【微生物專題培訓】腸道與糞便微生物研究案例分享

Dietary changes in nutritional studies shape the structural and functional composition of the pigs』 fecal microbiome—from days to weeks

腸道菌群參與了對宿主代謝和生長的重要生理過程，如養分吸收、代謝和能量利用。研究表明宿主免疫調節與代謝和腫瘤疾病的預防通常也與腸道菌群的組成和活動有關。目前在人類和其他動物模型上進行了多項關於腸道微生物群落的研究，試圖闡明腸道微生物對肥胖、炎症性腸病、腹瀉、結腸炎等疾病的影響和病理狀態的發病機制。飲食是影響腸道菌群的主要環境因素之一，近年來，動物科學家開始對動物飼養策略的優化和動物健康狀況的改善進行深入的調查研究，飼料中不同比例的碳水化合物和蛋白質與動物腸道微生物群落組成和功能變化相關，闡明這種相關性對未來營養研究的設計具有重要意義。

研究目的

飲食結構調整后，揭示豬腸道微生物適應性變化的過程

材料與方法

1.十二頭豬(初始體重54.7公斤±4.1公斤)被隨機分配到四個實驗飲食：

a)玉米豆粕，易消化，高鈣磷；

b)玉米豆粕，易消化，低鈣磷；

c)玉米豌豆粉，不易消化，高鈣磷；

d)玉米豌豆粉，不易消化，高鈣磷；

2.12周齡前以常規飲食餵養，在第13周齡時隨機分配以上四種飲食。在餵養后的第3、8、10、12、17、25、32天收集糞便樣品，共84個糞便樣品，−80°C長期保存；

3.微生物多樣性測序+宏蛋白組分析+SCFA測定分析。

分析結果

1.細菌多樣性測序每個樣品平均獲得57916條reads，在97%的相似性聚類下共獲得3497個OTU；宏蛋白組測序共獲得了9703個細菌蛋白和38239個肽。基於多樣性和宏蛋白組數據的PCoA分析結果表明，豬腸道微生物菌群在適應飲食結構改變的過程中可以分為3個階段：zero（初始階段），metabolic adaptation（MA:代謝適應階段），equilibrium（EQ:平衡階段）。在EQ期的細菌群落根據實驗飲食的差異而進一步聚集。

2.通過比較3個階段共有特有OTU和蛋白質，發現豬腸道微生物在特定的階段具有獨特的微生物結構，在Zero和EQ階段共享了較少的OTU和蛋白質說明豬腸道微生物實現了一個新的穩態平衡。

3.基於微生物多樣性的註釋結果表明，相較於Zero階段，EQ階段梭菌科（Clostridiaceae）和普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）的丰度顯著增加，雙歧桿菌科（Bifidobacteriaceae）也具有相同的趨勢，與之相反的是乳桿菌科（Lactobacillaceae）的丰度顯著下降。基於宏蛋白組物種註釋結果表明，在MA階段沒有發現明顯的物種變化，這種現象可能與存在大量的管家蛋白相關；相較於Zero階段，在EQ階段微生物的變化趨勢與多樣性的結果一致。

4.為了研究飲食結構改變后不同階段豬腸道微生物功能變化情況，將宏蛋白組數據與KEGG資料庫進行比對，研究不同階段微生物功能組成。由於共有蛋白基本都涉及到高保守的管家功能，因此以下的分析都排除了共有蛋白。梭菌科家族，其在EQ期的丰度增加，表現在代謝途徑中的結果是戊糖和葡萄糖酸鹽間轉換通道和乙醛酸鹽和二羧酸鹽代謝的大量增加；雙歧桿菌科包含的氨醯基生物合成和戊糖磷酸通道在在平衡期（EQ）的代謝增加。

小結

這項研究展示了飲食結構改變后豬腸道菌群的適應性改變，通過16S rRNA基因測序和宏蛋白質組學來描述細菌群落的分類和功能動力學。除了微生物菌群的動態變化，研究還定義了腸道菌群所需的代謝適應過程的持續時間，對未來營養研究的設計非常重要。

參考文獻：

Dietary changes in nutritional studies shape the structural and functional composition of the pigs』 fecal microbiome—from days to weeks. Microbiome. 2017.5