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论文:鱼皮和肠道微生物群显示寄主物种和栖息地的对比特征

发表时间:2021/4/9 1:25:25  
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硬骨鱼类是研究动物相关微生物群形成因素的一个非常宝贵的宿主物种库。一些研究表明,鱼类肠道微生物群的系统发育结构受物种特异性(如寄主祖先、基因型或饮食)和生境特异性(如水化学参数和浮游细菌组成)因素的驱动。然而,我们对其他与宿主相关的微生物生态位(如皮肤粘液微生物组)的了解仍然有限。我们的研究目的是同时探索鱼皮粘液和肠道微生物群的系统发育结构,并比较物种和生境特异性驱动因素对两种组织中微生物群落结构的影响。我们从3个生态和系统发育对比亚马逊河硬骨鱼类物种的6个种群中采集了114种野生鱼类。在每个地点采集水样,并对10个理化参数进行了表征。皮肤粘液、肠道和水微生物群落的特征是使用针对16S rRNA的V3-V4区域的代谢编码方法。我们的结果表明,在系统发育剖面和每个微生物生态位的微生物组多样性之间存在显著差异。皮肤粘液和浮游细菌群落在组成上明显比肠道和自由生活群落更接近。物种特异性因子主要调控肠道细菌群落,而皮肤粘液微生物群主要与环境物理化学和浮游细菌群落结构有关。这些结果表明,可变的皮肤粘液群落是开发环境状况微生物生物标志物的相关目标,而更保守的肠道微生物组更适合研究进化时间尺度上的长期宿主-微生物相互作用。

在这里,我们调查了在巴西亚马逊河流域发现的三种同域寄主的细菌群落(肠道和皮肤粘液),旗鱼(Mesonauta festitus),pacus(Mylosoma duriventre)和黑色食人鱼(Serrasalmus rhombeus)。这三个物种在系统发育上是不同的;pacus和黑色食人鱼属于Serrasalmidae科,它在22.99亿年前从旗鱼科的Cichlidae属分化而来。这些物种的整体生态(行为、饮食和分布)也不同。旗鱼更为定居,生活在原木或漂浮的大型植物下面的河流边缘表面。相比之下,黑色食人鱼和pacus生活在中层,能够忍受强烈的水流。黑色食人鱼是投机取巧的食肉动物,而旗鱼是底栖动物,pacus是浮游生物。旗鱼和黑食人鱼生活在各种各样的栖息地中,因此它们的总分布面积要比pacus大。我们采用以rRNA基因16S SSU V3-V4区域为靶点的代谢编码方法,分析了在6个采样点采集的33只野生旗鱼、47只太平洋鲀、34只黑食人鱼和6个水样的肠道和皮肤粘液细菌群落。主要结果如下:


不同的系统发育结构在每个微生物生态位。

在这项调查中记录的三种微生物栖息地(皮肤粘液、肠道和环境水)在所有三个物种中显示出显著不同的微生物群落分类结构。皮肤粘液样本的α多样性高于肠道和浮游细菌样本(图1)(除了MPWS2\U 3处黑色食人鱼的皮肤粘液)。总的来说,与宿主相关的微生物群和自由生活的微生物群之间的差异表明,鱼的肠道和皮肤粘液微生物群的组成并不是其栖息地中微生物组合的简单反映,但可能是由于不同组织的选择压力不同造成的。本研究中,来自厚壁菌属的梭状芽孢杆菌是所有三种寄主肠道微生物群的重要鉴别特征。大多数梭状芽孢杆菌是专性厌氧菌,发酵植物多糖。有趣的是,黑食人鱼内脏中存在的这种物质可能暗示了该物种曾被认为是严格的食鱼性植物。以往的研究通常表明,肠道群落组成和多样性取决于营养水平;鱼类肠道微生物群落的多样性从草食动物到杂食动物趋于减少,肉食动物的多样性最低。然而,我们的结果并没有显示α多样性与鱼类饮食有关的减少(图1)。这一结果可能与以下事实有关:鱼类是在旱季取样的,这是一些亚马逊鱼类的禁食期。因此,饮食可能不是这一时期肠道微生物结构的主要驱动因素。

「论文解读」鱼皮和肠道微生物群显示寄主物种和栖息地的对比特征

图1.皮肤粘液群落的系统发育结构更接近浮游细菌而不是肠道群落。


与肠道共生菌不同的是,皮肤粘液细菌大多是多面手,它们能耐受多变的环境,并通过定殖抵抗机制在抵御机会病原体中发挥作用。通常,皮肤粘液群落由变形杆菌和其他不太丰富的门(如拟杆菌门、放线杆菌门、厚壁菌门和疣状菌门)控制。本研究中,变形杆菌是所有皮肤粘液群落中最丰富的门,并且主要由γ-变形杆菌组成(图2d-f)。在皮肤粘液组织的10个最显著的鉴别特征中,有两个分类群是在所有三种宿主物种,即Enhydrobacter spp.和Cl500-29海洋类群物种(图2j-l)上发现。气囊栖水菌是气囊栖水菌属中唯一的一种,常见于鱼类。对于三种亚马逊河鱼类,栖水菌与肠道无关,而是与皮肤粘液组织有关。Cl500-29海洋类群物种主要在各种淡水和咸水栖息地的浮游细菌样本中报道,因此它们可以耐受很大范围的水化学参数。这个属也被证明是利用不同碳化合物的多面手。目前,对气囊栖水菌和Cl500-29海洋类群物种的功能库知之甚少。然而,这些分类群在我们研究的三个寄主物种的所有皮肤粘液群落中的普遍性表明,它们在皮肤粘液上的招募是在大量的环境分类群中被积极选择的。因此,它们可能在皮肤粘液微生物群中发挥重要作用,值得进一步研究。

