科研 | mSphere:母猪分娩栏消毒影响仔猪出生到断奶的微生物组组成

2021
10/04

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微生态
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本文揭示了环境消毒在生猪养殖过程中对仔猪出生后肠道和鼻腔微生物定植的影响,并阐明这种影响持续性地贯穿整个断奶过程。

导读   

母系对子代的发育和健康具有重要影响,例如子代微生物组的早期建立。猪的研究结果表明,早期微生物的暴露影响仔猪微生物影响仔猪微生物的定植,但是该现象是否受到分娩栏消毒方式的影响还尚未研究。因此,本试验在妊娠母猪分娩前3天,分别构建消毒剂消毒(D)和仅用热水冲洗(Nde)的两种不同分娩环境(每种环境n3),利用16S rRNA探究母猪微生物和仔猪分娩到断奶4个时间点的微生物。结果显示,尽管分娩栏环境对母猪肠道、阴道、皮肤、母乳和口腔的微生物影响较小,但是分娩栏环境能够调控仔猪微生物早期定植。最主要特征的特征表现为,经过消毒剂消毒的分娩栏组的仔猪在出生时,其肠道和鼻腔的微生物多样性较低。从出生到分娩,两种环境下的仔猪微生物的α多样性显著差异。微生物组成结果显示,Nde条件下的仔猪从出生到断奶具有更高丰度的LactobacillusEnhydrobacter。此外,不同的分娩栏环境诱导仔猪微生物不同的组装方式,消毒条件下微生物暴露降低导致仔猪微生物互作下降。但是,在仔猪分娩时微生物暴露增加与更低的仔猪体重相关,我们的结果为进一步探究平衡生猪养殖中微生物发育、健康和生长性能提供重要的参考意义。  

 

论文ID


 

名:Disinfection of maternal environments is associated with piglet microbiome composition from birth to weaning

母猪分娩栏消毒影响仔猪出生到断奶的微生物组组成

期刊mSphere

IF:4.389

发表时间:2021.9.8

通讯作者:Andres Gomez

通讯作者单位:美国明尼苏达大学动物科学系


实验设计



结果


1 分娩栏的卫生环境改变环境微生物但不影响母猪微生物
样本采集自不同时间点的产房内环境表面、不同母猪和仔猪(图1a)。不同处理组的产房被安置在单独的房间里,并设有严格的生物安全隔离线,以防止处理之间的交叉污染(图1b)。调控分娩栏卫生的方式为两种,一种是只用热水冲洗,另一种是用热水加消毒液的方式。结果显示,热水冲洗和热水加消毒均可显著改变分娩栏微生物的16S rRNA的拷贝数(图S1a)。对分娩栏的环境进对扩增子变异序列(ASVs)分析,结果显示,对分娩栏进行热水冲洗和热水加消毒均降低环境微生物的丰富度(图S1b)。分娩栏微生物在清洗前、消毒和热水冲洗三种卫生条件下 α 多样性存在明显差异(图SS1c)。由于来自清洗前和清洗的样品的微生物呈现重叠,我们对两种样品微生物重新进行了α多样性分析,结果显示清洗和清洗前分娩环境微生物的结构具有显著差异(图S1c)。但是,环境是否消毒对母猪的肠道、阴道、皮肤、母乳和口腔的微生物没有影响(图S1d-j),这可能是因为每个环境的样本量较少,也可能是由于来自消毒分娩栏的母猪个体间差异高于未消毒分娩栏的母猪每个环境中母猪个体差异较大造成的。            
               

图1. 在(a)消毒(D)和未消毒(Nde)环境中母猪和仔猪的样本收集时间。(b)分娩栏设置图,显示处理组被分隔到不同的房间。

 
产房消毒影响仔猪肠道和鼻腔微生物
产前产房的消毒方式显著影响仔猪微生物的多样性和组成。对于刚分娩仔猪的肠道微生物( 0日龄),没有消毒分娩栏的仔猪的肠道微生物多样性显著高于产前消毒产房的仔猪,但是随着时间的推移(第7,14,21日龄)这种差异消失(图2a)。鼻腔微生物出现与肠道相似的结果,在0日龄,没有消毒分娩栏的仔猪的鼻腔微生物多样性显著高于产前消毒分娩栏的仔猪,但是在第7和14日龄这种差异消失,不同的是在21日龄,没有消毒分娩栏的仔猪的肠道微生物多样性显著高于产前消毒分娩栏的仔猪(图2b)。
此外,β多样性结果表明,两种环境下仔猪从出生到断奶的肠道微生物的结构显著差异(图3a)。仔猪的鼻腔微生物的β多样性也呈现与肠道相同的模式(图3b)。随着时间的推移,分娩环境对仔猪肠道和鼻腔微生物的影响逐渐减弱,并且产房环境对仔猪鼻腔微生物的影响要显著高于肠道(图3c)。
 

