科研 | SR：通过粪便样本研究五种实验动物的肠道菌群(国人作品)

编译：小白同学，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

五种实验动物为雪貂、狨猴、土拨鼠、小型猪和树鼩，它们已广泛用于生物医学研究，但其肠道菌群尚未得到充分关注。本研究对这五种实验动物的肠道菌群进行了16S rRNA测序分析，所有物种的肠道菌群中均有厚壁菌门、拟杆菌门和梭杆菌门，也有一些特定的微生物门类仅存在于某种动物粪便中，如雪貂中的变形杆菌等。总体上，肠道菌群的物种分布反映了其宿主动物的系统发育进化关系：狨猴和树鼩与人类最为接近。PICRUSt功能预测的结果显示，土拨鼠与其他物种间差异较大，这可能是由于土拨鼠的食草性造成的。综上所述，进化关系和饮食结构都会影响这些实验动物的肠道菌群，在生物医学研究中不能忽视这些差异。

论文ID

原名：A glance at the gut microbiota of five experimental animal species through fecal samples

译名：通过粪便样本研究五种实验动物的肠道菌群

期刊：Scientific Reports

IF：4

发表时间：2020.10

通讯作者：秦川&向志光

通讯作者单位：中国医学科学院医学实验动物研究所

实验设计

粪便样品分别取自健康的雪貂、狨猴、土拨鼠、小型猪和树鼩，实验动物均以含有复合矿物质和维生素的商用饲料喂养。雪貂的饲料配方为：新鲜鸡肉，秘鲁鱼粉，鸡粉，玉米，面粉，豆粉和复合微生物；狨猴和树鼩的饲料配方为：甜菜浆、鱼粉、鸡粕、玉米和动物脂肪；猪饲料为玉米，面粉，豆粕，和麸皮；土拨鼠的饲料配方包含：苜蓿粉，玉米，面粉，豆粕和酵母粉。2018年6月，用无菌棒和15 mL离心管收集新鲜动物粪便0.5 g，每种动物取10只，每只动物取1份粪便样本供后续分析。人的粪便样本取自北京地区151名健康成人志愿者，无菌容器中的样品保存于−80℃冰箱中直至提取DNA。提取DNA后对16s V4区进行PCR扩增，所得 PCR产物经胶回收试剂盒纯化后用于建库并进行上机测序（Ion S5 XL平台，单端测序）。下机数据经过滤、去嵌合体等质控环节后，聚类为OTU并进行物种注释。所得OTU表用于计算α、β多样性，进行LEfSe 分析，PICRUSt功能预测，主成分分析等下游数据处理和作图以探讨不同样品之间的微生物学差异。

结果

1 人与五种动物肠道菌群间的比较

图1为人和五种动物中肠道菌群的多样性分析，人粪便中的细菌物种显著不同于实验动物：小型猪肠道菌群中的细菌种类比人的肠道菌群中要多，而其他几种动物的肠道菌群中细菌种类则少于人。人和实验动物肠道菌群间的Shannon指数存在显著差异（图1b），而人类肠道菌群的β多样性高于这五种动物（图1c）。通过降维分析也可以可视化人体微生物群落与其他动物间的显著差异（图1d）。图2为人类和五种动物样本中丰度较高的前20个属，其中以人类样本（主要含有厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门）作为对照来分析五种动物样本中的主导菌群和特异性微生物。

图1 人和五种动物中肠道菌群的多样性分析。

图2 人类和五种动物样本中丰度较高的前20个属，其中红色为人和实验动物共有的属，星号表示该属在人和动物样本间存在显著差异。

雪貂样本中，厚壁菌门所占比例与人类样本很相似（分别为63.37%和62.19%）；放线菌、拟杆菌、疣微菌门显著少于人类样本；变形菌门和梭杆菌门显著多于人类样本。LEfSe的线性判别分析LDA显示，雪貂样本中的拟杆菌、双歧杆菌等少于人类样本，但梭菌属、支原体等多于人类样本。绒猴样本中的厚壁菌门显著少于人类样本而放线菌门多于人类样本，在属水平上双歧杆菌、梭菌属、肠球菌等多于人类样本。小型猪样本中，厚壁菌门、放线菌和变形菌门均显著少于人类样本，但拟杆菌多于人类样本；在属水平上，双歧杆菌、拟杆菌等较少，而乳杆菌等较多。土拨鼠样本中，相比于人类样本，厚壁菌和放线菌门较少，而拟杆菌较多；在属水平上，双歧杆菌等较少而弯曲杆菌较多。树鼩样本中厚壁菌门少于人类样本而拟杆菌门和梭杆菌门多于人类样本，在属水平上，双歧杆菌等较少，而拟杆菌等较多。

