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主食对我国蒙古族人群肠道菌群的调节作用

时间:2020-09-05 10:14来源:科拓生物 作者:bio149发布 浏览次数:

  肠道菌群与人体健康息息相关,一般认为饮食习惯对肠道菌群的结构具有较大影响。东西方文化以及中国不同地区民族的生活习性造就了饮食文化的差异,其中蒙古族人以发酵乳制品和红肉作为主要食物,相比内地民族摄入的碳水化合物较少。故本研究以26名蒙古族人作为研究对象,探究其原始肠道菌群结构,并连续摄食碳水化合物主食,改变其饮食习惯,以观察主食对于肠道菌群结构以及代谢途径的调节作用。

  试验方法

  试验设计

  1.试验对象

  对26名年龄在22-35岁的蒙古族受试者进行为期3周的科学研究,期间需保证受试者无胃肠道疾病,未服用任何抗生素药物。

  2.试验过程

  在试验过程中,每周更换一次主食(第1周:小麦,第2周:稻米,第3周:燕麦),确保每人每天摄食量和种类一致。

  3.检测方法

  收集0-3周4个时间点的粪便样本,采用第三代PacBio SMRT和Hiseq 4000技术相结合进行测序。

  试验结果

  1.肠道菌群对于主食变化的响应

  对0-3周4个时间点收集上来的受试者总共104个粪便样本提取DNA进行宏基因组分析,每个微生物群平均共获得61225132个高质量序列,共构建1617412个非冗余基因。在分类学水平上,进行了物种级别未加权UniFrac主坐标分析(PCoA)(图1)。在不同时间点样本之间未发生明显的聚类现象,并且肠道菌群的波动受到个体的限制,这表明主食差异引起的肠道菌群变化小于个体间差异。通过提取和比较每个时间点受试者肠道菌群结构的分类学和功能特征(Bray-Curtis距离矩阵),我们发现改变主食可以迅速改变每个人的微生物群落结构和代谢途径(图2)。因此,我们可以得出结论,主食可以迅速改变肠道菌群,但这种改变仅限于个体水平。此外比较三种主食对于肠道微生物的影响时,从不同时间点的加权UniFrac距离分析可以观察到小麦对肠道菌群的影响最大,其次是稻米和燕麦(图3)。


 
图1:基于所有样本未加权UniFrac指标的主成分(PCoA)得分图

图2:改变后的主食迅速改变了每个人的微生物群落结构和代谢途径

图3:(A)基于不同主食组别之间的分类丰富度的加权UniFrac距离。(B)不同主食组之间基于功能特征丰富度的Bray-Curtis距离。

  主食变化后,在分类学水平和功能水平上的代谢途径中发现了特定物种的差异,如表1所示,以小麦作为主食一周时,德氏乳杆菌、活泼瘤胃球菌、普通拟杆菌和马赛拟杆菌显著下降,但双歧杆菌、两歧双歧杆菌和Alistipes indistinctus显著增加。在第2周和第3周分别将稻米和燕麦作为主食时,第2周的青春双歧杆菌、长双歧杆菌、粘滑罗斯菌等急剧下降,而在第3周时青春双歧杆菌、白色瘤胃球菌急剧上升。在功能级别上,计算了每个途径或模块的Z得分(图4),我们发现在第一周相关氨基酸的微生物合成丰度显著下降,而碳水化合物的微生物代谢持续增长。同时发现,微生物对于糖代谢以及糖酵解的能力变化与小麦、稻米和燕麦中果糖、葡萄糖的相对含量变化表现出高度的一致性。

表1:不同时间点肠道菌群的组成详情
 

 

 
图4:不同时间点相关代谢模块得分

  2.细菌种类与主食变化功能相关性

  经过Wilcoxon sum t检验,我们确定了每个主食所对应的显著差异物种,表现出相关性的物种包括普氏粪杆菌、瘤胃乳杆菌、粪便拟杆菌等。经过Spearman相关性分析(图5),发现上述物种与磷酸转移酶系统(PTS)和氨酰基-tRNA生物合成之间一般呈正相关,与FoxO信号通路和氰基氨基酸代谢之间呈负相关。

图5:Spearman相关性分析

  3.肠道菌群对碳水化合物利用的功能特异性

  通过对非冗余基因的碳水化合物活性酶数据库(CAZy)注释,共鉴定出383个与碳水化合物代谢相关酶。我们观察到不同主食组之间的酶存在显著差异,这些酶主要与葡萄糖的代谢有关。通过聚类分析,展示了微生物物种与糖类活性酶之间的相关性分布,并发现了两个明显的聚类,且每个物种与其代谢酶之间建立了网络(图6)。



图6:肠道菌群对碳水化合物利用的特异性

  4.肠道菌群与主要营养素、抗生素抗性基因的关系

  根据拟合曲线,我们观察到随着饮食中非消化性碳水化合物(膳食纤维)含量的逐渐增加,放线菌门门数减少,而厚壁菌门门数增加(图7A)。同时,拟杆菌门和变形菌门分别于饮食中脂肪和可消化碳水化合物呈正相关(图7A)。

  将290个带有注释的抗生素抗性基因(ARG)聚类分为了53种抗生素目录,发现与万古霉素相关的ARG含量最高,其次是与大环内酯、四环素、青霉素和氯霉素等相关的ARG基因丰度也超过了0.001%(图7B)。


图7:(A)肠道微生物菌群与主要营养元素之间的线性关系。(B)肠道菌群,饮食营养和ARGs之间的关系

  试验结论

  主食可以改变人体肠道菌群的结构,在三种碳水化合物(小麦、稻米和燕麦)主食中,小麦对肠道菌群的影响最大,其次是稻米和燕麦。但主食对于肠道菌群的影响仍然比个体间差异要小。小麦和燕麦有利于双歧杆菌属的存活,而水稻则抑制双歧杆菌。同时还发现肠道菌群对碳水化合物利用的特异性与主要营养元素以及代谢功能基因之间存在线性关系。





 
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