图2. 两种不同分娩环境下出生的仔猪的细菌多样性(Shannon’s H),评估仔猪从出生到断奶(第0天至第21天)的粪便(a)和鼻腔(b)样本。


图3. 从出生到断奶,仔猪肠道(a)和鼻腔b)微生物组组成显著不同(Bray-Curtis, PCoA)。(c)仔猪粪便和鼻腔样本中由分娩环境卫生 水平(Bray-Curtis PERMANOVA, R2)解 释的仔猪微生物组组成的变异量。
 
产房的卫生环境与特定的微生物相关
基于产房环境对仔猪肠道和鼻腔微生物结构的调控作用,我们进一步分析了产房环境对特定微生物的影响。在 1日龄,产前未消毒的产房仔猪肠道的 Aggregatibacter Chryseobacterium的丰度都显著高于产前消毒产房仔猪(图4a)。在1-7日龄,两种环境下仔猪的Lactobacillus快速定植,但是有趣的是产前未消毒产房的仔猪的 Lactobacillus 能在14-21日龄维持更高的丰度(图4b)。其它的一些仔猪肠道的特征性细菌PrevotellaPhascolarctobacterium以及一些潜在的致病菌EnterococcusCampylobacter在不同的时间点,产房环境对其呈现不同的影响(图4c)。
AggregatibacterChryseobacterium同样是两种产房环境下鼻腔微生物差异最大的两个菌属,并且两个菌属在产前未消毒的产房仔猪鼻腔中的丰度更高(图5d)。产前未消毒产房仔猪鼻腔中的 Enhydrobacter 在4个时间点的丰度都显著高于产前消毒产房仔猪鼻腔中的丰度(图4e)。另外,仔猪鼻腔中MoraxellaAerococcusRothia的丰度随时间变化其丰度呈现波动(图4f)。

4. 不同产房环境对仔猪肠道(a、b、c)和鼻腔(d、e、f)特征微生物的影响,a. 1日龄仔猪肠道AggregatibacterChryseobacterium丰度,b.第14和21天,仔猪肠道Lactobacillus丰度变化,c.四个时间点仔猪肠道特征微生物;d. 1日龄仔猪鼻腔AggregatibacterChryseobacterium丰度,e. 四个时间点仔猪鼻腔Enhydrobacter丰度变化,f. 四个时间点仔猪鼻腔特征微生物。

 
通过网络分析揭示分娩环境与仔猪微生物结构间相关性
利用来自每个分娩环境的微生物之间的共丰度(相关)矩阵创建群落结构。如网络结构分析结果显示,两种分娩环境下仔猪肠道微生物群的网络属性显著不同(图5a、b)。在未消毒分娩环境(Nde)下出生的仔猪肠道微生物组网络属性均较高,特别是在0~14日龄(图5c)。平均最短路径长度(ASPL)是衡量信息在网络中传播速度的指标,从0~14日龄,在消毒分娩环境中出生的仔猪的肠道微生物群中ASPL显著较高。ASPL越高,即网络中节点之间的路径长度越长,细菌类群之间的相关性越低,功能冗余度越低,这可能导致网络和群落不稳定。仔猪的鼻腔微生物群组也呈现出不同的拓扑网络属性,特别是在第0天和第7天消毒分娩环境下出生的仔猪的ASPL值显著较高,反映了肠道水平的变化(图S6)。采用主成分分析(PCoA)对所有节点网络属性进行组合分析,结果显示消毒和未消毒分娩环境下出生的仔猪ASVs所有网络属性的差异,证实围产期环境消毒对仔猪出生至断奶期间的微生物群落组成和结构有显著影响。
 

