基于深度学习模型对Christensenellaceae母系-后代传播的靶向干预策略
发表期刊：Advanced Science
合作单位：湖南农业大学（印遇龙院士团队）
研究方法：宏基因组测序、宏基因组binning、单菌基因组组装、代谢组、qpcr
由于瘦肉型猪对纤维素消化吸收能力有限，粗饲料利用率较低；而中国本土猪种如宁乡猪则展示了较高的粗饲料利用效率和适应性，这与其特有的肠道菌群结构有关。早期肠道微生物的定植与演替对宿主的肠道发育和营养代谢至关重要。本研究开发了母体-子代微生物传递模型（Maternal-offspring microbial transmission model，MOMTM），揭示了宁乡猪母源微生物垂直传递对子代肠道微生物定植和粗饲料利用的调控机制。
为探究遗传背景、饲养环境和日粮组成对猪肠道微生物组发育轨迹的影响，收集了892份母猪-仔猪配对粪便样本，并补充了来自全球数据库的2018份公开样本，最终获得2910份样本进行（图1a）。将猪样本分为中国地方猪种和商品猪两组，发现两种猪型在哺乳期均以假单胞菌门（Pseudomonadota）、芽孢杆菌门（Bacillota）和拟杆菌门（Bacteroidota）为主。断奶后，两组样本的假单胞菌门和放线菌门（Actinomycetota）丰度均显著下降。在发育过程中，所有猪都经历了快速的微生物演替，最终形成以芽孢杆菌门和拟杆菌门为主的稳定群落。
虽然遗传和日粮差异在哺乳期影响微生物群，但随着肠道菌群成熟，生态位差异逐渐缩小，不过母猪与成熟仔猪的生态位仍存在明显区分（图1c）。进一步采用DMM模型对所有样本的粪便微生物群谱进行分类，将数据集划分为15个不同的簇群，这些簇群可归类为三种主要肠型：拟杆菌型（Bac）、普雷沃菌型（Prevo）和乳杆菌型（Lacto）（图1d）
哺乳期间，传递系数（TC）显示母体微生物促进仔猪体内微生物的传播与群落建立，而断奶后TC则表明其具有长期影响
研究显示Christensenellaceae R-7在两种猪种中均具有高传递中心性（TC），其中本地猪在3-7日龄和14-21日龄表现出高中心性，而商品猪仅在14-21日龄显现（图2d）。14-21日龄、35-90日龄和90-150日龄期间，本地猪的母源阳性菌流行率更高（图2e）。
分析表明：哺乳期关键窗口期塑造了母仔微生物传递模式，其中Christensenellaceae R-7 group被确定为影响仔猪肠道菌群的关键母源分类单元。以Christensenellaceae R-7 group为主导的后代肠型显示出更高的α多样性，因此提出假设：目的性调控母体Christensenellaceae R-7 group可增强其向子代的传递。
饲喂GOS的母猪在第7天和第14天对仔猪肠道菌群的初乳贡献显著增强，而AB组母猪则呈现相反效应。至第21天时，这些差异不显著（图3b）
对GOS和AB母猪所产仔猪的微生物群分析显示：母体补充GOS优先增加了簇1（Lachnospiraceae和Christensenellaceae R-7 group），而AB组在哺乳期促进了簇2和簇4（Lactobacillus和Bacteroides）的增殖，同时抑制了簇3的生长（图3c）。交叉哺育的仔猪微生物群与其新归属组别一致，而产后补充GOS则无显著影响，这表明妊娠期或分娩相关抗生素会影响哺乳阶段微生物群。
MOMTM模型分析显示，GOS组仔猪的Christensenellaceae R-7 group等关键类群的TC值显著更高，表明母体微生物的垂直传播效率增强；而AB组的传播效率较低（图3d）。
该研究通过测定35日龄和45日龄仔猪的总膳食纤维（TDF）消化率，进一步评估了母体微生物干预对仔猪膳食纤维利用的影响,在35日龄和45日龄，GOS组仔猪的总膳食纤维（TDF）消化率均显著高于AB组及对照组，表明母体补充GOS能持续改善仔猪对纤维的利用能力。（图3e）
为了探究不同发育阶段Christensenella的功能富集和定殖策略，从451份仔猪粪便宏基因组中重建了6775个中等质量的宏基因组组装基因组。通过ANI分析，将ANI>95%的MAGs归类为对应菌种的代表株用于下游功能及通路富集分析（图4a）
- minuta（哺乳期）和C. timonensis（断奶后）分别表现出功能富集优势（图4c）。Christensenella属各菌种间的碳水化合物活性酶谱存在显著差异，表明其在碳水化合物利用上存在生态位分化，其中C. minuta具有更广泛的酶功能（图4d）。
- minuta在多种黏附机制中（如VraS、ScaC、GroEL 2）展现出增强的功能性，每个Christensenella物种在各自环境中的微生物粘附和相互作用方面所发挥的作用（图4e）。Christensenella属物种存在群体感应策略的动态转变，可能反映了它们在不同发育阶段对宿主微生物组的适应性作用（图4f）
基于泛基因组分析，C. minuta在哺乳期第三周检出率最高（49.4%），呈现特定的阶段分布特征。
总结
本研究揭示了宁乡猪母源微生物对子代肠道微生物定植和粗饲料利用的调控机制，为利用益生菌优化猪群肠道菌群、改善粗饲料利用率提供理论依据和应用策略。同时，建立的MOMTM为阐明复杂的微生物传递机制建立了一个强大的框架，为微生物组管理和治疗调节的新策略奠定了基础，并具有扩展到人类健康和疾病预防的潜在应用。
文章亮点
- 基于MOMTM模型，成功预测了在发育早期表现出高传播中心性的关键传递类群Christensenellaceae R-7group
- 通过随机森林算法对公开数据库中调控仔猪肠道微生物组数据进行评分，筛选出调控Christensenellaceae R-7 group效果最好的低聚半乳糖（GOS）
- 通过采用GOS进行有针对性的母体微生物干预可以促进Christensenellaceae R-7 group主导的微生物肠型的建立，并提高后代的纤维消化率
- 通过解析母源传递核心菌Christensenella属功能富集与定植策略表明，Christensenella minuta表现出最广泛的酶谱，编码多种黏附蛋白（ScaC、VraS、GroEL 2等）的基因显著表达，有助于在宿主肠道黏液层及上皮细胞附着
- 母体灌服C. minuta菌株，显著改变了母体及子代的菌群结构，促进短链脂肪酸生成和粗纤维消化率
