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乳杆菌前噬菌体的特征分析及对肠道菌群的影响

裴彰明  
【摘要】:人体肠道微生物组是一个复杂的微生物联合体,其中组成成分之一的细菌已经受到了相当多的关注,被认为是影响宿主健康的重要因素。除此之外,近年来人体肠道噬菌体的功能和生理学意义也逐渐开始被研究。乳杆菌是人体肠道中发挥益生功能的主要菌属,前噬菌体在乳杆菌中普遍存在且具有改变生存形式的潜力,因此隐藏在乳杆菌中的前噬菌体具有哪些特征,以及是否会对肠道菌群及健康产生影响是值得去探索的问题。本研究通过对639株乳杆菌进行前噬菌体位点的预测,旨在分析乳杆菌携带前噬菌体的分布特征、功能基因及进化方向;进而使用丝裂霉素C对207株乳杆菌菌株进行溶源性噬菌体的诱导,评估其可被诱导释放的潜力,同时通过双层平板法、透射电镜观察、基因组提取测序等实验研究其宿主侵染范围、形态特征及功能基因;最后通过给C57BL/6J小鼠灌胃溶源性噬菌体来研究其对肠道菌群的结构影响,从而探索其对宿主肠道健康的潜在作用,为乳杆菌噬菌体的多样性以及噬菌体影响肠道菌群等方面研究与应用提供数据支持和理论依据。主要研究结果如下:首先,经预测发现,639株乳杆菌中的489株携带832个完整的前噬菌体;不同种属乳杆菌携带前噬菌体数量存在差异,植物乳杆菌和副干酪乳杆菌的菌株携带两个以上的前噬菌体比例分别为81.1%和64.0%,而发酵乳杆菌、格氏乳杆菌、鼠李糖乳杆菌及唾液乳杆菌的比例仅为20.0%~31.0%;不同分离源的菌株携带前噬菌体数量同样存在差异,分离自粪便的乳杆菌菌株有71.7%只携带一个或不携带前噬菌体,而分离自发酵食品的菌株有74.6%携带两个及以上的前噬菌体,表明分离自发酵食品的乳杆菌携带前噬菌体数量较多。第二,对预测得到的832个乳杆菌前噬菌体进行基因组分析发现:其基因组平均大小为39.90±14.93 Kb,GC含量为30.78%~49.77%,与宿主基本一致;部分前噬菌体会通过基因交换和水平转移赋予乳杆菌适应生境的功能基因。通过计算平均核苷酸一致性研究乳杆菌前噬菌体整体系统进化的规律,发现影响乳杆菌前噬菌体的系统进化方向的主因素是宿主物种。第三,207株乳杆菌中有29株可被诱导并释放噬菌体。发酵乳杆菌、格氏乳杆菌、唾液乳杆菌及短乳杆菌中可诱导菌株比例大于20.0%,副干酪乳杆菌可诱导比例约为5.8%,而鼠李糖乳杆菌及植物乳杆菌所有受试菌株均不可诱导。29株乳杆菌溶源性噬菌体宿主范围高度专一,头部为直径约68 nm~85 nm的多面体形状,伴有一条长度为136 nm~203 nm的收缩或非收缩的尾丝。乳杆菌溶源性噬菌体大多数可注释的功能基因都属于溶源、包装、复制、形态发生及裂解这五个最主要的功能模块。最后,通过对小鼠灌胃乳杆菌溶源性噬菌体发现,乳杆菌的溶源性噬菌体对小鼠体重增量有一定的抑制作用。在肠道菌群方面,乳杆菌溶源性噬菌体干预早期会使小鼠肠道菌群α多样性增加,但随着干预时间的延长会持续降低;β多样性会在第42天发生显著变化。乳杆菌溶源性噬菌体的持续干预会降低拟杆菌门的相对丰度并提高放线菌门及厚壁菌门的相对丰度;属水平上,拟杆菌属相对丰度降低,梭菌目未鉴定属及双歧杆菌属相对丰度明显升高,表明乳杆菌溶源性噬菌体会影响肠道菌群多样性和结构组成。


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