Extensive intra-phylotype diversity in lactobacilli and bifidobacteria from the honeybee gut

Background

In the honeybee Apis mellifera, the bacterial gut community is consistently colonized by eight distinct phylotypes of bacteria. Managed bee colonies are of considerable economic interest and it is therefore important to elucidate the diversity and role of this microbiota in the honeybee. In this study, we have sequenced the genomes of eleven strains of lactobacilli and bifidobacteria isolated from the honey crop of the honeybee A. mellifera.

Results

Single gene phylogenies confirmed that the isolated strains represent the diversity of lactobacilli and bifidobacteria in the gut, as previously identified by 16S rRNA gene sequencing. Core genome phylogenies of the lactobacilli and bifidobacteria further indicated extensive divergence between strains classified as the same phylotype. Phylotype-specific protein families included unique surface proteins. Within phylotypes, we found a remarkably high level of gene content diversity. Carbohydrate metabolism and transport functions contributed up to 45% of the accessory genes, with some genomes having a higher content of genes encoding phosphotransferase systems for the uptake of carbohydrates than any previously sequenced genome. These genes were often located in highly variable genomic segments that also contained genes for enzymes involved in the degradation and modification of sugar residues. Strain-specific gene clusters for the biosynthesis of exopolysaccharides were identified in two phylotypes. The dynamics of these segments contrasted with low recombination frequencies and conserved gene order structures for the core genes. Hits for CRISPR spacers were almost exclusively found within phylotypes, suggesting that the phylotypes are associated with distinct phage populations.

Conclusions

The honeybee gut microbiota has been described as consisting of a modest number of phylotypes; however, the genomes sequenced in the current study demonstrated a very high level of gene content diversity within all three described phylotypes of lactobacilli and bifidobacteria, particularly in terms of metabolic functions and surface structures, where many features were strain-specific. Together, these results indicate niche differentiation within phylotypes, suggesting that the honeybee gut microbiota is more complex than previously thought.

Electronic supplementary material

The online version of this article (doi:10.1186/s12864-015-1476-6) contains supplementary material, which is available to authorized users.     

藤黄绿脓菌素的自诱导及假单胞菌M18抗生物质代谢相关性初步分析

假单胞菌M18的生防功能归功于其分泌吩嗪-1-羧酸和藤黄绿脓菌素。为了研究抗生物质合成代谢相关性及调控机制,分别构建了两种抗生物质合成基因簇插入突变株M18T和M18Z1。用翻译融合表达载体pMEAZ(pltA′-′lacZ)分别转化野生株和突变株M18T、发酵培养并测定β-半乳糖苷酶活性,结果显示,添加藤黄绿脓菌素使突变株M18T(pMEAZ)的β-半乳糖苷酶活性比野生株M18(pMEAZ)增加约6倍,表明藤黄绿脓菌素对自身基因簇具正向自诱导作用。抗生物质的测定结果显示,突变株M18T无藤黄绿脓菌素合成,而吩嗪-1-羧酸的合成量与野生株相同;突变株M18Z1与野生株相比,吩嗪-1-羧酸明显减少,藤黄绿脓菌素却显著提高。过量的吩嗪-1-羧酸又抑制藤黄绿脓菌素的合成。表明,假单胞菌M18中独有的代谢相关方式为:藤黄绿脓菌素不影响吩嗪-1-羧酸,但吩嗪-1-羧酸负调控藤黄绿脓菌素。     

