联系我们

牛呼吸道疾病是一种季节性高发的传染性疾病，给养殖业造成了巨大的经济损失。为了扩充牛呼吸道疾病病原体的基因组数据库信息，研究人员利用相关的生物信息学分析软件对原始数据进行组装和基因组注释，以阐明牛源多杀性巴氏杆菌（Pasteurella multocida）、溶血性曼氏杆菌（Mannheimia haemolytica）和牛支原体（Mycoplasma bovis）的菌株毒力、耐药基因携带情况及其进化关系。研究人员采用Illumina HiSeq X和Oxford Nanopore测序平台，对从病料中分离的多杀性巴氏杆菌（Pm1）、溶血性曼氏杆菌（Mh1）和牛支原体（Mb1）进行了全基因组测序。Pm1、Mh1和Mb1的全基因组大小分别为2,620,451 bp、2,718,449 bp和1,006,140 bp，GC含量分别为40.25%、41.07%和29.29%。此外，在Pm1、Mh1和Mb1中，直系同源簇（COG）数据库注释到的基因数量最多，分别注释了2020、2058和1063个基因；而综合性抗生素耐药性数据库（CARD）注释到的基因数量最少，分别为50、97和5个。本研究通过对Pm1、Mh1和Mb1进行全基因组测序和注释，丰富了牛呼吸道疾病病原体的基因库。这有助于更全面地理解这些病原体的基因组结构、功能基因分布和进化关系。研究结果可为牛呼吸道疾病的精准诊断和个性化治疗提供支持，并有助于制定针对性的农场动物抗生素使用策略，从而减少耐药性的产生和传播。本研究对于促进畜牧业的健康发展和减轻经济损失具有重要意义。

论文解读文章

研究背景与科学问题

牛呼吸道疾病是全球养牛业中危害最严重的疾病之一，每年造成高达300亿美元的经济损失。其病因复杂，常由运输、天气变化等应激因素诱发，导致牛呼吸道内定植的病原体大量增殖。主要的细菌性病原体包括多杀性巴氏杆菌（Pasteurella multocida, Pm）、溶血性曼氏杆菌（Mannheimia haemolytica, Mh）和牛支原体（Mycoplasma bovis, Mb）。这些病原体存在多种血清型，其感染力和毒力因子各不相同，且常发生混合感染。由于现有疫苗的保护效果不理想，加之抗生素耐药性问题日益严峻，使得对该病的防控面临巨大挑战。因此，有必要通过全基因组测序技术，深入解析这些关键病原体的基因组结构、毒力因子和耐药基因谱系，为开发新型疫苗、精准诊断工具和靶向治疗策略奠定基础。

研究内容与核心结论

为应对上述挑战，研究人员从内蒙古呼和浩特地区患有严重呼吸道疾病的病死牛身上采集样本，分离并筛选出毒力最强、耐药率最高的Pm1、Mh1和Mb1各一株。通过结合Illumina HiSeq X和Oxford Nanopore两种测序平台的优点，完成了这三株细菌的全基因组测序、组装和功能注释。研究揭示了三种病原体截然不同的基因组策略：Pm1和Mh1拥有较大的基因组（约2.6-2.7 Mb），携带丰富的毒力因子和大量耐药基因，显示出强大的致病潜力和多重耐药性；而Mb1则拥有精简的基因组（约1.0 Mb），虽然毒力和耐药基因数量较少，但在复制、重组和修复相关基因上富集程度高，这可能与其无细胞壁的结构和独特的免疫逃逸能力有关。该研究首次提供了这三种主要牛呼吸道病原体的高分辨率比较基因组学图谱，明确指出它们采用了根本不同的基因组策略，为下一代疫苗、快速分子诊断和物种特异性抗菌疗法的发展提供了变革性的基础。

关键技术方法

1.
菌株分离与筛选：从2022年6月至2023年12月，于中国内蒙古呼和浩特当地农场的病牛鼻拭子和死亡牛肺组织中采集了84份样本。通过体外药敏试验和小鼠半数致死量（LD₅₀）测定，筛选出毒力最强、耐药率最高的Pm1、Mh1和Mb1各一株。
2.
全基因组测序与组装：采用Illumina HiSeq X平台的高精度短读长测序与Oxford Nanopore平台的长读长测序相结合的混合测序策略，以获得更完整、准确的基因组组装结果。
3.
基因组结构与功能注释：使用Prodigal、tRNAscan-SE、Barrnap等软件预测编码基因及非编码RNA。随后将预测的蛋白编码序列与多个公共数据库进行比对，包括直系同源簇（COG）、基因本体论（GO）、京都基因与基因组百科全书（KEGG）、碳水化合物活性酶（CAZy）、病原体-宿主互作（PHI）、病原菌毒力因子（VFDB）和综合性抗生素耐药性数据库（CARD），以实现全面的功能注释。

