海洋所在海洋生境細(xì)菌菌群調(diào)控線蟲發(fā)育與壽命研究中獲新進(jìn)展
線蟲是地球上數(shù)量最多的后生動物,海洋線蟲是海洋底棲生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)量最豐富的動物類群之一,生境細(xì)菌可為諸多自由生海洋線蟲提供飲食營養(yǎng)。然而,生境細(xì)菌如何調(diào)控海洋線蟲重要生命過程如生長發(fā)育、繁殖和壽命的機(jī)制尚不清楚。本研究使用遺傳背景清晰的以細(xì)菌為食的海洋線蟲Litoditis marina自交純系為研究材料,深入探究了生境細(xì)菌調(diào)控宿主線蟲生長發(fā)育和壽命的機(jī)理及腸道菌群特征,相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于國際期刊BMC Biology。
通過全長16S rRNA基因擴(kuò)增子測序探究了海洋線蟲L. marina生境細(xì)菌的群落組成和季節(jié)變化特征,共得到5783個OTUs,在門水平以變形菌門(46.33%)、擬桿菌門(22.03%)、藍(lán)細(xì)菌門(11.11%)和放線菌門(6.30%)為主,在屬水平以伍斯菌屬為主(11.8%)。同時,通過純培養(yǎng)分離的方法,分離培養(yǎng)了539株L. marina生境細(xì)菌,以弧菌屬、發(fā)光桿菌屬、交替單胞菌屬、希瓦氏菌屬、奧利亞菌屬、芽孢桿菌屬和極地桿菌屬為主,其中28個為潛在的新物種。
團(tuán)隊探究了448種可培養(yǎng)生境菌株對海洋線蟲L. marina生長發(fā)育的影響,聚焦研究其中73個代表性生境菌株如何調(diào)控L. marina發(fā)育,并對其中72種細(xì)菌進(jìn)行了全基因組測序和組裝。基于全基因組信息重建了全基因組尺度的菌群代謝模型,通過隨機(jī)森林關(guān)聯(lián)分析,發(fā)現(xiàn)生境細(xì)菌的CoQ、血紅素b、乙酰輔酶A、乙醛、丙酮酸鹽和油酸鹽代謝與L. marina的生長發(fā)育呈顯著正相關(guān)。相反,鐵載體、維生素B6和萜烯代謝與L. marina的生長發(fā)育呈顯著負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步的單一代謝物添加實驗發(fā)現(xiàn),輔酶Q、血紅素b、乙酰輔酶A、乙醛和丙酮酸鹽促進(jìn)L. marina生長發(fā)育,而添加維生素B6顯著抑制L. marina在飲食希瓦菌S. algae時的發(fā)育。此外,本研究發(fā)現(xiàn)二甲磺酰丙酸降解I通路與L. marina的壽命呈正相關(guān),而甘油降解I通路與L. marina壽命呈負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步的單一代謝物添加實驗發(fā)現(xiàn),在S. algae中添加1%甘油顯著延長L. marina的壽命(圖1)。

圖1?細(xì)菌代謝物調(diào)控海洋線蟲的發(fā)育和壽命
科研人員進(jìn)一步研究了在73種代表性菌株構(gòu)成的菌落(HQbiome)、有益菌株群落(HQbiome-1)和HQbiome-3(HQbiome-1及S. algae)中生長時,海洋線蟲L. marina腸道菌群定植和組成特征,并對HQbiome、HQbiome-1、有害菌株群落(HQbiome-2)和HQbiome-3對L. marina的生長發(fā)育和壽命的影響進(jìn)行了探究。發(fā)現(xiàn)L. marina腸道菌群在線蟲成體第三天達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),食用HQbiome和HQbiome-3時,L. marina腸道菌群以希瓦菌S. algae為主,而食用HQbiome-1時以弧菌V. parahaemolyticus為主,表明S. algae具有超強(qiáng)的菌群競爭和腸道定植能力,且L. marina對腸道菌群的定植沒有選擇性。相較于HQbiome和HQbiome-2,有益菌組合HQbiome-1顯著促進(jìn)L. marina發(fā)育,而相較于HQbiome-1和HQbiome-2,HQbiome顯著延長L. marina的壽命,喂食HQbiome-3顯著縮短L. marina壽命(圖2)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)宿主腸道菌群中的主導(dǎo)菌(即HQbiome中的S. algae和HQbiome-1中的V. parahaemolyticus)對宿主的生長發(fā)育而非壽命起主導(dǎo)作用。

