关键词:
蜱
微生物组
病原体鉴定
微生物互作
病原体传播
摘要:
研究背景
蜱作为一种专性吸血动物,能够传播最多样化的病原菌给人类和家畜,在世界各地有着分布的广泛。蜱在其生命周期中需要进行多次吸血以进行正常的生长发育。正因为蜱的吸血习性,使其成为了多种疾病的传播媒介,包括由蜱传螺旋体感染引起的莱姆病、蜱传回归热,由斑点热群立克次体感染引起的斑疹热,由贝氏柯克斯体引起的Q热,由弗朗西斯菌感染引起的兔热病,由埃立克体感染引起的埃立克体病,由无形体病原菌感染引起的无形体病。通过深入研究蜱携带的病原体种类以及这些病原体与蜱的相互作用关系,有助于我们更有效地预防和控制蜱传播的疾病。
近年来,宏基因组学研究越来越多地被用分析宿主携带微生物上,越来越多的新物种在不同的研究中被发现。迄今为止,关于自然环境中蜱体内细菌群落结构及其对蜱携带病原菌的影响,我们知之甚少。通过宏基因组测序不仅能够用来研究蜱携带微生物的特性,还能够帮助我们识别到更多潜在的病原菌。
立克次体为蜱携带常见致病菌,其中斑点热立克次体可引起不同器官的损伤,并导致死亡。在病原体传播过程中,探究微生物组在致病性立克次体通过蜱叮咬传播到宿主的水平传播,以及在母蜱-卵-幼蜱-若蜱-成蜱的经卵经期传播中的作用仍然没有被人们研究清楚。通过对这些问题的探索,有助于我们掌握微生物组对致病性立克次体传播的影响,从而为减少致病性立克次体的传播提供理论依据。
研究目的
1.了解中国境内的蜱微生物的种类,探究这些微生物与蜱的关系并受哪些因素影响,以及能产生什么样的影响。
2.识别出蜱样本中潜在的致病微生物,鉴定出其中具有潜在致病能力的新种。
3.通过基因组学分析,研究蜱携带SNP与致病微生物间的关系。
4.研究微生物组在病原体传播中能够起什么作用。
研究方法
1、数据收集以及传播模型构建
本课题组在中国大陆的31个省、直辖市或自治区共328个采样点进行了蜱的采集工作,并成功构建了 1460个DNA文库并进行宏基因组测序。此外对19种蜱种,选用活蜱提取核酸并进行三代宏基因组测序,以获得19个蜱种基因组草图。从国家气象科学数据中心下载2015-2019年全国613个站点月度数据,基于采样点经纬度以及时间,获得每个样本采集时的气候数据,来研究环境因素对蜱微生物组的影响。基于实验室构建的立克次体阴阳性蜱种群,我们构建了叮咬模型,对叮咬处皮肤样本进行转录组测序。对立克次体阴阳性蜱各个阶段,我们进行了 16S rRNA基因测序,来探究经卵经期传播过程中致病性立克次体和微生物组间的关系。
2、生物信息学分析
(1)基于宏基因组注释微生物组组成,我们通过样本间的微生物组相似性与寄生宿主、生存地域和环境因子做了多元方差分析,识别出影响蜱微生物组的主要因素。
(2)基于宏基因组组装以及注释,我们筛选出其中具有潜在致病性的微生物。基于基因组覆盖度,我们筛选出阳性样本,并探究其地域分布特点。
(3)基于宏基因组测序以及蜱基因组,我们识别出样本中的SNP,并对基因型与潜在病原体丰度之间进行关联分析以及关联检测。
(4)基于16S rRNA基因测序,比较了蜱发育过程中微生物组成的变化,预测了不同阶段蜱微生物组通路。基于转录组测序,比较了在叮咬过程中微生物组成以及微生物基因表达的变化。
研究结果
1、基于蜱微生物组成,本研究将蜱微生物组分为五个生态型,每个生态型都具有不同的主导菌。在研究蜱微生物组影响因素的过程中,蜱的种属是最能够解释微生物组组成差异的因素,此外,蜱的宿主和地理位置也是两个重要的影响因素。
2、基于微生物基因组组装,本研究共获得10702个细菌基因组,其中高质量基因组3348个,中等质量基因组4335个。经过基因组聚类以及物种注释后,本研究共获得了 11个立克次体物种,26个柯克斯物种,11个无形体物种,8个埃立克体物种,2个弗朗西斯菌物种和3个螺旋体物种。在与公共基因组进行相似性比较后,本研究确定了6个立克次体新物种,25个柯克斯新物种,7个无形体新物种,6个埃立克体新物种,2个弗朗西斯菌新物种和2个螺旋体新物种。
3、通过统计线粒体基因组和微生物组成差异,随着蜱和蜱遗传距离的增加,其微生物群落之间的差异也显著增加。在识别并过滤掉低质量SNP后,本研究从长角血蜱中筛选出与病原体丰度具有显著关联的SNP 19个,微小扇头蜱中24个,森林革蜱中30个。这些SNP所在基因涉及蜱的发育、代谢、生殖等过程。
4、在立克次体水平传播过程中,蜱叮咬后,未感染饶氏立克次体皮肤中,与感染饶氏立克次体皮肤样本相比,衣原体的丰度存在显著差异,同时叮咬和未叮咬部位的微生物群落结构存在差异。在立克次体经卵经期传播过程中,立克次体载量随着蜱的生长发育显著增加,且立克次体阳性和阴性组蜱种间微生物组存在显著差异。
研究结论
1、蜱在中国广泛分布,其携带微生物高度复