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FSHW | 生命早期嬰兒腸道雙歧桿菌的發(fā)育軌跡和時間動態(tài)呈現(xiàn)復雜性

Introduction

嬰兒腸道微生物群與人類健康/疾病密切相關。雙歧桿菌是嬰兒腸道微生物群穩(wěn)態(tài)的最重要貢獻者之一。然而，很少有研究在物種水平上跟蹤嬰兒腸道雙歧桿菌群落的發(fā)育軌跡和動態(tài)，以及通過絕對定量分析其變化。因此，對其種群結(jié)構和發(fā)育變化的深入了解不僅對于理解與健康相關的腸道菌群組成至關重要，而且對于設計改善短期和長期人類健康的策略也至關重要。

內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學孫志宏研究團隊采用一種新的方法（SMRT測序聯(lián)合ddPCR技術）追蹤了嬰兒從出生后5天到6個月大（出生后5、15、30、60、90、120、150和180 d）的腸道雙歧桿菌群落的發(fā)育軌跡和時間動態(tài)。

Results and Discussion

嬰兒糞便雙歧桿菌群落組成

嬰兒糞便雙歧桿菌群落的物種水平組成如圖1所示。所有樣品中共檢測到11種雙歧桿菌。最常見的種類是Bifidobacterium dentium （37.35%）、Bifidobacterium catenulatum（32.04%）、Bifidobacterium breve（22.24%）和Bifidobacterium animalis（8.02%）。低豐度的種類包括Bifidobacterium adolescentis（0.19%）、Bifidobacterium pseudocatenulatum（0.07%）、Bifidobacterium longum（0.06%）、Bifidobacterium saguini（0.03%）、Bifidobacterium ruminantium（0.003%）、Bifidobacterium bifidum（0.003%）和Bifidobacterium thermacidophilum（0.002%）。隨著時間的推移，在雙歧桿菌群落的構成中觀察到巨大的個體差異。

圖1 嬰兒糞便雙歧桿菌群落的物種水平組成

嬰兒糞便雙歧桿菌群落的發(fā)育軌跡

嬰兒微生物群顯示出高度個體化的發(fā)育軌跡（圖2）。嬰兒GF的主要物種是Bifidobacterium catenulatum，具有相對穩(wěn)定的發(fā)育軌跡。在嬰兒ZZ中，Bifidobacterium breve是豐富的，其發(fā)育軌跡是波動的。嬰兒QM和嬰兒TN含量最豐富的物種是Bifidobacterium dentium。然而，在嬰兒QM中，Bifidobacterium dentium的發(fā)育軌跡呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢，而在嬰兒TN中則呈現(xiàn)相反的趨勢。

圖2 四名嬰兒（GF、ZZ、QM和TN）糞便雙歧桿菌主要物種隨時間的變化

嬰兒糞便樣本中雙歧桿菌基因數(shù)量的變化

使用靶向部分雙歧桿菌rpsL基因片段（BIF-D9F和BIF-D9R）的引物進行ddPCR，以量化宏基因組DNA樣品中的雙歧桿菌亞群（圖3）。總的來說，在大多數(shù)時間點上，嬰兒ZZ的rpsL基因豐度比其他三個嬰兒高。在研究過程中，所有嬰兒的rpsL基因數(shù)量都有波動，在基因數(shù)量上沒有發(fā)現(xiàn)特定的趨勢或模式。然而，有趣的是，在所有四個嬰兒中，rpsL基因的數(shù)量在第90天或第120天達到最高，這種觀察背后的原因需要進一步探索。

圖3 不同時間點四名嬰兒（GF、QM、ZZ和TN）糞便宏基因組樣本中雙歧桿菌的基因含量

Conclusion

早期嬰兒腸道雙歧桿菌是高度復雜和時間動態(tài)的，具有個體化的發(fā)育軌跡，這應該在未來的嬰兒腸道菌群研究中加以考慮。

第一作者

高旭，男，農(nóng)學碩士，畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學食品科學與工程學院，主要研究方向為益生乳酸菌及腸道微生物。目前已參與發(fā)表文章7篇，其中SCI收錄4篇，申請國家發(fā)明專利5項。參與國家重大專項1項，內(nèi)蒙古自治區(qū)重大專項1項，地方科技項目3項。