2 肠道微生物聚类反映了宿主的系统进化关系

利用UPGMA对所有样本的OTUs进行聚类分析，大多数来自同一宿主的样本都聚在了一起（图3a），与实验动物间亲缘关系（图3b）很相似。为验证人类与绒猴、树鼩间亲缘关系更接近的假设，找出了拟杆菌等几个属是三者中都有的微生物（图4），肠道菌群或与宿主存在共同分化的效应。饮食对实验动物的肠道菌群也有一定影响，通过对PICRUSt功能预测的结果进行主成分分析（图5）发现，实验动物中唯一的食草动物土拔鼠与人类、雪貂、树鼩和小型猪的样本被明显区分开来。

图3 样本中微生物群落的聚类情况（a）与实验动物间亲缘关系（b）相似。

图4 宿主系统发育相关的微生物属。

图5 PICRUSt功能预测所得结果的主成分分析。

讨论

在比较医学研究中，更好地理解人和动物模型之间的相似性和差异性，可以更有效地转化从动物实验中获得的信息。小鼠和大鼠的进化历史、遗传背景和解剖结构已经得到广泛研究并与人类进行了系统性的比较。也有研究通过分析小鼠和大鼠的肠道菌群，探讨微生物群落与宿主健康之间的关系。肠道菌群对宿主健康的重要性已经成为共识。本研究对五种实验动物的肠道菌群进行16S rRNA测序分析，发现不同宿主动物之间的主要菌群有所不同（图2、图4）。Collinsella主要存在于人类、狨猴和树鼩的肠道菌群中，而在雪貂、小型猪和土拨鼠的肠道菌群中较少。虽然拟杆菌属存在于所有六种宿主的肠道菌群中，但它在人类、狨猴和树鼩中更为丰富。从进化的角度来看，绒猴属于灵长类动物，是人类近亲（图3b），而树鼩是灵长类动物的近亲。Collinsella和拟杆菌属等更倾向于在亲缘关系相近的一些宿主动物中生活。

生态环境的变化会对宿主动物中的微生物群落组成造成影响。狨猴起源于南美大陆，与本研究中作为参考样本的中国志愿者相距甚远。树鼩是智人的另一个远亲，位于亚洲南部。绒猴和树鼩既不是家畜也不是宠物，和人类处于不同的生态环境之中。然而相对其他几种实验动物，人类的肠道菌群和狨猴、树鼩之间较为接近（图3），说明宿主动物间的亲缘关系对其中微生物群落的影响作用更大，亲缘关系相近的宿主动物中的菌群更为相似。肠道菌群或与宿主存在共同分化的生态过程，菌群的变化与宿主基因型相互关联。例如在近期的一项研究中，同一农场里285头家猪的肠道菌群与宿主猪的基因组存在相关性。

饮食也会对宿主动物中的微生物群落多样性造成影响，杂食性宿主动物比肉食性动物肠道中的微生物群落具有更高的多样性。本研究中，小型猪的饲料配方与其他动物相似，但在其粪便样本中检测到的细菌种类多于其他实验动物。此外，样本中还发现有其他杂食猪群中的一些关键微生物。该小型猪是从商业养殖猪中培育出来的，其杂食饲养历史也在小型猪的肠道菌群中有所体现。食草动物土拔鼠与人类、雪貂、树鼩和小型猪的微生物功能区系被明显区分开来（图5），这些数据一定程度上证明了饮食结构对宿主动物肠道微生物的显著影响。

菌群分析过程中也发现了条件致病菌的踪迹，尽管实验动物的健康状况良好。支原体属在10个样本中的3个雌性雪貂中被检测到，尽管相应的冷冻样本中支原体培养结果为阴性。实验动物的生物学特性在医学研究中极其重要，而肠道菌群一直被视为其不可忽视的重要组成部分。系统进化关系和饮食结构都可能影响肠道菌群，这些实验动物样本中的菌群信息或有助于未来在医学研究中进行相关应用。

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