5.两种不同分娩环境下(a,消毒;b,未消毒)仔猪肠道微生物网络分析。(c)对每个分娩环境的度和邻域连接值进行量化。

 
分娩环境诱导的微生物差异调控生长性能
如以上结果显示,产房环境能够诱导并调控仔猪肠道和鼻腔特征性微生物图谱。生产性能作为生猪养殖重要的经济性状,作者接下来对两种产房环境下仔猪的生长性能和微生物做了 Spearman 相关性分析,探究产房环境诱导的微生物差异是否会影响仔猪生长性能。结果显示,产前消毒产房的仔猪的出生重和断奶重都显著高于产前未消毒产房仔猪(图6a)。同时,产前消毒产房的仔猪的平均日增重也在断奶后的3个时期更高,尤其是在保育期的最后4周(图6b)。
基于两种产房环境下仔猪的生长性能和微生物的差异,我们挑选了两种不同产房环境下最具有代表性的仔猪的肠道和鼻腔微生物,并且用这些样本的丰度重新做了PCoA分析。结果显示,在出生和断奶时,两种不同产房环境下仔猪的肠道和鼻腔的微生物结构存在显著差异(图6c-f)。另外,Spearman相关性分析结果显示,在出生和断奶时,两种不同产房环境的仔猪的肠道和鼻腔微生物与体重呈现正相关关系(图6c-f)。
 

6. 两种产房环境下仔猪的体重(a)和断奶仔猪平均日增重(b);c-f两种产房环境下仔猪肠道和鼻腔微生物与体重相关性分析。P2P3分别代表断奶后1周和2周,P4代表断奶仔猪保育期最后4周。


讨论


1 分娩环境卫生影响环境微生物并对母猪微生物具有一定的影响
分娩前对产房进行消毒是一种减少过多环境微生物并降低出生仔猪致病风险的有效管理方式,通过对两种不同产前消毒产房环境样本的微生物组成、物种丰富度和16S rRNA拷贝数检测,我们证实产房环境和产房产前消毒可以有效预测微生物对仔猪出生的暴露情况。然而,产前产房是否消毒对母猪的母乳、肠道、阴道、鼻腔、口腔和乳房皮肤的微生物没有显著差异,这与之前分娩婴儿时医院消毒和没有消毒环境对母亲阴道微生物有影响是不同的。这可能是因为每个环境下的母猪只有3头,并且暴露的时间只有3天,在这样的背景下样本量和暴露时间都不足以支持母猪微生物的差异。同时,母猪微生物缺乏差异也有可能是因为不同环境下组内个体的样本差异较大。
 
2 产房消毒对仔猪肠道和鼻腔微生物的影响具有持续性
产前消毒产房出生的仔猪在出生时微生物多样性降低,进一步的结果也证实产前产房消毒改变微生物的暴露。尽管产房消毒发生在仔猪出生前,但是仔猪的肠道和鼻腔微生物从出生到断奶在两个不同产房环境下具有显著差异,这表明通过环境诱导的微生物定植调控可持续影响仔猪微生物图谱。虽然先前的一些研究只关注了哺乳期,但是这些结果表明调控生猪养殖环境可以持续影响仔猪微生物的组成。同样地,不同环境表明微生物影响仔猪肠道微生物定植的结果表明,环境微生物对仔猪微生物的组成具有直接的调控作用。另外,我们的结果表明母猪微生物的个体差异性大于产房环境带来的影响,虽然本研究的结果并没有确定母猪对子代微生物的影响有多大,但这表明母猪固有的个体差异对仔猪微生物同样具有较大的影响。
在两种环境中,产前未消毒产房的仔猪在出生时鼻腔中具有更高的Enhydrobacter,而Enhydrobacter能够有效抑制Salmonella的定植。另外一些共生微生物,如乙酸产生菌 Prevotella 在产前未消毒产房仔猪肠道中显著富集,Prevotella可以通过发酵并消化非可消化纤维产生SCFAs进而调控宿主生理功能,例如,通过降低胃肠道pH抑制病原菌的定植并增强宿主免疫。
在14和21日龄,产前未消毒产房仔猪肠道微生物具有更高的Lactobacillus丰度, Lactobacillus 是指示猪肠道微生物稳定性和健康的重要共生微生物。研究显示高丰度的 Lactobacillus 与仔猪出生重和平均日增重相关,但是本文的研究结果并不支持这一结论。平均日增重是生猪养殖重要的经济衡量指标,高丰度的Lactobacillus同样与改善仔猪免疫健康和降低仔猪腹泻相关,并且Lactobacillus具有改善抵抗Salmonella等致病菌感染能力、增强机体抗氧化能力和增加机体免疫球蛋白水平。尽管在产前未消毒产房的仔猪出生时 Lactobacillus 丰度没有显著增加,但产房环境可能会影响Lactobacillus的选择压力,使其在第14日龄和断奶时增加。尽管如此,除了出生时微生物暴露的改变外,目前的数据无法解释仅在产前未消毒产房出生的仔猪肠道微生物中 Lactobacillus 丰度更高的原因。
断奶对仔猪会造成生理应激,断奶时Lactobacillus丰度增加可改善肠道健康和宿主免疫。在未消毒产房出生仔猪出生时具有更高的Lactobacillus丰度。相一致地,一些潜在的致病菌,如EnterococcusCampylobacter在出生和14日龄丰度降低。这与先前的研究Lactobacillus可以降低潜在致病菌的丰度的结果相一致。
 
