闡明脂質(zhì)生成和脂肪沉積的機制對控制雞脂肪過度沉積至關(guān)重要。研究表明腸道微生物在調(diào)控宿主脂質(zhì)生成和脂類代謝中發(fā)揮了重要作用。但是,我們對腸道微生物在雞的脂類代謝及其相關(guān)機制中的了解非常少。本文作者通過口服抗生素后使用16S rRNA測序聯(lián)合UHPLC–MS/MS分析初步揭示了該過程中關(guān)鍵微生物和代謝物改變過程。本文于2021年7月28日發(fā)表在《metabolites》IF:4.932期刊上。
技術(shù)路線如下:
主要實驗結(jié)果如下:
1、抗生素處理促進雞的脂質(zhì)生成
如圖1A所示,在抗生素處理3周后,與對照組相比,雞的體重(BW)、腹脂體重(AFW)、腹脂率(AFR)均顯著增高;血清甘油三酯(STG)、高密度脂蛋白(SHDL)、低密度脂蛋白(SLDL)、肝甘油三酯(TG)水平也都顯著升高;血清總膽固醇(STC)含量差異不顯著,表明抗生素處理可顯著促進雞的脂肪生成。
圖1A抗生素處理對雞脂質(zhì)生成的影響
2、抗生素處理改變腸道微生物組
在10個樣本中總計鑒定到959個OTUs。16S測序的結(jié)果中,抗生素處理組的微生物群落多樣性顯著下降,這從observed_species (Sob)、abundance-based coverage estimators (ACE)、Chao1、Shannon和Simpson指數(shù)可以看出(圖1B)。提示抗生素處理降低了雞盲腸菌群的豐富度和均勻度。Rank豐度曲線也顯示了豐富度和均勻度的下降(圖1C)。beta多樣性分析顯示,抗生素組與對照組顯著分離(圖1D-E)。之后,在門和屬水平分析微生物種群變化情況,如圖1F和2A所示,在門水平上,對照組的優(yōu)勢菌為厚壁菌門(45.4%)和擬桿菌門(43.7%),但在抗生素處理后,它們的豐度都顯著下降,而Proteobacteria豐度顯著增加,其也是抗生素處理組的優(yōu)勢菌群(90.4%)。在屬水平(圖1F和2B),Bacteroides是對照組優(yōu)勢菌群,但抗生素素處理后其優(yōu)勢被消除,而Escherichia-Shigella和Klebsiella菌急劇增加,成為抗生素組的優(yōu)勢菌群。總之,口服抗生素顯著改變了雞盲腸微生物組。
圖1B-F抗生素處理對雞盲腸微生物組的影響
3、抗生素處理改變盲腸代謝組
總計檢測到19037個代謝物峰,包括9907個陽離子峰和9130個陰離子峰。PCA分析和熱圖分析基于所有的峰,結(jié)果顯示對照組和NFD-1出離與實驗中因而在后續(xù)分析這被剔除,并且可以發(fā)現(xiàn)對照組和實驗中顯著分離,表明抗生素處理顯著改變了盲腸代謝組。
圖2 抗生素處理對盲腸代謝組和微生物組的影響
4、鑒定差異分類群
如圖3所示,作者在門水平和屬水平展示了對照組(NFD)和抗生素組(NFDA)的差異菌群。門水平,抗生素組包括Proteobacteria顯著增加,Frimicutes,Bacteroidetes和Actinobacteria顯著下降。在屬水平則鑒定到15個顯著改變的菌群,但是只有3個是在抗生素組顯著增加,包括Escherichia-Shigella,Klebsiella和Proteus,其余的12個則都顯著下降,如Bacteroides和Alistips。
圖3對照組和抗生素處理組間在門和屬水平上的差異分類群
5、預測盲腸微生物群的功能
如圖4所示,使用Tax4Fun預測微生物群的功能,結(jié)果顯示碳代謝和脂質(zhì)代謝相關(guān)菌群顯著富集,而氨基酸代謝和核苷酸代謝相關(guān)菌群在抗生素處理后丟失。
圖4預測盲腸微生物群的功能
6、差異代謝物的鑒定和功能分析
總計鑒定到1744個差異代謝物,其中799個代謝物顯著富集,而945個代謝物被刪除以響應抗生素處理(圖5A, B)。KEGG顯示1744個差異代謝物被注釋到23個代謝途徑,其中有15個是代謝相關(guān)途徑如氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝(圖5C)。
圖5差異代謝物的鑒定和功能分析
7、盲腸微生物組和雞脂質(zhì)生成相關(guān)
為了探究盲腸微生物組變化和雞脂質(zhì)合成的關(guān)聯(lián),作者分析了種群豐度矩陣(門和屬水平)和脂質(zhì)相關(guān)指標的相關(guān)性。如圖6A所示,在門水平,盲腸微生物組和AFR,STG,SHDL,SKDK和KTG顯著相關(guān)。在屬水平,盲腸微生物組和AFW,AFR,BW,LTG,STG,SHDL和SLDL顯著相關(guān)。
