灵长类肠道菌群特征及猕猴肠道菌群对海拔适应性的研究

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肠道菌群是动物体内最复杂、最庞大的微生态系统,受宿主的食性、胃肠道形态、系统发育和环境的影响。同时,其多样性和组成在调节宿主的健康、生理、发育和环境适应等方面发挥着不可替代的作用。以往研究只关注一些单个物种或者是几个物种的灵长类肠道菌群,对于从原始灵长类到现代人类的6大类灵长类肠道菌群的整体研究鲜见报道。宿主的生活环境是肠道菌群的重要影响因素,灵长类肠道菌群对海拔适应方面的研究也较少报道。本研究首先对进化顺序上的6类灵长类,包括原猴(Prosimian Monkey,PM)、新大陆猴(New World Monkey,NWM)、旧大陆猴(Old World Monkey,OWM)、小猿(Lesser ape,LA)、大猿(Great ape,GA)和人(Human),共25个物种,124个研究个体,通过Mi Seq高通量测序平台对粪便细菌16S r RNA的V4-V5区进行测序,研究了灵长类肠道菌群特征及差异;再通过对生活在五个不同海拔高度环境,包括拉萨(LS)、西宁(XN)、兰州(LZ)、成都(CD)、南宁(NN)的圈养猕猴粪便菌群进行研究,分析了不同海拔圈养猕猴肠道菌群特征差异,揭示猕猴肠道菌群对不同海拔环境的适应。(1)PM、NWM、OWM、LA、GA和Human的肠道菌群聚类分析表明,Human并没有和亲缘关系最近的GA聚在一起,而是和PM更接近,因而肠道菌群不能精确反映整个灵长目六大类的进化关系。此结果可能归因于PM、OWM和Human的食物因素对进化关系的干扰或掩盖作用。但是NWM、LA、GA和Human能分别聚类,而且灵长类中的18个物种也能按照各自的肠道菌群分别聚类,而不受饲养机构等因素的影响,表明宿主遗传背景对肠道菌群塑造存在主导作用。OWM特有的OTU最多,Human最少,且沿着进化顺序(从低等到高等),两个相邻类群之间共享的OTU变得越来越少,说明沿着进化顺序,肠道菌群的差异可能越来越大。丰度指数显示,GA丰富度最高,而Human最低;多样性指数显示,GA多样性最高,NWM最低。在所有的灵长类中,在门水平上主要由厚壁菌门(51.02%)和拟杆菌门(36.10%)组成。在科水平上,总体上以瘤胃菌科(18.99%)、普氏菌科(16.10%)为优势科。OWM、LA、GA类群中瘤胃菌科和乳杆菌科丰度高于Human、PM、NWM,而拟杆菌科和拟杆菌属在PM、Human、NWM中丰度较高。研究结果表明六类灵长类的肠道菌群多样性和组成存在显著差异。现代人类与PM肠道菌群相似,证明了肠道菌群也受到食物的强烈调控。(2)OWM的肠道菌群按照疣猴亚科和猕猴亚科分别聚类,疣猴亚科与猕猴亚科的肠道微生物之间具有显著差异,且疣猴亚科的肠道微生物多样性高于猕猴亚科。猕猴亚科样本中厚壁菌门、乳杆菌科、韦荣球菌科、普氏菌属的丰度较高,而疣猴亚科样本中拟杆菌门、瘤胃菌科、Christensenellaceae、拟杆菌科、氨基酸球菌科的丰度较高,这些肠道菌群结构的差异反映了动物对各自食性的适应。PICRUSt分析(NSTI=0.21±0.05)显示,疣猴亚科蛋白质、碳水化合物和氨基酸代谢途径相关的功能通路显著高于猕猴亚科。这些功能差异反映了疣猴亚科具有更高的营养代谢能力。疣猴亚科和猕猴亚科之间肠道菌群的显著差异反映了肠道菌群在宿主进化过程中对叶食性和杂食性的适应。(3)疣猴亚科的乌叶猴属、仰鼻猴属和疣猴属肠道菌群结构存在差异。且从OTU的聚类分析也不能反映这三属的进化关系,但是普氏菌科等一些菌群在进化关系上按照疣猴属、乌叶猴属、仰鼻猴属呈梯度性变化。说明宿主的遗传背景可能对某些菌群具有重要影响。在猕猴亚科五属肠道菌群分析中,瘤胃菌科和乳杆菌科在五个属中的相对丰度按照山魈属、猕猴属、狒狒属、长尾猴属、绿猴属的顺序,瘤胃菌科丰度依次增多,而乳杆菌科丰度依次减少。总的说来在灵长目进化尺度上,因为PM、OWM和Human的肠道菌群受到食物因素的干扰,使能反映整个灵长类系统发育的信号很少,但是在小的进化尺度上能找到一些系统发育信号。(4)不同海拔环境的猕猴肠道菌群研究表明海拔高度是肠道菌群的重要影响因子。丰富度指数按海拔梯度从高到低依次降低,而多样性指数表明青藏高原上的拉萨和西宁圈养种群的多样性比其它非高原种群多样性高,且特有的OTU数量沿着海拔降低而依次降低。并且,高海拔种群拥有较高的肠道菌群多样性和较多的特有OTU,可能对猕猴应对高海拔特殊环境起到积极的作用。此外,不同海拔环境的圈养猕猴肠道微生物的组成也有显著差异,其中拉萨种群具有最高丰度的瘤胃菌科(41.91%)和克里斯腾森菌科(7.12%),且瘤胃菌科的含量是沿着海拔梯度依次降低。瘤胃菌科可能帮助高海拔猕猴提高食物的消化利用,并且生成的短链脂肪酸可以调节宿主血压,从而来应对高海拔环境。本研究还发现细胞活性等功能具有海拔梯度性。因此,推测瘤胃菌科和克里斯腾森菌科的高丰度以及细胞活性等功能的海拔梯度性可能在猕猴在高海拔环境适应的过程中起着重要作用。
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