e t e r i n a r y M e d i c i n e,Q i n g d a o A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,Q i n g d a o 2 6 6 1 0 9,C h i n a;2.T h e L a b o r a t o r y M a n a g e m e n t C e n t e r,Q i n g d a o A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,Q i n g d a o 2 6 6 1 0 9,C h i n a;3.B l a c k D
6、 o n k e y R e s e a r c h I n s t i t u t e,D o n ge E j i a o C o.,L t d.,L i a o c h e n g 2 5 2 2 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:P r e v i o u s s t u d i e s h a v e s h o w n t h a t a n t i b i o t i c s w i l l a f f e c t t h e m i c r o b i a l d i v e r s i t y o f d o n k e y i n t e s t
7、i n a l t r a c t,b u t t h e b a c t e r i c i d a l e f f e c t o f b a c t e r i o p h a g e i s s p e c i f i c,a n d t h e b a c t e r i o p h a g e o f p a t h o g e n i c b a c t e r i a d o e s n o t d e s t r o y t h e n o r m a l i n t e s t i n a l f l o r a.T h e p u r p o s e o f t h i
8、s s t u d y w a s t o e x p l o r e t h e c h a n g e s o f i n t e s-t i n a l f l o r a d i v e r s i t y a n d s t r u c t u r a l c o m p o s i t i o n o f d o n k e y b e f o r e a n d a f t e r p h a g e u s e,a n d t o e v a l u a t e t h e t h e r a p e u t i c e f f e c t o f p h a g e(v B-
9、S a b S-S d s 2).I n t h i s e x p e r i m e n t,t h e f e c e s o f 8 0 d o n k e y s w e r e d e t e c t e d b y P C R w i t h S a l m o n e l l a s p e c i f i c p r i m e r i n v A,a n d t h e n 1 3 d o n k e y s w i t h S a l m o n e l l a p o s i t i v e w e r e i s o l a t e d a n d r a i s e
10、 d u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s.T h e f e c e s o f 1 3 S a l m o n e l l a p o s i t i v e d o n k e y s w e r e c o l l e c t e d f r o m t h e a n u s b e f o r e f e e d i n g t h e p h a g e,a n d t h e f e c e s w e r e a l s o c o l l e c t e d f r o m t h e a n u s a f t e r f
11、 e e d i n g t h e p h a g e f o r t h r e e d a y s.T h e d i f f e r e n c e s i n m i c r o b i a l d i v e r s i t y(s t r u c t u r e a n d c o m p o s i t i o n)b e t w e e n t h e t w o g r o u p s o f d o n k e y f e c e s w e r e c o m p a r e d b y 1 6 S r R NA h i g h-t h r o u g h p u t
12、s e q u e n c i n g t e c h n o l o g y.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e i n t e s t i n a l m i c r o f l o r a r i c h n e s s o f d o n k e y f e d w i t h p h a g e w a s s i g n i f i c a n t l y h i g h e r t h a n t h a t b e f o r e p h a g e f e e d i n g(P0.0 5).A f t e r p h
13、a g e f e e d i n g,t h e n u m b e r o f E n t e r o b a c t e r i a c e a e b a c t e r i a i n t h e t a r g e t h o s t d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y,a n d t h e r e l a t i v e a b u n d a n c e o f s o m e p r o b i o t i c s i n c r e a s e d;T h e r e l a t i v e a b u n-d a n
14、c e o f P s e u d o m o n a s a n d C l o s t r i d i u m c o n t a i n i n g a v a r i e t y o f c l i n i c a l c o n d i t i o n p a t h o g e n i c b a c t e r i a a l s o d e-c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y.I n c o n c l u s i o n,p h a g e a p p l i c a t i o n w i l l n o t a f f e c
