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科研 | Nature Communications: 在非洲水牛种群水平上，食物资源和肠道菌群肠型之间具有相关性

2021

06/10

微生态

A-

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编译：微科盟北岸，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。

微科盟原创微文，欢迎转发转载。

导读

通过对人类和实验室动物的研究将稳定的肠道菌群“肠型”与长期食性组成和宿主健康联系起来。了解这一范式如何在野生食草动物中体现，可以为肠道菌群动态、食物资源变化和宿主健康结果之间的关系提供一个机制的解释。在非洲水牛的肠道菌群中，研究人员鉴定了两个假定肠型。无论环境条件如何，第一种肠型在食物资源丰富的时期内普遍存在，具有较高的菌群丰富度，宿主间和宿主内beta多样性低，并且有丰富的Ruminococcaceae UCG-005菌属。第二种肠型在有限的食物资源情况下普遍存在，较低的丰富度，高的beta多样性，并且有丰富的Solibacillus菌属。种群水平的gamma多样性在有限的食物资源时期内通过增加个体间的beta多样性而维持，这表明了种群水平的肠道菌群恢复机制。研究人员鉴定了三种病原体与取决于宿主食性的菌群变化相关，这说明营养背景可能会影响微生物-病原体的动态。总之，这项研究揭示了食性-驱动肠型的可塑性，阐明了维持菌群多样性的生态过程，并且确定了饮食、肠型和疾病之间的潜在联系。

论文ID

原名：Diet and gut microbiome enterotype are associated at the population level in African buffalo

译名：在非洲水牛种群水平上，食物资源和肠道菌群肠型之间具有相关性

期刊：Nature Communications

IF：12.121

发表时间：2021.4.15

通讯作者：Claire E. Couch

通讯作者单位：俄勒冈州立大学综合生物学系

实验设计

结果

1 Alpha多样性和组成

426份样本中，总计44,103条独有的扩增子序列变异（ASVs）鉴定至属分类水平。研究人员删除了36,412条未鉴定至属分类水平的ASVs序列，因为研究人员只对已知的分类单元感兴趣。这些未分类的ASVs，有10,512（29%）条序列在整个数据集中只出现一次，有33,092（91%）条序列在整个数据集中出现次数少于10次。在聚类结果中去除这些ASVs 是可靠的，可能是因为它们数量很少（中位数相对丰度2.34e−7，最高丰度1.6%）。过滤后，纯化样本含有的ASVs中位数为731条（最少有88条，最多有1905条，标准差为385.1）。在每个样本中鉴定的细菌菌属中位数为90个（最少为30个，最大为154个，标准差20.7），并且在所有样本中排名前十的优势菌属为Solibacillus、Ruminococcaceae UCG-005、芽孢杆菌属（Lysinibacillus）、Ruminococcaceae UCG-010、Bacillus、Romboutsia、RikenellaceaeRC9 gut group、Christensenellaceae R-7 group、拟杆菌属（Bacteroides）和Ruminococcaceae UCG-013。

2 食物资源是非洲水牛肠道菌群结构的主要驱动因素

PAM聚类和Calinski–Harabasz指数比较揭示了最优集群数量为2，与食物资源状态相关性为85%。集群间的个体间重复性估计为0（p = 0.50），但是广义线性混合模型（GLMM）的结果在种群水平上证明了群体成员和食物资源状态之间存在显著性关系（p < 2e-16）。PAM聚类结果对未分类菌属的去除具有很强的效果，无论是使用所有的ASV或只使用已知的菌属，98%的样本在同一聚类中。方差分解展示了仅食物资源数量就能解释48%的菌群组成变化，与此相对的是个体差异只能解释3%菌群变化和捕获时间只能解释4%的菌群变化。研究人员发现与干草组（旱季补充食物）和绿色植被组（雨季食物资源丰富）相比，有限食物资源组（旱季不补充食物）的优势菌群发生了明显的变化（图1a）。在干草和绿色植被组，最优势菌属为Ruminococcaceae UCG-005，在绿色植被组90%的样品中和干草植被组88%的样品中是丰度最高的菌属。与此相反，在有限的食物资源组，大多数样品（72%）中的优势菌属为Solibacillus（图1b）。由于在属分类水平上观察到的绿色植被和干草组之间的相似性，线性判别效应分析（ LEfSe ）识别更高分类水平的差异，将这丰富食物资源组（干草和绿色）与有限食物资源组分开。LEfSe和metacoder可视化展示了更高分类水平（即门-科分类水平）的差异与属分类水平一致（图1a）。研究人员也证实了当LEfSe在纲-门分类水平上运行时，它对过滤未分类到属分类水平的ASV是可靠的。在过滤的数据集和未过滤的数据集中，9个菌门中的8个菌门在有限食物资源组和干草/绿色植被组的丰度呈显著性差异。