「论文解读」鱼皮和肠道微生物群显示寄主物种和栖息地的对比特征

图2.肠道和皮肤粘液具有独特的群落结构,如三个物种所示。


物种特异性因子和肠道微生物组。

许多研究已经证明宿主鱼类物种对肠道微生物群落的影响。我们的结果表明,肠道微生物群的系统发育结构与宿主鱼的祖先关系特别密切(皮肤粘液微生物群通常表现出显著但较弱的信号[图3])。两种锯脂鲤科寄主(S.rhombeusM.duriventre)的肠道微生物群结构彼此更为相似,而不是慈鲷科(M.festitus)肠道微生物群的分类结构,即使给予显著不同的饮食(即浮游与食鱼)。类似地,一些以非典型饮食为分支的哺乳动物,如严格的草食性大熊猫和食蚁哺乳动物,其肠道微生物群落与其近亲的肠道微生物群落更为相似,而不是其他以类似饮食为分支的哺乳动物。这种系统发育惰性突出了宿主基因型(系统发育)在限制肠道微生物群对不同饮食反应的变异范围中的作用。这种现象被称为“系统共生”,在这种现象中,近亲物种往往比进化上遥远的物种拥有更多相似的微生物群。系统共生可由多种因素驱动,包括系统发育不同的宿主物种之间的表型差异、宿主的饮食、特定细菌与其宿主的共同进化(共源性)或细菌谱系在宿主世代间的垂直传播。

「论文解读」鱼皮和肠道微生物群显示寄主物种和栖息地的对比特征

图3.寄主种类对肠道群落结构的影响比皮肤粘液群落更为重要。


生境特异性因子与皮肤粘液微生物群

生态介导的选择是物种形成的一个关键驱动因素,已经表明宿主鱼类基因型与宿主微生物组的系统发育结构相关。因此,在本研究中,生境特定因素对细菌群落结构的影响可能与以下因素有关:(i)采样点之间的选择压力不同,导致适应性差异,(ii)采样点之间的基因流水平可能较低,这可能导致宿主的遗传漂变,然后在选择下改变鱼类宿主的微生物群,或(iii)栖息地特定饮食(尤其是以沉积物为食的碎屑性鱼类,如旗鱼)。

「论文解读」鱼皮和肠道微生物群显示寄主物种和栖息地的对比特征

图4.总的来说,皮肤粘液群落比肠道群落更与生境特异性因子相关。

「论文解读」鱼皮和肠道微生物群显示寄主物种和栖息地的对比特征

图5.相互作用网络显示了皮肤群落、环境浮游细菌和水化学参数之间的高度连通性。


然而,我们记录了对生境特定因子的不同反应;皮肤粘液微生物群落比肠道群落更受“采样点”因子的影响(图4和图5)。这些差异可能与每个组织上非生物条件的稳定性有关。与皮肤粘液相比,鱼的肠道是一个高度稳定的环境,皮肤粘液经常暴露在具有可变物理化学参数的环境水中。尽管持续暴露于胃液中的酸性pH值,但肠道pH值仍保持周围中性,从而突出了下消化道中碱性分泌物缓冲pH值的高效性。因此,宿主肠道中非生物因子的稳定性促进了微生物群的专门化。相比之下,皮肤粘液所接触的环境水中理化参数的高度可变性有利于形成更具活力的皮肤粘液群落。


总的来说,我们的结果有不同的含义。首先,应利用皮肤粘液微生物群而不是肠道,来研究野生生态系统扰动的细菌生物标志物。我们的研究表明,与硬骨鱼肠道微生物相比,皮肤粘液群落高度依赖环境。因此,皮肤粘液样本将导致对鱼类样本来源的环境类型(例如扰动或原始、盐水或淡水)进行更敏感和准确的评估。其次,由于其稳定性、结构的保守性以及与鱼类日粮的联系,肠道微生物群更适合于研究系统共生的驱动因素,或在进化尺度上研究鱼类及其共生体的协同进化。


小结:

本研究是首次探索亚马逊盆地野生鱼类微生物群的系统发育结构。对微生物群落进行多尺度分析,发现不同寄主组织中微生物群落的系统发育结构有明显的区别。同时,它还强调了皮肤粘液与浮游细菌群落之间的紧密相似性和紧密的相互作用网络。我们发现,与肠道群落相比,皮肤粘液群落与环境水化学参数高度相关,因此主要依赖于生境相关因素,使它们不适合进行系统共生分析,但敏感的目标是建立环境生物标志物数据库。我们建议,未来的研究采用猎枪亚基因组或亚转录方法来评估物种和生境特异性因素是否也影响鱼类微生物的功能汇。

与宿主相关的微生物群是否主要由物种特异性或环境因素形成,目前尚不清楚。特别是,来自同一宿主的两个不同宿主组织的微生物群落对这些因素的反应程度尚不清楚。我们的研究是第一个关注硬骨鱼类微生物组学的研究之一,以阐明这一主题,因为我们研究了两种不同鱼类组织中微生物群落的系统发育结构是如何由物种和生境特定因素形成的。我们的研究表明,与硬骨鱼肠道微生物相比,皮肤粘液群落高度依赖环境。这一结果具有多种含义:(i)应使用皮肤粘液微生物组而不是肠道来研究野生生态系统扰动的细菌生物标志物;(ii)肠道微生物组更适合研究系统共生的驱动因素,或鱼类及其共生体的共同进化。

来源: 水生动物健康评估

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