主要研究结果

3.1 分离株的抗生素耐药谱

通过纸片扩散法和微量稀释法测定药敏表型，并结合PCR鉴定耐药基因。结果显示：

•
Pm1：对青霉素G、阿莫西林、庆大霉素等多种抗生素耐药，携带strA、strB、blaROB-1、tetB、gyrA等9种耐药基因。
•
Mh1：对青霉素G、阿莫西林、林可霉素等耐药，携带gyrA、gyrB、parC、strA等4种耐药基因。
•
Mb1：仅对恩诺沙星表现出耐药性，但对替米考星、土拉霉素等9种药物呈中介耐药。携带gyrA、gyrB、parC、parE、rrs3、rrs4等6种耐药基因。

3.2 分离株的毒力谱

通过小鼠LD₅₀实验和PCR检测毒力基因：

•
Pm1：LD₅₀为12 CFU·mL^-1，毒力极强，携带exbB、tonB、ptfA、fimA、ompA等19种毒力基因。
•
Mh1：LD₅₀为7.5 × 10³ CFU·mL^-1，毒力较强，携带lktA、lktC、gs60、adh等6种毒力基因。
•
Mb1：携带VspX、VspY2、VpmA、P81等4种毒力基因。

3.3 分离株基因组结构分析

全基因组测序结果显示：

•
Pm1：基因组全长2,620,451 bp，GC含量40.25%，含2532个蛋白编码基因。
•
Mh1：基因组全长2,718,449 bp，GC含量41.07%，含2763个蛋白编码基因。
•
Mb1：基因组全长1,006,140 bp，GC含量29.29%，含1715个蛋白编码基因。Mb1的基因组大小仅为Pm1和Mh1的三分之一左右，且未发现前噬菌体和CRISPR序列。

3.4 菌株基因组功能注释

通过与多个数据库比对，获得了全面的功能基因分布图。其中，COG数据库注释的基因数量最多，而CARD数据库注释的最少。具体到各数据库：

•
COG：Pm1和Mh1的功能基因分布相似，覆盖了氨基酸转运与代谢、碳水化合物转运与代谢等核心功能。Mb1注释基因较少，但在复制、重组和修复方面富集度高。
•
GO：三种菌株均在细胞过程、代谢过程、催化活性和结合等功能类别中高度富集。
•
KEGG：所有菌株均在代谢通路中高度富集，特别是碳水化合物代谢、氨基酸代谢和膜转运。
•
CAZy：Pm1和Mh1含有较多的糖基转移酶和糖苷水解酶，而Mb1相关酶的数量显著较少。
•
PHI：大部分基因突变后会导致毒力减弱，但也有部分基因突变后毒力增强或导致菌株失去致病性。
•
VFDB：Pm1和Mh1均注释到大量毒力因子，如脂寡糖（LOS）、荚膜、IV型菌毛等。Mb1注释到的毒力因子较少，且部分注释结果（如cereulide）被认为是假阳性。
•
CARD：Pm1和Mh1注释到大量耐药基因，涵盖四环素类、β-内酰胺类、氨基糖苷类、大环内酯类等，并包含多种多药外排泵相关基因。Mb1仅注释到5个耐药基因。

讨论与结论总结

讨论部分指出，Pm1和Mh1的基因组特征与已知的强毒株相似，其代谢适应性是其毒力的重要组成部分。Mh1携带的溶血素基因和III型分泌系统（TTSS）在其致病机制中起关键作用，而质粒上的耐药基因（如dfrA3、sul4）可能加速耐药性的传播。Mb1的基因组与加拿大分离株存在差异，其耐药基因数量少可能与携带更多毒力基因有关，且其氟喹诺酮类耐药可能与gyrA等基因的喹诺酮耐药决定区（QRDR）突变相关。研究还强调了人工审校在精简基因组细菌（如支原体）中发现异常注释的重要性。

研究结论部分

总之，本研究首次提供了牛呼吸道疾病的主要细菌驱动因子——多杀性巴氏杆菌、溶血性曼氏杆菌和牛支原体的高分辨率比较基因组学全景图。研究结果确凿地证实了这些病原体采用了根本不同的基因组策略：Pm1和Mh1依赖大型、多药耐药的基因组，并配备多样化的毒力武器库；而Mb则利用精简的最小基因组，优化用于免疫逃避和持续存在。最重要的是，在所有三种分离株中发现的移动遗传元件和生物膜相关基因，揭示了一种以前被低估的适应、耐药性传播和宿主免疫对抗能力。总的来说，这些数据不仅描述了基因组特征，还为下一代疫苗、快速分子诊断和物种定制化抗菌疗法提供了变革性的基础。这项工作代表了朝着控制牛呼吸道疾病和减少其对全球养牛业造成的数十亿美元经济损失迈出的关键一步。

上一篇肝脏甘油三酯含量的全基因组关联分析鉴定出60个相关基因座下一篇机械传感器协同调控肝细胞癌中的DNA损伤修复