文獻(xiàn)解讀：蜜蜂遺傳學(xué)在社會(huì)傳播中塑造腸道微生物群的菌株結(jié)構(gòu)

 

文章標(biāo)題：Honey bee genetics shape the strain-level structure of gut microbiota in social transmission
發(fā)表期刊：Microbiome
發(fā)表時(shí)間：2021.11
影響因子：14.65
百趣合作客戶：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
百趣生物提供服務(wù)：GABA的靶向代謝組學(xué)分析

研究背景
通過(guò)社會(huì)互動(dòng)傳播的蜜蜂腸道微生物群有益于宿主健康。雖然微生物群落相對(duì)穩(wěn)定，但已在蜜蜂中檢測(cè)到個(gè)體差異和高應(yīng)變水平多樣性。盡管蜜蜂腸道菌群結(jié)構(gòu)受環(huán)境因素的影響，但腸道成員的遺傳性和宿主遺傳學(xué)的貢獻(xiàn)仍然難以捉摸。

研究結(jié)果
1、基因變異的蜜蜂的腸道群落差異更大
使用鳥(niǎo)槍宏基因組學(xué)采集了OH、AF、YF和SK4個(gè)亞種的57只蜜蜂的宿主基因組信息和微生物群落，發(fā)現(xiàn)共有33-77%的reads被定位到蜜蜂基因組，表明蜜蜂基因組覆蓋13-57x，2255,909個(gè)位點(diǎn)被鑒定為多態(tài)性。從所有單核苷酸多態(tài)性(SNP)推斷出的蜜環(huán)菌的進(jìn)化樹(shù)顯示，四個(gè)類(lèi)群有明顯的聚類(lèi)性(圖1a)。而OH蜜蜂與其他三個(gè)亞種的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。同樣，當(dāng)種群數(shù)量設(shè)置為K=4時(shí)，遺傳共祖先的混合分析也將數(shù)據(jù)種群劃分為四個(gè)定義的組(圖1b)。

通過(guò)從蜜環(huán)菌腸道勻漿中分離了116株細(xì)菌和405個(gè)細(xì)菌基因組，并建立了新的基因組數(shù)據(jù)庫(kù)和菌株水平基因組變異分析參考數(shù)據(jù)庫(kù)。又使用midas估計(jì)了細(xì)菌系統(tǒng)類(lèi)型和SDP的相對(duì)豐度，并將其定位到15個(gè)選定的基因組的標(biāo)記基因中。結(jié)果表明所有個(gè)體腸道群落以5種核心細(xì)菌為主，吉利菌和乳酸菌Firm5含量最豐富，而部分AF和OH蜜蜂Bartonella的比例較高(圖1c)。說(shuō)明不同遺傳背景的蜜蜂腸道群落組成不同，表明宿主遺傳變異與腸道微生物群有關(guān)。
 

圖1. 不同基因蜜蜂的腸道微生物群組成不同

2、宿主基因型決定了傳代腸道群落的組成
為了確定宿主基因型是否影響社會(huì)傳播的微生物群，進(jìn)行了兩組菌落（每個(gè)三個(gè)重復(fù)蜂箱），由OH未交配蜂王領(lǐng)導(dǎo)，用AF或YF單個(gè)雄蜂的精液受精，雜交蜜蜂腸道微生物群連續(xù)傳播的研究設(shè)計(jì)(圖1d)。

通過(guò)對(duì)創(chuàng)始工蜂腸道微生物群(B1-B3)進(jìn)行16SrRNA測(cè)序，測(cè)定宿主基因型對(duì)細(xì)菌群落傳播的影響。通過(guò)檢測(cè)每批個(gè)體相鄰時(shí)間點(diǎn)之間的OTU級(jí)Bray-Curtis差異，發(fā)現(xiàn)具有更多相似遺傳背景的雜種(B1/B2和B2/B3)的腸道群落隨著時(shí)間的推移表現(xiàn)出相似的特征(圖1e)。在SDP水平上，B3內(nèi)部的組成比B3和創(chuàng)始工蜂之間的組成更相似(圖1f)。

大多數(shù)SDPs的相對(duì)豐度差異無(wú)顯著性差異，但Bifido-1.2和Bifido-1.4在遺傳變化的宿主中存在差異分布(圖2a)。與O-A相比，Bifido-1.2在O-A'的創(chuàng)始工蜂中富集。然而，在O-Y蜜蜂的B3中含量更為豐富(圖2b)。相比之下，Bifido-1.4在O-A中含量更高，但在O-Y中含量更低(圖2c)。對(duì)于乳酸桿菌Firm5，所有的創(chuàng)始工蜂在Firm5-1集群中所占的比例更高，而B(niǎo)3蜜蜂在腸道中擁有更多Firm5-4(圖2d,e)。我們的研究結(jié)果表明，在不同遺傳背景的宿主中，一些SDPs的相對(duì)豐度發(fā)生了變化，宿主基因型可能塑造了菌落內(nèi)腸道微生物群的傳播模式。
 