图1 食性组成驱动非洲水牛肠道菌群结构变化。a 注释分类水平展示了相对富集的菌群从界分类水平到科分类水，在不同食物资源间的两两比较。彩色节点的网络结构表示x轴和y轴上列出的食性组成之间的成对比较。以棕色或绿色突出显示的谱系表明，x轴组或y轴组中该谱系的中位数丰度分别增加了log 2倍。左下角网络结构提供了一个图例，其中包含至少一个成对比较中显著不同的所有分类水平的标签（错误发现率-校正Wilcoxon秩和q < 0.05），标签的大小与该节点包含的属的丰度相对应。b 每种食性组成中个体优势菌属的相对丰度。在有限食物组，72%的样品的优势菌属为Solibacillus。与此相反，Ruminococcaceae UCG-005在绿色植被组90%的样品中和干草植被组88%的样品中是丰度最高的菌属。

3 不同食性组成的alpha和beta多样性的变化相反

Gamma多样性(种群-水平丰富度)在不同食性组成下没有显著变化（Kruskal–Wallace，p = 0.076），研究人员发现在有限食物资源组与干草和绿色植被组相比，alpha多样性（个体-水平丰富度）和beta多样性（个体间和个体内组成的差异）发生了显著相反的变化（图2）。GLMMs展示了与干草（p = 7.12e−7）和绿色植被（p = 0.00136）组相比，有限食物资源组的alpha多样性降低，但干草和绿色植被组之间没有差异（p = 0.354）。与此相反，多元分散均匀性的置换检验展示了与绿色（permuted p-value = 0.002）或干草植被组（permuted p-value = 0.001）相比，beta多样性（Bray–Curtis距离平均值）在有限食物资源组升高，但是干草和绿色植被组之间没有差异（permuted p-value = 0.056）。

图2 菌群alpha和beta多样性在不同的饮食组成中显示出相反的变化模式。a Alpha多样性指数按不同食性组成着色（绿色代表绿色植被组，黄色代表干草植被组，红色代表有限食物资源组）。每个箱形图，上下箱体边对应于第一个和第三个四分位数。上下边缘从箱体边延伸到最大值和最小值不超过1.5 IQR。超出这些点的异常值是单独绘制的。Gamma多样性在三种食性组成中没有显著性变化（Kruskal–Wallace p = 0.076, n = 15个时间点），与干草组（p = 7.12e−7）和绿色植被组（p = 0.00136）相比，有限食物组alpha多样性显著降低（广义线性混合模型，n = 426份样品）。各时间点的beta多样性（多变量分散均匀性的排列检验, n =426份样品）在有限食物资源组比干草组（permuted p-value = 0.001）和绿色植被组（permuted p-value = 0.002)）高。研究人员选择了一个接近完整纵向抽样 (水牛 #45)来证明个体水平上的时间变化，时间点按时间顺序用虚线连接。菌群组成的个体变化与食物资源可利用性的种群水平变化相一致。b Alpha和beta多样性的时间模式是相互对立的，而gamma多样性在一段时间内保持稳定。源数据作为源数据文件提供。

4 食性驱动肠型

研究人员根据食物资源变化在种群水平上观察到的alpha和beta多样性动态定义了两种肠型：一种是有限营养的肠型，由优势菌属Solibacillus确定，低alpha多样性和高beta多样性；另一种是高营养的肠型，由RuminococcaceaeUCG-005 d确定，高alpha多样性和低beta多样性，在干草组和绿色植被组普遍存在。根据冗余分析（RDA）的结果，菌群组成与动物的个体（p = 0.001）和食性（p = 0.001）之间相关联，但是方差分解证实了食性可以解释比个体特性更大比例的数据变化（48% 比 3%）。此外，典范对应分析（CCA）展示了当其他宿主因素(年龄、性别、感染状况)也被考虑在内时个体影响消失了，因此，研究人员将个体同一性的显著影响归因于生理变化而不是作为持续存在个体肠道菌群的证据。

5 与疾病的联系

在考虑捕获期、食性、年龄、性别和营养变量后，研究人员确定了三种与微生物组变异相关的呼吸道感染疾病（表1）。Envfit初步分析表明菌群beta多样性在有限食物资源期间与牛分枝杆菌（M. bovis）发病率，牛病毒性腹泻病毒（BVDV）和圆形线虫增加相关，在绿色植被期间与牛疱疹病毒（BHV）相关。通过Envfit分析选择的宿主性状和疾病的数据子集包含在初始CCA中（等式2），然后进行双向选择，得到等式（1）。

