猪肺部病变重塑猪呼吸道微生物群:细菌失调与多样性降低的证据
猪下呼吸道(lower respiratory tract, LRT)微生物群已日益受到研究关注,但重要知识缺口仍限制了对参与呼吸健康与疾病的微生物群落的理解。本纵向研究评估了从保育期至屠宰期,患有兼容猪肺炎支原体(Mycoplasma hyopneumoniae)感染表现的肺病变(pulmonary lesions, PL+)猪与无肺病变(PL?)猪的LRT细菌组成。研究人员通过对气管黏液及肺组织碎片进行16S-rRNA基因测序,观察到细菌群落组成的纵向变化。PL?动物在育肥阶段表现出更高的观测丰富度(observed richness)及香农多样性(Shannon diversity),而PL+动物则表现为α多样性(α-diversity)值降低及相对组成随时间变化不明显。两组各采样阶段共检出18个扩增子序列变异(amplicon sequence variant, ASV),提示存在少量持久性类群;但其流行率、丰度及生态学意义在本分析中尚不清楚。此外,线性判别分析效应大小(Linear Discriminant Analysis Effect Size, LEfSe)鉴定出分类为盐四联球菌(Tetragenococcus halophilus)的ASV和食菌蛭弧菌(Bdellovibrio bacteriovorus)的ASV分别作为关联PL+组和PL?组的候选判别类群;这些关联应视为初步的且具数据集特异性。综上,上述发现表明肺病变状态与呼吸道细菌群落模式改变相关联,并支持采用纵向方法研究猪呼吸健康。
论文解读:《Pulmonary lesions reshape swine respiratory microbiota: evidence of bacterial dysbiosis and reduced diversity》发表于《Brazilian Journal of Microbiology》
研究背景与目的
猪呼吸道微生物群尤其是下呼吸道(lower respiratory tract, LRT)的研究仍存在重要知识缺口,限制了对其在呼吸健康与疾病中作用的理解。猪地方性肺炎主要由猪肺炎支原体(Mycoplasma hyopneumoniae)引起,常与其他细菌或病毒混合感染形成猪呼吸道疾病复合征(porcine respiratory disease complex, PRDC),造成经济损失。既往研究表明LRT微生物群落改变与猪肺炎相关,但缺乏从保育到屠宰的纵向动态观察。本研究旨在纵向评估猪LRT细菌群落随生产阶段的动态变化,并比较患有兼容M. hyopneumoniae感染表现的肺病变(pulmonary lesions, PL+)猪与无肺病变(PL?)猪的细菌组成差异,以明确肺病变状态与细菌群落结构间的关联。
主要技术方法
研究人员选取巴西商业化猪场,从保育期随机选取8头仔猪进行纵向随访至屠宰,按屠宰时肺病变评分分为PL+组(n=4)与PL?组(n=4)。于保育期(63日龄)、育肥期(100日龄、140日龄)采集气管黏液(intratracheal mucus),屠宰时采集肺组织碎片(lung fragments),母猪同期采集气管黏液作对照。提取总细菌DNA后靶向16S rRNA基因V4区进行巢式PCR扩增,经Illumina MiSeq平台进行双端测序(2×250 bp)。生物信息学分析使用QIIME2(q2-dada2插件推断扩增子序列变异/amplicon sequence variant, ASV)、SILVA 138.1数据库进行物种注释,R语言phyloseq包计算α多样性(观测丰富度、香农指数/Shannon diversity)及β多样性(Bray–Curtis距离,主坐标分析/principal coordinate analysis, PCoA,置换多元方差分析/permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA),采用线性判别分析效应大小(Linear Discriminant Analysis Effect Size, LEfSe)筛选组间差异丰度类群,使用Venn图展示ASV共享情况,Sankey图展示门水平演替。
研究结果
The bacterial population in the lower respiratory tract changes over the course of pigs' lives(猪一生中下呼吸道细菌种群随时间变化)
