新生仔猪肠道细菌溯源及其与病毒组互作

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生命早期是动物肠道微生物定植的关键窗口期,该时期定植的肠道微生物对动物生长发育和免疫系统成熟有重要影响。本论文以新生仔猪为试验对象,先利用16S r RNA测序并结合生物信息学技术分析新生仔猪肠道细菌群落演变规律;再通过系统采集母猪不同部位和舍内环境源微生物,分析不同微生物来源对新生仔猪肠道细菌定植的相对贡献;然后利用病毒宏基因组学技术研究新生仔猪肠道病毒组定植规律;最后将肠道细菌和病毒组定植规律的研究结果进行关联分析,探究新生仔猪肠道细菌与病毒间互作关系。主要结果如下:第一部分:新生仔猪肠道细菌群落定植规律为了研究新生仔猪肠道细菌群落变化规律,选取同一饲养环境内的60头新生仔猪,在出生后9个不同时间点(第0、1、3、5、7、14、21、24和28 d)收集粪便样品,利用16S r RNA测序技术分析肠道细菌群落结构变化。研究表明,新生仔猪肠道细菌群落的多样性呈先降低后逐渐升高的趋势;肠道中兼性厌氧菌优先快速繁殖,随后逐渐被专性厌氧菌替代;肠道菌群组成结构随仔猪日龄增加发生明显改变,其中Bacteroides、Streptococcus和Clostridium等能高效利用母乳寡糖的微生物相对丰度在断奶后显著减少,而Prevotella、Ruminococcus和Parabacteroides等能高效利用植物源多糖的微生物相对丰度显著增加,同时富集与植物源多糖代谢相关的基因通路;仔猪肠道菌群成熟度在0~28 d内逐渐增加,且个体间菌群结构的差异逐渐降低。这些都表明新生仔猪肠道细菌群落随日龄增加快速演替,并受肠道微环境和采食结构的选择。第二部分:新生仔猪肠道细菌群落溯源为了研究新生仔猪肠道细菌群落的主要来源,选取同时分娩的20头母猪及其60头新生仔猪,利用16S r RNA测序并结合生物信息学技术系统分析母猪(产道、粪便、乳晕皮肤和乳汁)和舍内环境(空气、饮水、地板)等不同来源微生物对新生仔猪肠道细菌群落的相对贡献。研究表明,仔猪肠道菌群与母猪产道菌群间相似性随日龄增加逐渐降低,而与母猪肠道菌群相似性逐渐增加;Source Tracker分析发现母猪产道是仔猪肠道好氧菌和兼性厌氧菌的主要来源,对0~3日龄仔猪肠道细菌群落的相对贡献率高达69.00%~86.94%,随后逐渐降低至28日龄的0.28%,同时母猪肠道和地板微生物的相对贡献率逐渐增加至28日龄的62.12%和33.75%,成为仔猪肠道细菌群落的主要来源。这些结果说明母猪肠道微生物逐渐替代了最先定植的产道菌群,对仔猪肠道细菌群落定植有更持久贡献。第三部分:新生仔猪肠道病毒组定植规律为了研究新生仔猪肠道病毒组结构的变化,利用病毒宏基因组学技术,测定第一部分的仔猪在5个不同时间点(第3、7、14、21和28 d)粪便样品中DNA病毒组,分析其结构组成和多样性。研究表明,噬菌体在仔猪肠道DNA病毒中占优势地位,占病毒总序列数的83.93%,且主要以长尾噬菌体科(34.47±5.56%)、微小噬菌体科(19.68±9.62%)和肌尾噬菌体科(16.01±3.01%)为主;肠道内噬菌体的物种丰度和多样性随仔猪日龄逐渐降低,而真核DNA病毒的物种丰度和多样性逐渐增加;肠道DNA病毒组结构随日龄增加发生明显改变,且不同样本之间具有明显特异性;不同日龄的仔猪肠道DNA病毒组功能组成差异较大,总体以信号转导机制(10.43±3.56%)、染色质结构和动力学(10.25±2.36%)和防御机制(9.28±4.74%)为主。第四部分:新生仔猪肠道细菌与病毒互作关系为了研究新生仔猪肠道细菌和病毒相互作用关系,对第一部分细菌16S r RNA测序数据和第三部分病毒宏基因组学测序数据联合分析。结果表明,仔猪肠道噬菌体与细菌群落物种多样性显著负相关,其中肠道细菌群落的物种多样性随日龄逐渐增加,而噬菌体物种多样性逐渐降低;仔猪肠道噬菌体与细菌间存在复杂的互作关系,且这种互作关系在早期主要以正相关为主,随日龄增加逐渐以负相关为主。综上所述:(1)新生仔猪肠道菌群生态系统随日龄增加快速演替,多样性先降低后增加,菌群成熟度及组内相似性逐渐提高,优先定植的兼性厌氧菌受肠道微环境的影响逐渐被专性厌氧菌替代,群落组成及功能趋于稳定。(2)仔猪肠道菌群的定植主要受母源微生物垂直传递的驱动,并具有菌源和时间特异性。母源肠道微生物逐渐替代了优先定植的产道菌群,在仔猪肠道中具有更强的生态适应性和持久贡献。(3)新生仔猪肠道噬菌体驱动病毒组多样性变化,并与细菌多样性的变化显著负相关。仔猪肠道病毒组结构具有明显个体特异性,其组成以噬菌体为主,主要包括长尾噬菌体科、微小噬菌体科和肌尾噬菌体科。
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