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科学家构建草鱼肠道微生物基因目录,助力推动水产养殖业的绿色发展

发表时间:2024/02/06 12:19:47  来源:DeepTech深科技  浏览次数:2036  
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鱼,是春节吃食之中必不可少的一种食材。口感鲜美细嫩的草鱼,是中国人饭桌上常见的生鲜食材,也是全球养殖量最多的淡水鱼之一,为全球鱼产品供应的改善作出了重要贡献。

(来源:AI 生成)

不过,土地、饲料等生产要素的限制和病原体、寄生虫等养殖环境的压力,给正处于高效和绿色发展过程中的水产养殖,带来了持续挑战。

与此同时,农业农村部发布的第 194 号公告明令禁止将抗生素作为饲料药物添加剂,也充分表明开发替代品的急迫性。

因此,对鱼类微生物组的研究,有可能为水产养殖业当下面临的挑战提供新的解决方案。

据介绍,在生物体中,存在着大量能与其共同生存的共生微生物群,包括大量真菌、细菌和病毒等。共生微生物群在疾病、健康和免疫稳态方面的重要作用,已经在人类身上得到证实。

同样地,在对鱼类进行研究的过程中,相关领域的科学家也发现,共生微生物群在宿主的新陈代谢和免疫中扮演着重要角色。

例如,通过对鲑科鱼类和相关支原体物种的宏基因组进行研究,他们揭示了微生物对于鲑科鱼宿主的特定功能,包括必需氨基酸的生物合成和 B 组维生素的代谢。

即便如此,作为养殖动物的鱼类的宏基因组研究,依然远远落后于畜禽,就连经济鱼类的微生物基因目录也尚未构建。

基于此,近期,来自中国农业科学院饲料研究所的研究团队,对草鱼肠道微生物群的结构和功能特征进行了研究。

由于饮食是影响肠道菌群结构和功能的关键因素,而水产养殖饲料主要分为三类,分别是肉食性(动物蛋白为主)、杂食性(动物蛋白和植物蛋白相对平衡)和草食性(植物蛋白为主)饲料,因此该课题组分别基于肉食性、杂食性和草食性饮食的草鱼,进行了微生物群宏基因组测序。

他们在建立基因目录的同时,也通过多组学方法评估了关键微生物类群在宿主相互作用方面的功能意义。

图丨草鱼肠道微生物组基因目录的建立与分析(来源:Microbiome)

近日,相关论文以《通过多组学方法解读草鱼肠道微生物组》()为题在 Microbiome 上发表[1]。

图丨相关论文(来源:Microbiome)

中国农业科学院饲料研究所博士研究生黎明为该论文的第一作者,中国农业科学院饲料研究所研究员和研究员担任该论文的共同通讯作者。

从结果来看,课题组成员通过宏基因组测序一共获得 476855093 个有效读段,经过质量控制和去宿主处理后,共组装了 2099912 个拼接片段,并鉴定出 575856 个非冗余基因。

从门水平上看,超过 50% 的注释基因属于变形菌门,其次是拟杆菌门、厚壁菌门和梭杆菌门。

分类学和功能注释结果表明,与哺乳动物相比,鱼类的肠道微生物功能存在偏差,营养代谢的遗传能力较低,但微生物间相互作用的遗传能力较高。

接着,该团队通过共现网络分析发现,变形菌门和梭杆菌门、厚壁菌门或拟杆菌门之间存在相互排斥的模式,这说明属于变形菌门的核心属与属于后三者的核心属之间存在相互排斥的关系,证明草鱼肠道微生物群存在两个独立的生态群。

随后,为了探究草鱼肠道菌群的功能特征,研究人员还对肠道菌群和宿主基因模块进行了相关性分析,发现上述两个生态群可以被认为是两个功能群,即功能群 1(变形菌门)和功能群 2(梭杆菌/厚壁菌/拟杆菌门),而且它们与宿主的营养代谢和免疫相关。

另外,他们还发现,功能群 1 和功能群 2 在多个方面都存在差异,包括毒力因子、碳水化合物利用,以及抗生素耐药性的遗传能力等。

具体来说,功能群 2 富集了编码阿拉伯木聚糖、果胶、黏蛋白、菊粉和纤维素酶的碳水化合物活性酶基因,但功能群 1 仅富集了与淀粉相关的碳水化合物活性酶基因家族。并且,相较于功能群 2,功能群 1 能够编码更多的毒力因子基因。

此外,该团队还通过实验证明,“功能 2/功能 1”的比值可以作为有效评估草鱼肠道微生物群落结构和功能特征的参数。

总的来说,该研究展示了与构成鱼类微生物群的功能影响有关的深入见解,并揭示了调节微生物群的目标,有助于推动针对肠道微生物群的水产养殖的绿色开发。

参考资料:

1. Li, M., Liang, H., Yang, H. et al. Deciphering the gut microbiome of grass carp through multi-omics approach. Microbiome 12, 2 (2024). https://doi.org/10.1186/s40168-023-01715-7

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