α多样性分析显示育肥阶段(100日龄和140日龄)观测丰富度和Shannon多样性高于保育期和屠宰期(p<0.05),屠宰样品α多样性最低。PERMANOVA未显示各阶段间群落结构显著差异(p=0.206),PCoA中屠宰样品有与其它阶段分离的趋势。Venn图显示各阶段具独特ASV,100日龄育肥期独有ASV最多(421个,19%),屠宰期最少(22个,1%);全阶段(含母猪)共有ASV仅18个(1%),含Actinobacillus porcinus、Fusobacterium necrophorum、M. hyopneumoniae、Veillonella caviae等,提示少数类群可贯穿生产周期被持续检出。Sankey图显示厚壁菌门(Firmicutes)为各阶段优势门,变形菌门(Proteobacteria)为第二优势门且在保育期和屠宰期相对丰度较高,拟杆菌门(Bacteroidota)主要在育肥期检出,梭杆菌门(Fusobacteriota)和疣微菌门(Verrucomicrobiota)占比较低。
Association between pulmonary lesions and the lower respiratory microbiota of swine with lung lesions(猪肺病变与下呼吸道微生物群的关联)
PL?动物在育肥阶段观测丰富度和Shannon多样性高于PL+动物,两组屠宰时均明显降低。PERMANOVA未显示PL+与PL?组间群落结构显著差异(p=0.338),PCoA显示两组部分重叠。PL?组各阶段共有ASV占比0.6%,含M. hyopneumoniae和A. porcinus;PL+组各阶段共有ASV含M. hyopneumoniae、A. porcinus和F. necrophorum。属水平相对丰度显示PL?动物个体间组成异质性更高,含普雷沃氏菌属(Prevotella)、乳杆菌属(Lactobacillus)、瘤胃球菌属(Ruminococcus)等;PL+动物屠宰样品支原体属(Mycoplasma)相对reads占比较高。
Investigation of the presence of respiratory pathogens related to the Porcine Respiratory Disease Complex in the tested animals(受检动物中猪呼吸道疾病复合征相关呼吸道病原体检测)
针对PRDC相关菌属(Actinobacillus、Erysipelothrix、Mycoplasma、Pasteurella、Streptococcus、Bordetella、Glaesserella)的分析显示,Actinobacillus属reads在保育期、育肥期及母猪中较多;Mycoplasma属reads在屠宰时较突出,母猪中较少;Bordetella和Glaesserella未检出。
Candidate discriminant taxa associated with lesion status(与病变状态关联的候选判别类群)
LEfSe分析表明,嗜肺军团菌目(Xanthomonadales)、肠球菌科(Enterococcaceae)、产碱四联球菌(Tetragenococcus halophilus) ASV在PL+组中富集;沼泽红假单胞菌目(Prevotella paludivivens)、猪粪拟杆菌(Bacteroides coprosuis)及食菌蛭弧菌(Bdellovibrio bacteriovorus) ASV在PL?组中富集。其中T. halophilus和B. bacteriovorus分别为PL+和PL?组最具判别力的候选ASV特征。
讨论与结论总结
讨论部分指出本研究证实猪LRT微生物群随生产阶段动态变化,肺病变猪α多样性降低提示病变状态与菌群失调(bacterial dysbiosis)相关,但无法判断因果方向。各阶段独有ASV反映阶段特异性定植,贯穿全周期的少量持久ASV含潜在致病菌及正常共生菌,M. hyopneumoniae在有无病变组中均可检出说明其单独存在不足以致病。LEfSe鉴定的候选判别类群(T. halophilus关联PL+,B. bacteriovorus关联PL?)需更大样本验证其功能。样本类型差异(气管黏液vs肺组织)可能影响屠宰阶段结果。
结论(Conclusion):本研究揭示了猪生产各阶段LRT微生物群的动态变化及有无肺病变动物间的差异。研究人员鉴定出候选判别类群——关联PL?组的食菌蛭弧菌(Bdellovibrio bacteriovorus) ASV和关联PL+组的盐四联球菌(Tetragenococcus halophilus) ASV。这些发现为猪呼吸道微生物群的纵向模式提供了见解,并强调了潜在微生物类群与健康和疾病的关联。但由于本研究为基于16S rRNA基因的探索性研究,需进一步研究验证这些关联并阐明这些微生物在呼吸道中的功能作用,其生物学相关性尚待澄清。
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