文献解读丨对猪肠道耐药性进行广泛的宏基因组分析以确定反映抗菌素耐药性的指标
- 唯那生物
- 966
- 2023-07-28 15:16:57
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英文标题：Extensive metagenomic analysis of the porcine gut resistome to identify indicators reflecting antimicrobial resistance
文章链接：https://doi.org/10.1186/s40168-022-01241-y
发表时间：2022.3
发表期刊：Microbiome
IF：16.837
研究背景/目的：抗生素耐药性（AMR）已被视为全球健康的主要威胁。猪被认为是抗微生物基因（ARG）的重要来源。然而，仍然缺乏关于猪生产行业中ARG分布的大规模定量数据。肠道微生物群中整合ARG的细菌种类尚未阐明。
研究对象；425头猪（包括野猪、藏猪和不同饲养模式下的商业或杂交实验猪）的451个样本。
研究方法：宏基因组测序
研究思路：
主要研究内容及结果：
1、多样性、丰度和耐药性类别
433份粪便样本进行深度宏基因组测序，通过与CARD数据库比对，共鉴定出1295个AMR蛋白编码基因ORF。ORF被聚类为349种不同的ARG并进一步分类为69个耐药类别。
四环素抗性基因在猪粪便中最为丰富，其次是氨基糖苷类和M-L-S类。在69个耐药类别中，氨基糖苷类抗性包含最多的ARG种类。一些具有高丰度抗性基因的耐药类别可能具有的抗性基因丰富度低，而具有高丰富度的抗性基因类别总是具有高丰度的抗性基因。本研究中在至少95%样品中存在的ARG被定义为核心ARG，共发现46种。46个核心ARG主要与氨基糖苷类、四环素和M-L-S的抗性有关，并且它们在不同猪场中丰度不同。
氨基糖苷类耐药（抗生素失活）；四环素耐药（抗生素靶向保护）；M-L-S耐药（抗生素靶点改变）
图1不同饲养方式下猪粪便抗性的组成，丰度和丰富度
2、丰度和数量的影响因素分析
性别对粪便ARGs丰度的影响有限，对丰富度也没有影响。
宿主遗传效应方面，猪品种的丰度和丰富度没有显著差异。
PCoA结果表明，不同饲养方式下猪粪抗性中ARGs的丰度和组成存在差异。主要是由于饲料、农场环境和抗菌剂的使用。因此，饲养方式相近的养殖场抗菌素耐药水平趋于一致。ARG丰度和丰富度较高的猪肠道菌群多样性较低(以Shannon 's指数和Simpson 's指数衡量)(FDR < 0.05)
图2九个采样点猪的ARG丰度、基因数量以及细菌组成的α多样性
3、生长阶段和样品来源对抗性的影响分析
在25日龄和240日龄样品之间，总丰度或丰富度没有显著差异，但两者在各耐药类别上，显示出显著不同的丰度。
盲肠腔和粪便之间，野生猪样品没有发现抗性基因的丰度、丰富度、耐药种类存在显著差异。然而，在来自NC-F6农场的猪中，盲肠腔中ARG的丰度显著高于粪便中的ARG丰度。在耐药种类上，41个耐药类别在NC-F6农场猪的盲肠腔和粪便样本中显示出不同的丰度（Wilcoxon检验，FDR<0.05）。
图3 25日和240日龄以及盲肠腔和粪便样品之间的抗菌素耐药种类的比较
4、ARG与细菌相关性分析
PCoA分析显示ARG组成与细菌组成显著相关（r=0.755，p=0.001）。农场之间粪便抗性的大部分变化是由细菌组的变化所引起的。而Procrustes分析显示，细菌组和抗性组之间相关性的强度取决于农场。
图4a 细菌种类与ARG丰度的关系
图4b细菌种类与ARG丰度的显著差异程度
标注为ARG的1295个orf与NCBI NR数据库比较，以追踪可能整合了ARG的细菌。在1295个orf中，只有194个可能与细菌物种有关，它们包含128个ARG，并属于24种细菌。大肠杆菌含有最多的ARG（96个），其中大多数显示出高丰度。24种细菌具有较高的流行率，然而只有9个ARG出现在核心ARG中。这一结果表明，大多数ARG可能是后天获得的。整合ARG的主要细菌种类，包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、粪肠球菌、屎肠球菌、鲍曼不动杆菌和肺炎克雷伯菌。大肠杆菌尤其表现出对几乎所有抗生素的抗性。
图4c1295个抗菌蛋白编码基因在不同分类水平的细菌中的分布
5、ARG污染水平指标的选择评估
首先选择了预测总AMR水平的指标，主要与ARG的丰度相关，但与环境中的多样性无关。10个选择的ARG的丰度与总丰度之间的相关系数达到0.85。仅使用ANT（5）-Ia、vgaC、ErmT和tetW，相关系数为0.81。
评估抗性基因丰富度的指标显示ARG的丰度与测试样本中ARG的丰富度之间的相关系数达到0.89。当仅使用msbA时，相关系数为0.82，这表明可以通过仅测量msbA的丰度来预测样品中ARG的丰富度。
用于预测ARG的丰度和丰富度的平均相关系数为0.73。
使用来自9个国家猪的185个样本的ARG作为验证数据集。对于用于预测ARG总丰度的指标，仅确定了其中六个。不过六个指标的总丰度和所有ARG的丰度之间具有高相关系数（r=0.83）；用于预测丰富度的指标（r=0.71，p=1.52E−29）和预测丰度和丰富度的指标（r=0.67，p=1.35E−16）也观察到类似的结果。
图6 用于评估ARG污染水平（丰度、丰富度或两者）的指标
文章结论：
此研究系统地研究了不同饲养模式下猪粪便ARG的多样性和分布。
不同农场的粪便抗药性不同。这可能是由不同的管理因素驱动的，包括农场位置、抗生素的使用、住房条件和喂养。在相似饲养模式下饲养的猪显示出相似的粪便ARG丰度和丰富度。一般来说，猪粪便中的大多数ARG是对四环素、氨基糖苷类和M-L-S具有抗性。
同时发现盲肠腔和粪便样品之间以及仔猪和成年猪之间的ARG分布存在显著差异，这表明应使用不同的样品来源来评估ARG的污染。
此外，已报道显示多药耐药的细菌种类是ARG的主要载体，这些细菌大多是人类的病原体。
此研究的结果初步概述了中国不同养殖模式下不同养殖场的ARG概况，为优化抗生素的使用和评估猪场中ARG的风险提供了参考。
参考文献
Zhou Y, Fu H, Yang H, et al. Extensive metagenomic analysis of the porcine gut resistome to identify indicators reflecting antimicrobial resistance [J]. Microbiome, 2022, 10(1): 39.
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