一对紫绀型先天性心脏病患儿肠道菌群动态变化及阴沟肠杆菌耐药性研究

[目的]观察一对紫绀型先天性心脏病双胞胎新生儿在接受手术及抗生素治疗前后的肠道菌群的动态变化,探究患儿肠道内阴沟肠杆菌在治疗期间耐药性如何发生改变。[方法]通过采集患儿在不同治疗阶段的粪便样本,进行培养组学和16S rRNA基因测序分析。同时,从双胞胎哥哥不同治疗阶段的粪便样本中分离得到10株阴沟肠杆菌进行体外药敏试验。[结果]培养组学结果显示使用抗生素导致术前粪便样本丰富度降低,仅可分离获得肠球菌属、不动杆菌属和肠杆菌属;长期医院环境暴露后,能分离出多种条件致病菌属,包括肠杆菌属、克雷伯菌属、不动杆菌属和假单胞菌属;母乳喂养4个月后,粪便菌群丰富度增加、构成发生改变,可分离获得乳杆菌属和双歧杆菌属等有益细菌。16S rRNA基因测序结果显示,在多种因素影响下不同治疗时间点α多样性指数和相对丰度最高的菌属不同。细菌耐药实验结果显示,治疗期间阴沟肠杆菌对哌拉西林逐渐产生耐药性。[结论]接受抗生素治疗、院内环境暴露和母乳喂养共同影响患儿治疗和康复期间的肠道菌群组成;在不同治疗阶段仅使用一种抗生素,也会导致阴沟肠杆菌对不同药物的耐药性发生改变。     

续随子ElFAD2基因的序列及表达特性分析

为了研究油酸脱氢酶(FAD2)基因ElFAD2对续随子(Euphorbia lathyris L.)中不饱和脂肪酸合成的调控作用,该研究在续随子转录组数据的基础上经筛选获得ElFAD2基因序列,并对其序列及表达特性进行分析。序列分析结果显示,ElFAD2基因全长1 907 bp,ORF长1 152 bp,共编码383个氨基酸,包含有典型的脂肪酸去饱和酶结构域。续随子ElFAD2蛋白理论等电点为8.08,属于稳定蛋白,包含4个跨膜区和3个保守的组氨酸簇。基于FAD2的系统发育分析表明,续随子与同科植物乌桕(Triadica sebifera L.)的亲缘关系最近。荧光定量PCR分析发现,ElFAD2基因在不同器官中均有表达,且在花后15 d的种子中表达量最高,在叶与花后30 d及45 d种子中的表达量相当,而在根、茎、花中的表达量最低。该研究结果为深入探讨续随子ElFAD2基因的生物学功能提供了基础数据,也为解析续随子种子中脂肪酸合成的分子机制奠定了基础。     

不同施肥处理下水稻根际和非根际土壤中氨基糖积累特征

以水稻长期定位施肥试验土壤为研究对象,选取不施肥(CK)、化肥(NPK)、秸秆还田+化肥(NPKS)、30%有机肥+70%化肥(LOM)和60%有机肥+40%化肥(HOM)5种处理,分析水稻分蘖旺期根际土和非根际土中氨基糖积累特征.结果表明: 与CK和NPK处理相比,长期施用有机物料(NPKS、LOM、HOM)显著增加了水稻根际土和非根际土中有机碳、总氨基糖及其氨基单糖(胞壁酸、氨基葡萄糖和氨基半乳糖)含量.不同施肥处理下3种氨基单糖的积累规律不同,说明不同微生物对施肥处理的响应趋势和强度有所不同.受稻田翻耕等均匀化土壤的农事操作影响,各处理总氨基糖含量在根际土与非根际土间无显著差异.氨基糖碳对土壤有机碳积累的贡献范围为24.0～28.3 mg·g^-1,且以NPKS处理最高,HOM和CK处理最低.真菌氨基葡萄糖/胞壁酸比值范围为24.4～36.6,说明该试验点所有处理的根际土与非根际土中有机质的降解与转化过程以真菌为主导,且与NPK和CK相比,NPKS处理的真菌参与度提高,而施用HOM处理的细菌参与度提高.     

氮水平对苹果叶片13C光合产物和15N向果实转移分配的影响

以6年生‘烟富3’/M26/平邑甜茶苹果为试材,采用C、N双标记技术,研究在果实膨大后期用不同尿素浓度水溶液(N 0%、0.6%、1.2%、1.8%、2.4%,分别用CK、N₁、N₂、N₃、N₄表示)涂抹果实周围20 cm范围内叶片对叶片¹³C同化能力及¹³C光合产物、¹⁵N向果实转移分配的影响.结果表明: 随着尿素浓度的增加,叶片的叶绿素含量、氮含量、光合速率、山梨醇和蔗糖含量、6-磷酸山梨醇脱氢酶(S6PDH)和蔗糖磷酸合酶(SPS)活性及¹³C同化能力均先升高后降低,均以1.8%尿素涂抹处理最高,清水对照最低.¹³C自留量(自身叶片+自身新梢)以清水对照最高,为81.6%,1.8%尿素涂抹处理最低,为63.5%.向外输出的¹³C光合产物主要分布在标记果实,其次是未标记多年生枝,未标记叶片最低.果实¹³C吸收量随着尿素浓度增加呈先升高后降低趋势,以1.8%尿素涂抹处理最高(1.21 mg·g^-1),清水对照最低(0.51 mg·g^-1);果实¹⁵N吸收量随着尿素浓度增加呈持续升高趋势.表明尿素水溶液叶施可不同程度地提高叶片光合产物和氮素向果实转移分配的能力,以1.8%尿素涂抹处理叶片光合产物向果实转移分配能力最强,同时避免了过多的氮素向果实的输入.     

