naica®微滴芯片數(shù)字PCR系統(tǒng)在微生物菌株分群的應用

導讀

反芻動物是指具有反芻習性的一類哺乳動物，如牛、羊、長頸鹿、兔子等。反芻動物采食一般比較匆忙，大部分未經(jīng)充分咀嚼就吞咽進入瘤胃，經(jīng)過瘤胃浸泡和軟化一段時間后，食物經(jīng)逆嘔重新回到口腔，經(jīng)過再咀嚼混入唾液并再吞咽進入瘤胃，這種行為稱為反芻行為。反芻動物的食物種類比其他種類的動物更豐富，結(jié)構(gòu)組成也更復雜，但草料中的粗纖維含量較高導致其難以消化，反芻動物依賴于胃部微生物群的代謝能力來消化各種物質(zhì)，但其轉(zhuǎn)化效率低也是養(yǎng)殖業(yè)廣泛關注的問題。

雖然已有研究證明瘤胃中不同微生物的活性可以調(diào)節(jié)宿主利用植物生物能量的能力，但定植于宿主瘤胃中的微生物卻很少受到關注。奧地利維也納獸醫(yī)大學的Cameron等人在Research Square在線發(fā)表了題為《Differential partitioning of key carbon substrates at the rumen wall by recently diverged Campylobacteraceae populations》的研究論文。文章采用多重數(shù)字PCR（dPCR）量化同一菌科的兩種菌群，分析反芻動物瘤胃上的定植菌群分布及生物進化動態(tài)，為今后畜牧業(yè)提高動物代謝能力的研究提供了新思路。

應用亮點：

▶  宏基因組測序發(fā)現(xiàn)瘤胃上皮細胞中彎曲桿菌科兩個種群的基因序列高度相似，利用naica^®微滴芯片數(shù)字PCR系統(tǒng)可以對兩個種群進行精準量化。

▶ 使用不同培養(yǎng)添加物后，可以利用naica^®微滴芯片數(shù)字PCR系統(tǒng)進行微生物種群分布跟蹤。

研究成果：

作者通過對瘤胃上皮微生物組的16S rRNA擴增子分析發(fā)現(xiàn)了一個優(yōu)勢菌株（OTU）為彎曲桿菌科（Campylobacteraceae），并通過宏基因組測序發(fā)現(xiàn)該OTU兩個主要種群Ca. C. stinkeris與Ca. C. noahi的基因含量高度相似，但pgl（蛋白質(zhì)糖基化）操縱子不同。

為了探究Ca. C. stinkeris與Ca. C. noahi兩個種群空間分布的差異，作者通過naica^®微滴芯片數(shù)字PCR系統(tǒng)比較了這兩個種群在不同動物瘤胃乳突離上皮壁最近和最遠兩個位置的含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同動物的兩個種群在這兩個位置的比例接近。

▲圖1 Ca. C. stinkeris 和Ca. C. noahi在動物瘤胃乳突頂端和隱窩的含量比例。A）從乳突切片兩個位置提取DNA使用dPCR進行定量分析。B) Ca. C. stinkeris 和Ca. C. noahi在動物瘤胃乳突兩個位置的含量比例。橫坐標為取樣動物的名字。

然后作者使用naica^®微滴芯片數(shù)字PCR系統(tǒng)對兩種菌群進行生長和適應性測定，數(shù)據(jù)顯示Ca. C. stinkeris可以在以醋酸鹽為主要碳源時積累的生物量，更好地生長，但被丙酸鹽抑制，而Ca. C. noahiz在任何一種添加物存在的情況下在都沒有檢測到生長優(yōu)勢。因此，作者推斷可能存在一些其他機制來最小化競爭，這種機制通過某些代謝生態(tài)位維度上的分化，防止它們生長動力學的重疊來支持兩個種群的共存。

▲圖2 醋酸鹽利用和丙酸鹽抗性檢測。A)通過種群特異性dPCR，評估添加5 mM醋酸鹽（acetate）或丙酸鹽（propionate）對生物量積累的影響。分別用單個菌株(左，單一培養(yǎng))和競爭菌株(右，共培養(yǎng))進行了實驗。

通過數(shù)字PCR這種精準的定量技術(shù)，作者發(fā)現(xiàn)在瘤胃乳突的頂端和隱窩都分布有這兩種優(yōu)勢菌群，且與上皮細胞分布數(shù)目無顯著的相關性。另外，這兩種菌群能夠促進相關脂肪酸的代謝，進而發(fā)揮促進食物消化的功能。該文章為通過調(diào)節(jié)反芻動物體內(nèi)某些鹽離子濃度來調(diào)節(jié)優(yōu)勢菌群的分布比例進而提升消化能力提供了思路。