新组合：节律微生态=单菌完成图+宏基因组
英文标题：Daily fluctuation of Lactobacillus species and their antibiotic resistome in the colon of growing pigs
译名：生长猪结肠中乳酸菌种类及其抗生素耐药性的每日波动
发表期刊：Science of the Total Environment
客户单位：南京农业大学
影响因子：9.8
研究背景
肠道内有各种类型的细菌，有助于维持肠道微生物群的平衡。乳酸菌是一种重要的有益菌，被广泛用作食品发酵剂和益生菌。研究发现，生长猪结肠中节律性ARG与乳酸杆菌属呈显著正相关。但到目前为止，关于猪肠道乳酸杆菌及其耐药组的昼夜波动仍然缺乏系统研究。
研究方法
实验材料: 生长猪的结肠食糜、分离的乳酸杆菌属（Lactobacillus）菌株
测序技术：Illumina+PacBio测序
项目类型：抗性宏基因组+细菌完成图
主要结果
1、生长猪结肠乳酸杆菌属的组成及变化
宏基因组分析结果表明乳酸杆菌属是结肠的优势属，所占比例最高，约为26.18 %（图2A）。节律性分析显示，285种乳酸杆菌属物种中有84种表现出节律性模式（图2C、D），Lactobacillus johnsonii和Lactobacillus reuteri是两种最丰富的乳酸杆菌属物种，具有昼夜振荡，白天增加，夜间减少的特点。
图2 生长猪结肠中乳酸杆菌属的组成、丰度和波动情况。（A）前20个细菌属的相对丰度。（B）前20种乳酸杆菌属物种的相对丰度。（C）在24小时内乳酸杆菌属物种的每日波动。
图3 9个采样时间点时乳酸杆菌属种类丰度的变化。（A）结肠样本中共有84种日波动的乳酸杆菌属物种。（B和C）四种具有代表性的乳酸杆菌属物种在一天内的日波动。
2、乳酸杆菌属中ARGs的组成和分布如何？
在生长猪结肠中检测到58种独特类型的ARGs，被分为5个耐药类（图4A、B）。在检测到的ARGs中有三种耐药性机制，抗生素靶点的改变占总丰度的90 %以上（图4C）。在6种乳酸杆菌属种水平物种中仅检测到3种ARGs；其余的都在乳酸杆菌属属水平上进行了注释（图4D）。
图4 乳酸杆菌属在24小时内的分布和特征。（A）在乳酸杆菌属中分布的58个ARGs的丰度。（B）结肠中抗生素耐药性类别的分布。（C）检测到的ARGs的抗性机制。（D）ARGs及其对应的物种。
3、生长猪乳酸杆菌属ARGs的日波动
PCoA分析显示，随着时间的推移，乳酸杆菌属内的ARG谱发生了显著变化。ARGs的相对丰度和数量随时间发生动态变化，如图5B和C所示。T15、T18、T21的相对丰度保持在较高水平，而同期基因数量相对较低。研究进一步建立了乳酸杆菌属种类与ARGs之间的相关网络，以确定潜在的相互作用。ARGs-细菌共现网络中有251个节点（205属，46个ARGs）和3504条边缘（图6），它们表现出相同的变化趋势，约90.38 %呈正相关。
图5在9个采样时间点的ARGs丰度和数量的变化。（A）在9个时间点的ARG多样性的主坐标分析。（B）总ARG相对丰度的动态变化。（C）24h内ARG数的动态变化。
图6 网络分析揭示了ARG类型与乳酸杆菌属之间的共现模式
4、从猪肠道中分离出的乳酸杆菌属菌株的抗生素敏感性
为了确定ARGs的基因型与表型之间的相关性，研究对体外分离的乳酸杆菌属菌株进行了药敏试验，以确定其耐药表型。7株乳酸杆菌对10种常用抗生素表现出不同的敏感性（表1）。
表1 7种乳酸杆菌属物种的抗生素敏感性
5、4种分离的乳酸杆菌属中ARGs的基因组鉴定
基于CARD数据库的注释，研究在4株乳酸杆菌属菌株的基因组中共检测到251个ARGs（图7），共有89种ARG类型对24种抗生素产生耐药性，属于5种主要的耐药性机制。
图7 通过全基因组测序，发现4种乳酸杆菌属中89个ARGs的数量及其相应的AMR基因家族、抗生素种类和抗性机制
主要结论
本研究揭示了生长猪结肠中乳酸杆菌属的种组成和日波动，并确定了生长猪结肠中ARGs的分布特征。乳酸杆菌属是结肠中主要的细菌属之一，该属的一些物种表现出节律性波动，特别是高度丰富的L. johnsonii、L. reuteri和L. salivarius。宏基因组注释显示，elfamycin基因在乳酸杆菌属中占主导地位。对4株分离的乳酸杆菌进行全基因组测序，结果表明，通过上述测序方法鉴定出5类耐药性。这些研究结果为动物源性乳酸杆菌的安全性评价提供了参考。
参考文献：
Daily fluctuation of Lactobacillus species and their antibiotic resistome in the colon of growing pigs, Science of the Total Environment, 2024.
DOI: 10.1016/j.scitotenv.2024.170821