通信作者

孫志宏，男，漢族，內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學乳品生物技術與工程教育部重點實驗室研究員，博士研究生導師，國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者。一直從事乳酸菌生物多樣性、基因組學和腸道微生物等方面的基礎研究，主持承擔國家自然科學基金項目、863項目、內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目，入選內(nèi)蒙古自治區(qū)“草原英才”工程、內(nèi)蒙古自治區(qū)“321人才工程”。期間發(fā)表學術論文128篇，其中第一作者和通訊作者發(fā)表學術論文55篇；授權發(fā)明專利12項，參編學術專著2 部，參與起草5項質(zhì)量安全地方標準。獲教育部技術發(fā)明一等獎、內(nèi)蒙古自治區(qū)科學技術進步一等獎、教育部科學技術進步二等獎、內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學二等獎等科技獎勵，榮獲內(nèi)蒙古青年創(chuàng)新人才獎、內(nèi)蒙古優(yōu)秀科技工作者稱號、內(nèi)蒙古自治區(qū)優(yōu)秀博士學位。

SMRT sequencing and ddPCR reveal the complexity of developmental trajectories and temporal dynamics of gut bifidobacterial communities in infants

Xu Gao¹, Tao Zhang¹, Xiaoye Bai, Qiannan Wen, Dongyu Li, Lai-Yu Kwok, Heping Zhang, Zhihong Sun*

Key Laboratory of Dairy Biotechnology and Engineering, Ministry of Education; Key Laboratory of Dairy Products Processing, Ministry of Agriculture and Rural Affairs; Inner Mongolia Key Laboratory of Dairy Biotechnology and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China

¹ Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Infant intestinal microbiome is closely linked with health and risk of disease. Bifidobacterium are important components of the infant gut and are known to confer various health effects on the host. However, few studies have described the precise composition and dynamics of early infant gut bifidobacterial communities. Thus, this was a pilot study aiming to describe the developmental trajectories and temporal dynamics of bifidobacterial communities in infants before 6 months of age. A total of 28 fecal samples from 4 infants (GF, ZZ, QM, TN, respectively) were collected and analyzed after 5, 15, 30, 60, 90, 120, 150, and 180 days of birth by a bifidobacteria-target method (based on single-molecule real-time sequencing of partial bifidobacterial rpsK genes) in conjunction with droplet digital polymerase chain reaction (ddPCR). The infant fecal microbiota comprised a total of 11 bifidobacterial species, including 4 major species, i.e., B. dentium (37.35 %), B. catenulatum (32.04 %), B. breve (22.24 %), and B. animalis (8.02 %). The infant microbiota showed highly individualized developmental trajectories. The leading species for GF was B. catenulatum, with a relatively stable developmental trajectory. In ZZ, B. breve was enriched, and the developmental trajectory was rather fluctuating. The most abundant species for QM and TN was B. dentium. The developmental trajectory of B. dentium in QM showed a trend of gradual decrease, whereas an opposite trend was seen in samples of TN. The results of ddPCR confirmed large variations in quantities of bifidobacteria between infants and suggested discordances in temporal dynamics of bifidobacterial communities during the first half year of infancy. In conclusion, our results suggested that the early infant gut bifidobacterial microbiota was highly complex and temporal dynamics, with individualized developmental trajectories, which should be considered in future research of infant gut microbiota.

Reference:

GAO X, ZHANG T, BAI X Y, et al. SMRT sequencing and ddPCR reveal the complexity of developmental trajectories and temporal dynamics of gut bifidobacterial communities in infants[J]. Food Science and Human Wellness, 2023, 12(5): 1743-1750. DOI:10.1016/j.fshw.2023.02.036.