15、t t h e n o r m a l f l o r a d i v e r s i t y o f d o n k e y 青岛农业大学学报(自然科学版)4 0(3):1 9 42 0 0,2 0 2 3J o u r n a l o f Q i n g d a o A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e)i n t e s t i n e,a n d c a n e v e n i m p r o v e d o n k e y i n t e s t i n a l h e a l
16、t h a n d m i c r o e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t.K e y w o r d s:d o n k e y;p h a g e;f e c a l m i c r o o r g a n i s m;1 6 S r R NA;h i g h-t h r o u g h p u t s e q u e n c i n g 在传统的针对细菌感染的治疗中常使用抗生素,而使用抗生素治疗会杀伤肠道的正常菌群,造成肠道菌群失调。近年来,噬菌体治疗受到越来越多的关注。噬菌体具有高度的特异性,它只会对特定的细菌起作用,而对其他菌群没有杀伤
17、作用。驴的大肠是一个厌氧发酵室,细菌在这里分解纤维素,产生短链脂肪酸,这些脂肪酸可以满足驴的大部分能量需求1。正常运作的菌群对维持马属动物的健康至关重要。驴肠道菌群对疾病、药物及饲料的改变非常敏感,肠道菌群失调甚至可能引起驴死亡2-3。沙门菌可通过肠道侵袭动物机体,感染沙门菌的驴可通过排便排出沙门菌4,因此可以通过驴粪便中菌群的变化来观察驴肠道中菌群的变化。噬菌体v B-S a b S-S d s 2可以特异性裂解沙门菌及大肠杆菌K 8 8 a c、9 8 7 p和K 9 9等血清型,是一株多价噬菌体5。已有报道表明,多价噬菌体不仅可以特异性裂解病原菌,而且具有很强的维护菌群多样性的能力。随着
18、高通量测序技术的不断革新,1 6 S r R NA基因扩增子测序和宏基因组技术可以不依赖于培养技术,且以肠道菌群遗传物质为研究对象,推动了肠道菌群结构和功能基因组学研究的迅速发展6。随着I l l u m i n a H i S e q测 序 平 台 的 发 展,运 用1 6 S r R NA技术全面反应肠道菌群结构特征成为一个趋势7。为探究噬菌体饲喂前后驴肠道菌群结构的变化,本试验采用I l l u m i n a H i S e q测序平台测定噬菌体饲喂前后驴粪便微生物1 6 S r R NA V 3V 4区序列,比较分析菌群结构和多样性,以期为噬菌体v B-S a b S-S d s 2
19、应用于临床治疗提供理论依据。1 材料与方法1.1 主要试剂及仪器缓冲蛋白胨水(B PW)和四硫磺酸盐煌绿增菌液购自青岛海博生物公司;粪便基因组D NA快速提取试剂盒购自青岛浩赛科技股份有限公司。1.2 驴粪便中沙门菌的检测取1 0 g粪便添加至1 0 0 m L B PW中8,3 7 静置培养1 8 h,再取1 m L B PW培养液添加至1 0 m L四硫磺酸盐煌绿增菌液中,4 2 振荡培养2 4 h。再取1 m L四硫磺酸盐煌绿增菌液1 2 0 0 0g离心5 m i n,弃上清,使用d d H2O进行重悬,重复离心、洗涤1次,取1 m L重悬菌液煮沸1 0 m i n,冷却后作为模板,使
20、用沙门菌特异性引物i n v A进行P C R(p o l y m e r a s e c h a i n r e a c t i o n)鉴定9。上 游 引 物5 -G T GAAAT T AT C G C C A C G T-T C G G G C AA-3,下游引物5 -T C AT C G C A C C G T-C AAAG GAA C C-3,预期扩增产物大小为2 8 3 b p。反应体系:2M I X,1 2.5 L;模板,2 L;上游引物,1 L;下游引物,1 L;d d H2O,8.5 L。P C R扩增条件:9 5 预变性2 m i n,9 5 变性3 0 s,5 0 退火
21、3 0 s,7 2 延伸4 5 s;3 0个循环,7 2 总延伸7 m i n。对P C R产物进行琼脂糖凝胶电泳,同时对检测的每份粪便进行沙门菌分离。1.3 噬菌体饲喂及粪便采集噬菌体v B-S a b S-S d s 2由青岛农业大学兽医微生物与免疫学实验室保存并增殖。选取1 3头沙门菌检测阳性驴进行单独隔离饲养,饲喂噬菌体前掏肛采集粪便样本。将1 0 m L效价为2.81 09 P F U/m L的噬菌体液均匀混入精饲料中,连续饲喂3 d后再次掏肛采集粪便样本。1.4 粪便样本检测将粪便样本送至上海派森诺生物科技股份有限公司进行检测。使用粪便基因组D NA快速提取试剂盒提取粪便样本总细菌
22、D NA,然后对粪便样本1 6 S r D NA V 3V 4区进行P C R扩增。通用引物序 列:3 3 8 F,5 -A C T C C T A C G G GAG G C AG C AG-3;8 0 6 R,5 -G GA C T A CHVG G G TWT C T AAT-3。使用试剂盒构建文库,经检测合格后使用I l l u m i n a H i S e q平台进行测序。1.5 数据处理剔除低质量数据,使用D A D A 2方法进行去引物、去噪、质量过 滤、去 嵌 合 体 与 拼 接 工 作,使 用V s e a r c h方法进行功能基因分析1 0-1 1。对整体概况进行了解,
23、展示各样本间的不同物种分类学水平的具体组成,使用Q I I ME 2软件的c l a s s i f y-s k l e a r n算法和B R O C C算法对物种进行整体注释分析,使用m a f f t软件进行多序列对齐,并隐藏无系统发育信息 的 部 分,使 用F a s t T r e e软 件 构 建 系 统 发 育树1 2-1 5。使用Q I I ME 2软件将操作分类单元(o p e r a t i o n-a l t a x o n o m i c u n i t s,OTU s)代表序列与相应微生物591 3期 崔嘉琪,等:噬菌体对驴肠道微生物多样性的影响 数据库进行比对,得到
24、各样本的物种分类信息与水平注释信息,并获得基于聚类结果的多样性分析和基于注释结果的各分类水平物种组成信息。2 结果与分析2.1 驴粪便中沙门菌检测共对8 0头驴进行了粪便沙门菌检测与分离,共筛选出粪便沙门菌检测与分离都是阳性的驴1 3头(图1)。M.D L 2 0 0 0 D NA标准分子质量;+.阳性样品;1-1 5.检测样品。图1 样品的i n v A基因扩增产物F i g.1 i n v A g e n e a m p l i f i c a t i o n p r o d u c t s o f s a m p l e s2.2 粪便细菌微生物序列及多样性分析2.2.1 数据预处理统计
25、及质控前后两次的粪便样品,经过测序、拼接与过滤,共有有效序列2 7 4 3 2 6 6条,序列的平均长为4 1 7.9 2 b p,其中最小样品序列数为7 5 3 6 1条。本次检测的样本序列数及质量良好,满足后续分析要求。2.2.2 细菌微生物OTU s比较使用A S V/OTU丰度表制作韦恩图,分别统计各个集合的成员数,以研究不同的样本(组)间有哪些物种是共有的,哪些是独有的。如图2所示,饲喂噬菌体前后的两组共有7 7 7 8 3个OTU s,其中的1 2 8 9 9个OTU s为两组所共有,饲喂噬菌体之前所有样品中有2 8 9 1 0个独有的OTU s,饲喂之后则有3 5 9 7 4个独
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