“一带一路”背景下中蒙俄经济走廊生态敏感区分析

中蒙俄经济走廊作为"一带一路"最北端的走廊,是我国进行重要经济战略对接和落实的平台,具有重大地缘战略意义。随着中蒙俄经济走廊开展的项目合作不断深化,生态环保合作显得尤为重要。基于环保信息平台,采用随机森林机器学习算法,结合中蒙俄经济走廊的国内外卫星遥感图像、保护区和植被敏感度数据,对中蒙俄经济走廊沿线100 km缓冲区开展生态敏感性分析。分析结果表明:缓冲区生态资源丰富,生态系统脆弱;湿地和保护区的分布对缓冲区项目建设具有生态限制;自然条件的制约对合作构成了一定的挑战;缓冲区土地开发利用程度存在明显差异。为更好地支持中蒙俄经济走廊建设,科学合理选线提供参考。     

基于深度学习的红外相机动物影像人工智能识别：以东北虎豹国家公园为例

为解决大量红外相机监测影像数据量庞大、亟待快速和自动识别的问题,本研究以东北虎豹国家公园为例,应用卷积神经网络,通过深度学习算法对红外相机影像实现物种自动识别。本研究选择8个物种的红外相机视频影像,以50帧率均匀采集成图片格式,每个物种筛选不同角度、不同环境条件的图片,建立图片数据集,训练集2 074张,测试集519张。对图片进行目标打框、信息标注,选用darknet框架下的YOLO v3模型进行训练,首先不区分昼（RGB）夜（灰度）图像进行训练,再区分昼夜进行训练,最后分别对昼夜图像利用微调（fine-tune）进行训练。研究初步结果显示,基于YOLO v3模型对自然条件下拍摄的红外相机图像进行物种自动识别能够一定程度减轻人力负担,但其效果还需通过完善数据集进行提升。fine-tune在小数据集时或可作为辅助。模型对8个物种识别的平均精确率达到 84.9%~96.0%,且模型收敛。       

经肠道播散诱导内源性感染小鼠模型的建立及评价

目的建立经肠道播散诱导发生内源性感染的小鼠模型,为研究肠道微生态与内源性感染的相关机制提供可靠的实验模型。方法24只ICR雌性小鼠随机分为模型组A、模型组B和对照组C。模型组A给予广谱抗生素溶液口服破坏肠道正常菌群后尾静脉注射5-氟尿嘧啶(5-FU)进行免疫抑制。在模型组A的基础上给予白假丝酵母菌灌胃引入机会性致病菌即为模型组B。对照组C同等方法给予生理盐水处理。实验过程中持续观察小鼠粪便菌群变化,平板计数法检测小鼠组织载菌量,HE染色观察小鼠肺、肝、盲肠和大肠组织病理变化,荧光定量PCR法观察小鼠肠道主要菌群定量变化。结果实验终点时模型组A小鼠组织器官均出现细菌感染,模型组B小鼠表现为细菌和真菌混合感染。两模型组小鼠肺和肝脏组织器官均表现为典型的炎症表现,而盲肠和大肠表现为黏膜炎症和屏障完整性被破坏。肠道菌群定量结果显示两模型组肠道主要菌群结构发生紊乱,肠道定植抗力下降,B/E值<1。结论在小鼠肠道菌群紊乱和免疫抑制的条件下,肠道致病菌或机会致病菌突破肠道黏膜屏障引起组织器官感染,该模型能够为从肠道微生态方面预防及控制内源性感染的研究提供可靠的模型基础。