文章標題：Honey bee genetics shape the strain-level structure of gut microbiota in social transmission
發表期刊：Microbiome
發表時間：2021.11
影響因子：14.65
百趣合作客戶：中國農業大學
百趣生物提供服務：GABA的靶向代謝組學分析

研究背景
通過社會互動傳播的蜜蜂腸道微生物群有益于宿主健康。雖然微生物群落相對穩定，但已在蜜蜂中檢測到個體差異和高應變水平多樣性。盡管蜜蜂腸道菌群結構受環境因素的影響，但腸道成員的遺傳性和宿主遺傳學的貢獻仍然難以捉摸。

研究結果
1、基因變異的蜜蜂的腸道群落差異更大
使用鳥槍宏基因組學采集了OH、AF、YF和SK4個亞種的57只蜜蜂的宿主基因組信息和微生物群落，發現共有33-77%的reads被定位到蜜蜂基因組，表明蜜蜂基因組覆蓋13-57x，2255,909個位點被鑒定為多態性。從所有單核苷酸多態性(SNP)推斷出的蜜環菌的進化樹顯示，四個類群有明顯的聚類性(圖1a)。而OH蜜蜂與其他三個亞種的親緣關系較遠。同樣，當種群數量設置為K=4時，遺傳共祖先的混合分析也將數據種群劃分為四個定義的組(圖1b)。

通過從蜜環菌腸道勻漿中分離了116株細菌和405個細菌基因組，并建立了新的基因組數據庫和菌株水平基因組變異分析參考數據庫。又使用midas估計了細菌系統類型和SDP的相對豐度，并將其定位到15個選定的基因組的標記基因中。結果表明所有個體腸道群落以5種核心細菌為主，吉利菌和乳酸菌Firm5含量最豐富，而部分AF和OH蜜蜂Bartonella的比例較高(圖1c)。說明不同遺傳背景的蜜蜂腸道群落組成不同，表明宿主遺傳變異與腸道微生物群有關。
 

圖1. 不同基因蜜蜂的腸道微生物群組成不同

2、宿主基因型決定了傳代腸道群落的組成
為了確定宿主基因型是否影響社會傳播的微生物群，進行了兩組菌落（每個三個重復蜂箱），由OH未交配蜂王領導，用AF或YF單個雄蜂的精液受精，雜交蜜蜂腸道微生物群連續傳播的研究設計(圖1d)。

通過對創始工蜂腸道微生物群(B1-B3)進行16SrRNA測序，測定宿主基因型對細菌群落傳播的影響。通過檢測每批個體相鄰時間點之間的OTU級Bray-Curtis差異，發現具有更多相似遺傳背景的雜種(B1/B2和B2/B3)的腸道群落隨著時間的推移表現出相似的特征(圖1e)。在SDP水平上，B3內部的組成比B3和創始工蜂之間的組成更相似(圖1f)。

大多數SDPs的相對豐度差異無顯著性差異，但Bifido-1.2和Bifido-1.4在遺傳變化的宿主中存在差異分布(圖2a)。與O-A相比，Bifido-1.2在O-A'的創始工蜂中富集。然而，在O-Y蜜蜂的B3中含量更為豐富(圖2b)。相比之下，Bifido-1.4在O-A中含量更高，但在O-Y中含量更低(圖2c)。對于乳酸桿菌Firm5，所有的創始工蜂在Firm5-1集群中所占的比例更高，而B3蜜蜂在腸道中擁有更多Firm5-4(圖2d,e)。我們的研究結果表明，在不同遺傳背景的宿主中，一些SDPs的相對豐度發生了變化，宿主基因型可能塑造了菌落內腸道微生物群的傳播模式。
 

圖2. 雜交蜜蜂和創始蜜蜂之間細菌種類的相對豐度不同
 

3、IV型菌毛(T4P)結構成分編碼基因的SNP分布導致Snodgrassella菌株水平差異
針對不同遺傳背景的特征菌株組成，分析了創始工蜂和B3個體之間Snodgrassella基因組SNP分布的差異。利用每個基因組位點的次要等位基因頻率的分布來表明不同菌株在不同宿主中的變異，對Snodgrassella蛋白編碼基因SNP分布的檢測發現，在52個蜜蜂個體中有1547個基因具有有效的覆蓋范圍。在這些基因中，兩組蜜蜂共鑒定出1436個等位基因頻率存在顯著差異的基因。

利用wkB2的參考菌株，我們在pilD、pilF、pilT和pilU基因中鑒定了1017個SNPs，在系統發育距離較遠的菌株中，普遍存在更多的SNPs。熱圖展示了根據所有O-A和O-A之間的錯義SNP位點在兩組之間的顯著偏倚分布，并將SNP頻率的樹狀圖依據兩者的宿主基因型顯示了兩個不同的聚類組(圖3a)。這表明來自 Snodgrassella alvi系統發育型的不同菌株被遺傳變異的宿主優先選擇，并且來自不同宿主的菌株在IV型菌毛基因座中顯示出顯著的單核苷酸多態性分布。
 

圖3.IV型菌毛組成基因的SNPs在創始工蜂和B3蜂之間存在差異分布

4、GWAS結果顯示，雙歧桿菌的相對豐度與宿主的遺傳變異有關
通過觀察宿主基因型與腸道組成之間的相關性，估計每個分類單元的遺傳力，并進行GWAS來確定哪個宿主基因最相關，分析了102個個體（包括68只純蜜蜂，34只雜交蜜蜂）的宿主基因型和腸道群落組成數據。使用GLM和MLM的GWAS顯示，與Bifido-14SDP的相對豐度具有最強關聯的SNP位于位于13號染色體上的gluR-B基因內(圖4a,b)。gluR-B基因被112個與Bifido-1.4SDP高度相關的SNPs富集(圖4c)。相應地，攜帶TC/CC等位基因的蜜蜂個體的Bifido-1.4水平高于攜帶關聯最強的TT等位基因的蜜蜂個體(圖4d)。綜上，雙歧桿菌菌株簇的相對豐度與蜜蜂大腦中特異性表達的宿主谷氨酸受體基因有關。
 

圖4. Bifido-1.4的相對豐度與宿主的遺傳變異有關

5、雙歧桿菌改變了gluR-B的可變剪接，并提高了大腦中的GABA水平
使用百趣生物靶向代謝組學對蜂蜜的大腦組織進行GABA檢測，通過代謝組學研究顯示，Bifido-1.4單菌定植的(MC)蜜蜂大腦中GABA濃度顯著高于Bifido-1.2定植的蜜蜂(圖5a)。通過代謝組學研究了Bifido-1.4的定植是否改變了基因表達譜，發現雖然代謝組學表達水平沒有變化，但RNA測序分析顯示，gluR-b在與雙歧桿菌相關的MC蜜蜂之間表現出不同的AS事件模式(圖5b)。這些結果表明，腦中的谷氨酸受體可能受到GABA的調控。具有特定多糖利用位點的雙歧桿菌單克隆影響gluR-B基因的可變剪接，這與大腦中GABA水平的增加有關。
 

圖5. Bifido-1.4具有獨特的PUL-like基因，影響大腦中的基因表達和GABA濃度

研究小結
本次和百趣生物代謝組學合作的研究結果表明，宿主遺傳影響蜜蜂的腸道組成，并表明腸道-腦連接與腸道菌株的偏好有關。蜜蜂已被廣泛用作社會行為、遺傳學和腸道微生物群的模式生物體。進一步鑒定宿主遺傳功能作為微生物結構的塑造力量，將有助于我們對宿主微生物相互作用的理解。

文/阿趣代謝組學