CCA (genus table ~ MB + BVDV + BHV + Condition (Age)+ Condition (Sex) + Condition (Computer Number) + Condition (Diet)

(1)

依据约束变量，最终模型中仅保留MB、BHV和BVDV，并且根据排列测试，所有这些变量都是显著的（表1）。Envfit初步分析结果表明菌群组成与取决于食性的 BHV 、BVDV和 M. bovis有不同相关性，并且主坐标分析可视化支持了疾病与食性组成相关（图3）。

除了与疾病相关的多变量群落-水平的变化，研究人员还确定了特殊的细菌群落与疾病发生率或者食物资源存在相关性，其中envfit分析表明其与菌群群落变化存在相关性。GLMM结果检测出一个菌属与M. bovis相关，七个菌属与BHV相关，6个菌属与BVDV相关（表2）。

表1 基于envfit变量选择分析和最终的CCA模型确定与菌群组成呈显著相关的协变量

表2 基于GLMMs分析确定在每一种食物资源时期与呼吸道感染相关的细菌菌属

图3 基于典范对应分析确认了三种与非洲水牛肠道微生物组成相关的呼吸道感染病毒：牛分枝杆菌（MB）、牛病毒性腹泻病毒（BVDV）和牛疱疹病毒（BHV）。基于可视化和envfit分析的主坐标分析发现了在有限食物资源和干草/绿色植被时期内疾病和微生物组之间关联的大小和/或方向的差异。基于Bray-Curtis距离的主坐标分析，该图显示了有限食物资源和干草/绿色植被时期与感染状况相关的微生物群落组成的差异。基于在有限食物资源的134份样品（5 个与MB呈正相关，35个与BVDV呈正相关，85个BHV呈正相关）和在干草和绿色植被的177份样品（10 个与MB呈正相关，48个与BVDV呈正相关，159个BHV呈正相关）的envfit分析可以获得完整的疾病数据集，每组内感染的envfit分析p值显示在每个图中。彩色点表示血清转化（牛分枝杆菌，正相关 = 红色）或状态呈现（牛病毒性腹泻病毒，正相关 = 蓝色；牛疱疹病毒，正相关 = 黄色），并且灰色点表示缺乏血清转化(牛分枝杆菌)或状态缺乏(BVDV和BHV)。小点表示单个样本，大点表示感染组和未感染组的平均值。

讨论

这项研究揭示了非洲水牛肠道微生物群的可塑性，这与食物资源的变化密切相关。研究人员证明了微生物群落结构在资源有限和资源丰富的食物状态之间的显著波动（即无补充饲料的旱季对比高可用性绿色植被或者补充饲料的旱季），并且资源丰富食物之间的差别微乎其微（绿色植被对比补充饲料的旱季）。有趣是，这项研究揭示了无论食物来源(即天然植被或补充饲料)和条件如何，丰富的食物摄入与在宿主种群水平水上微生物群落结构的可预测结果具有相关性。到目前为止，与宿主性状、个体特性和传染病相比，食物资源的变化对微生物组结构的影响最为深远。这些发现有利于理解食性驱动肠道菌群肠型的形成。在资源丰度的食物状态时期，个体宿主拥有相似的、物种丰富的菌群。在有限食物资源期间个体失去了部分微生物类群，导致alpha多样性降低，但是在宿主种群水平菌群gamma多样性通过宿主间beta多样性增加而维持。通过食物状态，可在种群水平预测肠型的转变。然而，在每种食物状态时期，与个体相比，菌群的变异很大程度上是随机的。综上所述，研究人员发现食性驱动alpha和beta多样性转变的结果表明了微生物类群在宿主内的丢失是由限制的食物量而驱动，但是当丰富的食物资源恢复时，通过宿主之间的微生物共享进行的再定殖有助于菌群的恢复。

在有限食物资源时期菌群丰富度的损失对于微生物类群来说并不完全是随机的。而是，研究人员的研究结果表明，某些微生物类群适应了有限食物资源的环境，更有可能在非洲水牛肠道中生存。在资源丰富时期（干草和绿色植被），肠道菌群具有较高的微生物类群丰富度（图2a），低beta多样性（图2b），主要优势菌属为Ruminococcaceae UCG-005菌属（图1）。这种菌属广泛存在于野生反刍动物的肠道微生物群中，在一些研究中，它与环境/饮食的异质性有关。在有限食物资源时期，肠道群落的分类丰富度相对较低，而 Solibacillus 的相对丰度增加。在山羊和牛的研究中， Solibacillus 菌属也与食物摄入量有关，可能是对食性变化的适应性反应。在这项研究中，我们没有明确测量水牛的行为变化，但自由放养的水牛表现出行为和群体凝聚力的季节性变化。如果此行为模式存在于此项研究的研究群体中，那是有可能的，它可以调节传播动力学的变化，可能解释了这项研究中发现的一些与饮食模式相关的菌群丰富度和组成结构。