圖2. 雜交蜜蜂和創(chuàng)始蜜蜂之間細(xì)菌種類(lèi)的相對(duì)豐度不同
 

3、IV型菌毛(T4P)結(jié)構(gòu)成分編碼基因的SNP分布導(dǎo)致Snodgrassella菌株水平差異
針對(duì)不同遺傳背景的特征菌株組成，分析了創(chuàng)始工蜂和B3個(gè)體之間Snodgrassella基因組SNP分布的差異。利用每個(gè)基因組位點(diǎn)的次要等位基因頻率的分布來(lái)表明不同菌株在不同宿主中的變異，對(duì)Snodgrassella蛋白編碼基因SNP分布的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在52個(gè)蜜蜂個(gè)體中有1547個(gè)基因具有有效的覆蓋范圍。在這些基因中，兩組蜜蜂共鑒定出1436個(gè)等位基因頻率存在顯著差異的基因。

利用wkB2的參考菌株，我們?cè)趐ilD、pilF、pilT和pilU基因中鑒定了1017個(gè)SNPs，在系統(tǒng)發(fā)育距離較遠(yuǎn)的菌株中，普遍存在更多的SNPs。熱圖展示了根據(jù)所有O-A和O-A之間的錯(cuò)義SNP位點(diǎn)在兩組之間的顯著偏倚分布，并將SNP頻率的樹(shù)狀圖依據(jù)兩者的宿主基因型顯示了兩個(gè)不同的聚類(lèi)組(圖3a)。這表明來(lái)自 Snodgrassella alvi系統(tǒng)發(fā)育型的不同菌株被遺傳變異的宿主優(yōu)先選擇，并且來(lái)自不同宿主的菌株在IV型菌毛基因座中顯示出顯著的單核苷酸多態(tài)性分布。
 

圖3.IV型菌毛組成基因的SNPs在創(chuàng)始工蜂和B3蜂之間存在差異分布

4、GWAS結(jié)果顯示，雙歧桿菌的相對(duì)豐度與宿主的遺傳變異有關(guān)
通過(guò)觀察宿主基因型與腸道組成之間的相關(guān)性，估計(jì)每個(gè)分類(lèi)單元的遺傳力，并進(jìn)行GWAS來(lái)確定哪個(gè)宿主基因最相關(guān)，分析了102個(gè)個(gè)體（包括68只純蜜蜂，34只雜交蜜蜂）的宿主基因型和腸道群落組成數(shù)據(jù)。使用GLM和MLM的GWAS顯示，與Bifido-14SDP的相對(duì)豐度具有最強(qiáng)關(guān)聯(lián)的SNP位于位于13號(hào)染色體上的gluR-B基因內(nèi)(圖4a,b)。gluR-B基因被112個(gè)與Bifido-1.4SDP高度相關(guān)的SNPs富集(圖4c)。相應(yīng)地，攜帶TC/CC等位基因的蜜蜂個(gè)體的Bifido-1.4水平高于攜帶關(guān)聯(lián)最強(qiáng)的TT等位基因的蜜蜂個(gè)體(圖4d)。綜上，雙歧桿菌菌株簇的相對(duì)豐度與蜜蜂大腦中特異性表達(dá)的宿主谷氨酸受體基因有關(guān)。
 

圖4. Bifido-1.4的相對(duì)豐度與宿主的遺傳變異有關(guān)

5、雙歧桿菌改變了gluR-B的可變剪接，并提高了大腦中的GABA水平
使用百趣生物靶向代謝組學(xué)對(duì)蜂蜜的大腦組織進(jìn)行GABA檢測(cè)，通過(guò)代謝組學(xué)研究顯示，Bifido-1.4單菌定植的(MC)蜜蜂大腦中GABA濃度顯著高于Bifido-1.2定植的蜜蜂(圖5a)。通過(guò)代謝組學(xué)研究了Bifido-1.4的定植是否改變了基因表達(dá)譜，發(fā)現(xiàn)雖然代謝組學(xué)表達(dá)水平?jīng)]有變化，但RNA測(cè)序分析顯示，gluR-b在與雙歧桿菌相關(guān)的MC蜜蜂之間表現(xiàn)出不同的AS事件模式(圖5b)。這些結(jié)果表明，腦中的谷氨酸受體可能受到GABA的調(diào)控。具有特定多糖利用位點(diǎn)的雙歧桿菌單克隆影響gluR-B基因的可變剪接，這與大腦中GABA水平的增加有關(guān)。
 

圖5. Bifido-1.4具有獨(dú)特的PUL-like基因，影響大腦中的基因表達(dá)和GABA濃度

研究小結(jié)
本次和百趣生物代謝組學(xué)合作的研究結(jié)果表明，宿主遺傳影響蜜蜂的腸道組成，并表明腸道-腦連接與腸道菌株的偏好有關(guān)。蜜蜂已被廣泛用作社會(huì)行為、遺傳學(xué)和腸道微生物群的模式生物體。進(jìn)一步鑒定宿主遺傳功能作為微生物結(jié)構(gòu)的塑造力量，將有助于我們對(duì)宿主微生物相互作用的理解。

文/阿趣代謝組學(xué)