3 调控仔猪肠道微生物组成对仔猪健康和生理功能具有长期影响效应
两种不同产房环境对仔猪出生时微生物的定植调控持续影响微生物的结构和组成,这可能影响仔猪的生长性能。仔猪的微生物在出生后的24-36小时内快速定植,在这一重要的微生物定植窗口期有效调控猪的微生物组成和健康。研究结果显示,改变早期肠道微生物组成可调控猪的生长性能和营养代谢。肠道的发育和维持需要消耗大量的能量,产前未消毒产房仔猪可能由于过多的过路微生物导致能量消耗过多而不能满足肠道需要的能量,影响肠道的发育。另外,产前未消毒产房出生的仔猪的SCFAs产生菌丰度增加,这可能是因为宿主的免疫应答需要消耗更多的能量。
新生仔猪早期肠道微生物的组成可能长期影响仔猪的免疫和健康。断奶引起的仔猪腹泻是生猪生产中重要的疾病损伤,这与出生后1周龄的仔猪微生物相关,前期仔猪微生物的组成能够影响后期宿主的炎症发生。
正如网络共分析结果显示,对产房环境消毒影响仔猪微生物的干扰破坏和定植过程。微生物的组装和微生物之间的互作会影响疾病的敏感性和免疫功能,微生物群落是占据各种生态位的多种微生物之间的复杂关联网络,这些微生物在建立后保持相对稳定的组成。微生物生态系统中微生物的相互作用和功能是衡量微生物稳定性的重要指标,其中分类群之间增加的相互作用和共享功能有助于抗干扰的恢复能力。先前的研究结果表明,仔猪肠道微生物关联网络的稳定性和SCFAs的产生与生长性能相关。因此,在产前未消毒分娩栏的仔猪的微生物网络具有更强关联的条件下调控仔猪的生长性能。
我们的结果也与卫生假说相一致,卫生假说强调卫生习惯增加与人类过敏性疾病发病率增加之间的关联。大量研究结果显示,围产期微生物暴露程度越高,过敏性疾病发生率越低。但是微生物接触得越多,不仅与疾病发生相关,同时会影响微生物的发育和免疫系统的激活。对分娩栏环境进行消毒,降低了微生物暴露,有利于仔猪早期生长性能,但是会降低其整个生命周期的免疫能力。

结论


本文揭示了环境消毒在生猪养殖过程中对仔猪出生后肠道和鼻腔微生物定植的影响,并阐明这种影响持续性地贯穿整个断奶过程。相比于只有热水冲洗的产房,在产前消毒产房出生的仔猪具有特征性的肠道和鼻腔微生物区系。总而言之,产前产房是否消毒对仔猪肠道和鼻腔微生物结构具有显著的影响并贯穿出生至断奶,为改变胎儿出生时微生物的定植可能影响整个婴儿期微生物的发育提供了理论基础。
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关键词:
微生物,母猪,仔猪,断奶,消毒,分娩,产房,肠道,鼻腔

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