圖2?海洋線蟲腸道細(xì)菌菌群組成及其對宿主線蟲發(fā)育與壽命的調(diào)控特征
本探究進(jìn)一步探究了海洋線蟲生境細(xì)菌調(diào)控海洋線蟲L. marina與其陸生近緣秀麗線蟲C. elegans生長發(fā)育、壽命與腸道菌群的定植特征的異同。通過C. elegans食用448種單菌株后的產(chǎn)卵時間實驗,發(fā)現(xiàn)約80%的海洋生境菌株能夠支持C. elegans的生長,僅有20%的細(xì)菌嚴(yán)重阻礙宿主的健康發(fā)育。海洋菌株對L. marina和C. elegans的生長發(fā)育的影響呈顯著正相關(guān)?;诖x模型和隨機(jī)森林模型,發(fā)現(xiàn)了與C. elegans生長發(fā)育顯著相關(guān)的細(xì)菌代謝通路,其中GDP-甘露糖生物合成通路、有氧呼吸III和血紅素b生物合成I通路同樣也對L. marina的生長發(fā)育調(diào)控起重要作用,但生長發(fā)育調(diào)控相關(guān)的代謝通路大多在海陸線蟲間存在差異。另外,本研究發(fā)現(xiàn)腺嘌呤營救通路產(chǎn)生的AMP和IMP與C. elegans的壽命呈顯著負(fù)相關(guān)。通過對L. marina和C. elegans腸道菌群比較研究發(fā)現(xiàn),兩種線蟲腸道菌群均在新孵化的L1幼蟲發(fā)育到約160小時達(dá)到穩(wěn)定,海洋線蟲對腸道菌群沒有選擇性,而C. elegans有明顯的選擇性(圖3)。HQbiome、HQbiome-1和HQbiome-2三種細(xì)菌混合菌群對C. elegans產(chǎn)卵時間與其對L. marina生長速率的影響趨勢相似,即有益菌組合HQbiome-1促進(jìn)兩種線蟲的生長發(fā)育;而三種細(xì)菌群落對兩種線蟲壽命的影響存在較大差別,即有害菌組合HQbiome-2顯著延長C. elegans壽命,而HQbiome顯著延長L. marina壽命。

圖3?秀麗線蟲腸道細(xì)菌菌群組成及其對宿主線蟲發(fā)育與壽命的調(diào)控特征
本研究為生境細(xì)菌介導(dǎo)的無脊椎動物重要生命過程、發(fā)育進(jìn)化和環(huán)境適應(yīng)等領(lǐng)域提供了新認(rèn)知,鑒于細(xì)菌和線蟲均是底棲或土壤等生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢物種,本研究發(fā)現(xiàn)將為全球氣候變化背景下生境細(xì)菌在自然環(huán)境中如何調(diào)控線蟲生物學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和管理提供重要科學(xué)參考,同時本研究的整合研究方法也將提供一個細(xì)菌菌群-線蟲框架以深入研究微生物組介導(dǎo)的宿主動物健康、適應(yīng)和演化。
中國科學(xué)院實驗海洋生物學(xué)重點實驗室博士研究生薛一鳴為論文第一作者,助理研究員謝玉素和博士研究生曹緒文為共同作者,張留所研究員為通訊作者,研究得到了中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心重點部署項目和國家自然科學(xué)基金等項目資助。
相關(guān)論文:Yiming Xue, Yusu Xie, Xuwen Cao, Liusuo Zhang. The marine environmental microbiome mediates physiological outcomes in host nematodes.
BMC Biology, 2024; 22(1):224.
原文鏈接:doi: 10.1186/s12915-024-02021-w.
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