作者計算了不同分類群(門和屬水平)和脂質(zhì)相關(guān)指標的皮爾遜相關(guān)系數(shù)以進一步探究盲腸微生物組和雞脂質(zhì)生成的關(guān)系。如圖6B所示,在門水平,Proteobacteria豐度和所有脂質(zhì)相關(guān)指標正相關(guān)除了STC,Frimicutes,Bacteroidetes和Actinobacteria和大多數(shù)脂質(zhì)相關(guān)指標負相關(guān);在屬水平,Escherichia-Shigella豐度和所有脂質(zhì)相關(guān)指標正相關(guān),Klebsiella豐度和所有脂質(zhì)相關(guān)指標正相關(guān)除了STC,Proteus豐度和BW,AFW,AFR,STG和STC正相關(guān)。相反地,屬水平的余下12個菌群,和大多數(shù)脂質(zhì)合成指標負相關(guān)(圖6C)。
圖6盲腸微生物組和雞脂質(zhì)生成相關(guān)
8、微生物組和代謝組聯(lián)合分析
為了探究是否改變的腸道微生物組可以調(diào)節(jié)雞的脂質(zhì)合成通過影響盲腸代謝物,作者對差異菌群和代謝物進行了聯(lián)合分析。在門水平,4個差異菌群與244個差異代謝物顯著相關(guān),如圖7所示,Proteobacteria門和103個差異代謝物正相關(guān),和10個差異代謝物負相關(guān)。Bacteroidetes分別和93個和5個差異代謝物正相關(guān)或負相關(guān)。Frimicutes分別和110個和6個差異代謝物正相關(guān)或負相關(guān)。Actinobacteria分別和103個和11個差異代謝物正相關(guān)或負相關(guān)。
圖7門水平差異菌群和差異代謝物的相關(guān)性分析
在屬水平,15個差異菌群和304個差異代謝物顯著相關(guān),其中,如圖8所示,三個在抗生素處理后顯著富集的菌群,包括Escherichia-Shigella,Klebsiella和Proteus和194個代謝物正相關(guān)20和代謝物負相關(guān)。余下12個代謝物和238個差異代謝物正相關(guān),和60個差異代謝物負相關(guān)(圖9)。
圖8屬水平Escherichia-Shigella,Klebsiella和Proteus和差異代謝物的相關(guān)性
圖9屬水平在抗生素處理后顯著減少的12個菌群與差異代謝物的相關(guān)性
9、網(wǎng)絡(luò)圖中代謝物的集富集分析
為了鑒定鏈接雞盲腸微生物群與脂質(zhì)生成之間的代謝物,進行了代謝物富集分析。在門水平,有三個代謝物集顯著富集,包括obesity,myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome和unclassified Ibd (圖10A)。有4個代謝物在屬水平顯著富集,包括unclassified Ibd,encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome,gout和obesity(圖10B)。很顯然,肥胖代謝物集在門水平和屬水平均顯著富集。肥胖代謝物集涉及三種差異代謝物:L-glutamic acid,pantothenic acid, N-acetyl-L-aspartic acid。L-glutamic acid和pantothenic acid豐度在抗生素處理后顯著增加,并與Proteobacteria門和Escherichia-Shigella屬的豐度呈極顯著正相關(guān),和Klebsiella屬的豐度呈顯著負相關(guān)(圖10C-E)。L-glutamic acid豐度和Proteus屬呈極顯著正相關(guān)(圖10D)。
圖10鑒定可以連接盲腸微生物組和脂質(zhì)合成的關(guān)鍵代謝物
參考文獻:
Zhang Tao., Ding Hao., Chen Lan., Lin Yueyue., Gong Yongshuang., Pan Zhiming., Zhang Genxi., Xie Kaizhou., Dai Guojun., Wang Jinyu.(2021). Antibiotic-Induced Dysbiosis of Microbiota Promotes Chicken Lipogenesis by Altering Metabolomics in the Cecum. Metabolites, 11(8), undefined. doi:10.3390/metabo11080487