食品界

FSHW | 生命早期婴儿肠道双歧杆菌的发育轨迹和时间动态呈现复杂性

Introduction

婴儿肠道微生物群与人类健康/疾病密切相关。双歧杆菌是婴儿肠道微生物群稳态的最重要贡献者之一。然而，很少有研究在物种水平上跟踪婴儿肠道双歧杆菌群落的发育轨迹和动态，以及通过绝对定量分析其变化。因此，对其种群结构和发育变化的深入了解不仅对于理解与健康相关的肠道菌群组成至关重要，而且对于设计改善短期和长期人类健康的策略也至关重要。

内蒙古农业大学孙志宏研究团队采用一种新的方法（SMRT测序联合ddPCR技术）追踪了婴儿从出生后5天到6个月大（出生后5、15、30、60、90、120、150和180 d）的肠道双歧杆菌群落的发育轨迹和时间动态。

Results and Discussion

婴儿粪便双歧杆菌群落组成

婴儿粪便双歧杆菌群落的物种水平组成如图1所示。所有样品中共检测到11种双歧杆菌。最常见的种类是Bifidobacterium dentium （37.35%）、Bifidobacterium catenulatum（32.04%）、Bifidobacterium breve（22.24%）和Bifidobacterium animalis（8.02%）。低丰度的种类包括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%）。随着时间的推移，在双歧杆菌群落的构成中观察到巨大的个体差异。

图1 婴儿粪便双歧杆菌群落的物种水平组成

婴儿粪便双歧杆菌群落的发育轨迹

婴儿微生物群显示出高度个体化的发育轨迹（图2）。婴儿GF的主要物种是Bifidobacterium catenulatum，具有相对稳定的发育轨迹。在婴儿ZZ中，Bifidobacterium breve是丰富的，其发育轨迹是波动的。婴儿QM和婴儿TN含量最丰富的物种是Bifidobacterium dentium。然而，在婴儿QM中，Bifidobacterium dentium的发育轨迹呈现逐渐减少的趋势，而在婴儿TN中则呈现相反的趋势。

图2 四名婴儿（GF、ZZ、QM和TN）粪便双歧杆菌主要物种随时间的变化

婴儿粪便样本中双歧杆菌基因数量的变化

使用靶向部分双歧杆菌rpsL基因片段（BIF-D9F和BIF-D9R）的引物进行ddPCR，以量化宏基因组DNA样品中的双歧杆菌亚群（图3）。总的来说，在大多数时间点上，婴儿ZZ的rpsL基因丰度比其他三个婴儿高。在研究过程中，所有婴儿的rpsL基因数量都有波动，在基因数量上没有发现特定的趋势或模式。然而，有趣的是，在所有四个婴儿中，rpsL基因的数量在第90天或第120天达到最高，这种观察背后的原因需要进一步探索。

图3 不同时间点四名婴儿（GF、QM、ZZ和TN）粪便宏基因组样本中双歧杆菌的基因含量

Conclusion

早期婴儿肠道双歧杆菌是高度复杂和时间动态的，具有个体化的发育轨迹，这应该在未来的婴儿肠道菌群研究中加以考虑。

第一作者

高旭，男，农学硕士，毕业于内蒙古农业大学食品科学与工程学院，主要研究方向为益生乳酸菌及肠道微生物。目前已参与发表文章7篇，其中SCI收录4篇，申请国家发明专利5项。参与国家重大专项1项，内蒙古自治区重大专项1项，地方科技项目3项。

通信作者

孙志宏，男，汉族，内蒙古农业大学乳品生物技术与工程教育部重点实验室研究员，博士研究生导师，国家优秀青年科学基金获得者。一直从事乳酸菌生物多样性、基因组学和肠道微生物等方面的基础研究，主持承担国家自然科学基金项目、863项目、内蒙古自治区自然科学基金项目，入选内蒙古自治区“草原英才”工程、内蒙古自治区“321人才工程”。期间发表学术论文128篇，其中第一作者和通讯作者发表学术论文55篇；授权发明专利12项，参编学术专著2 部，参与起草5项质量安全地方标准。获教育部技术发明一等奖、内蒙古自治区科学技术进步一等奖、教育部科学技术进步二等奖、内蒙古自治区自然科学二等奖等科技奖励，荣获内蒙古青年创新人才奖、内蒙古优秀科技工作者称号、内蒙古自治区优秀博士学位。

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.