除了某些某些微生物类群丰富度减少和可预测的增长，研究人员发现在有限食物资源时期，个体之间的组成变异性增加，这表明在有限食物资源条件下肠道菌群稳定性降低。以及适应有限食物资源的微生物群的可预测增长（例如Solibacillus），食物资源的限制可能导致群落不稳定，导致微生物类群的随机丢失和个体宿主之间更大的菌群差异。一种可能的机制是在食物资源丰富的条件下（如Ruminococcaceae UCG-005）通常占主导地位的微生物类群的减少会破坏肠道菌群的稳定性，导致随机变异。另一个潜在的分化机制可能是宿主在有限食物时期的不同资源选择，导致个体间微生物菌群的选择压力更大的可变性。无论在有限食物资源时期导致菌群组成变异性增加的机制是随机的还是选择性的，个体间变异性的增加都可能为不同的微生物类群提供避难所，在资源丰富时期通过宿主间的传播典型的同质微生物群使它们能够迅速重新定殖并使菌群丰度增加。

在更广泛的时空资源分布背景下，研究人员在本研究中观察到的饮食、微生物组和疾病之间的关联凸显了菌群多样性和疾病之间关联的重要性。研究人员发现菌群变异和疾病之间关联的大小和方向取决于食性组成。研究人员展示了MB 、BHV和BVDV与菌群组成有关，但这些关联的大小和方向在资源丰富期间(干草或绿色植被)与有限食物资源时期是不同的（图3）。Envfit初步分析发现在食物资源有限而非资源丰富时期，微生物组与MB和BVDV具有相关性，然而，在食物资源丰富时期BHV与的微生物群组成具有相关性。已知这些病毒感染对牛有免疫抑制作用，但也可能是免疫抑制的结果，因此，与肠道微生物组的关系可能是通过宿主免疫系统的改变介导的。研究人员还确定了与感染的发生率或存在相关的细菌类群。这一发现表明，非致病性细菌类群可能存在对多种病原体的易感性或感染性，因此可以作为肠道的生态指示物种和一种潜在的监测工具。然而，研究人员建议谨慎地解释个体微生物类群与疾病之间的关系，因为改研究中没有考虑多种环境和宿主变量。今后的研究应重点阐明该研究确定的病原微生物关系的因果方向性，阐明宿主营养条件下病原微生物群落与共生微生物群落之间的相互作用。

野生动物微生物群落的研究不仅有可能为保护工作做出贡献，而且加深了对宿主微生物生态学的理解。研究人员证明了在社群食草动物的肠道微生物群中，食物资源驱动了肠型的可塑性，强调环境变化和微生物群落之间的动态相互作用。这项研究证明了微生物类群多样性可以长期维持在宿主种群中，尽管在食物资源驱动下，个体水平的alpha 多样性减少了。研究人员发现，有限食物资源期间个体间beta多样性的增加维持了种群水平的gamma多样性。这表明限制食物资源后，一个庞大的，联系紧密的宿主种群的微生物类群重新定殖和恢复个体水平的alpha多样性，这可能是很重要的。这些结果表明，宿主种群的大小和连通性可能是维持种群内微生物群落多样性的重要因素，特别是在气候变化和栖息地丧失导致资源可用性出现更剧烈波动的情况下。研究人员的结果可以在未来利用菌群信息作为一种非侵入性监测形式来指导保护受环境变化威胁的野生动物种群提供参考。此外，理解一系列环境条件下自然宿主种群的共生病原菌动态是弥补实验室研究和野生动物菌群调查之间差距的关键。正如此研究的结果所显示，变化的肠道肠型和病原体与共生微生物群落之间的差异关系可以在波动的资源机制下表现出来。考虑到目前人类造成的环境变化的轨迹，了解资源可用性如何塑造野生动物的肠道微生物群落，并阐明后续的结果对宿主健康和疾病的影响，将是管理野生动物种群的关键方面。此外，扩大人类对自然宿主种群中长期微生物群落动态的理解，可以帮助人类了解人类和家畜的微生物群落动态。