中科院最新文章解析人类母乳微生物菌群
母乳是婴儿最健康、理想的营养来源, 也是人类进化和文明最重要的特征之一. 最新的宏基因组学研究表明母乳含有高达数百种细菌, 而且包括一些常见的病原菌. 母乳微生物菌群是人类与微生物协同进化相互适应的产物, 而“微生物群落-宿主”生态系统的动态平衡则应是保持健康母乳的基础. 然而, 迄今为止, 从生态学角度对母乳微生物菌群的研究近乎空白.
近期来自中科院昆明动物研究所，安徽大学的研究人员发表论文，应用宏观生态学中的“中性”理论和 Taylor 幂法则分析探讨了母乳菌群群落多样性的进化和维持机制、细菌种间相互作用的机制以及由此产生的细菌种群分布格局. 两项理论模型分析交叉验证了母乳微生物群落分布的异质性和非随机性特征, 预示了群落中物种间存在一定程度的生态位分化以及占主导作用的优势物种.
研究发现, 母乳喂养可降低婴儿患腹泻和呼吸道感染等疾病的风险, 提高婴儿的代谢功能和免疫能力. 目前人们对母乳的关注多集中在其丰富的营养成分, 如蛋白质、脂肪酸、维生素和矿物质等. 然而随着实验技术和新一代测序技术的发展, 人们发现母乳与人体其他部位一样存在丰富的微生物菌群.
之前的研究采用 DNA 二代测序技术首次全面地研究了母乳微生物群落的多样性和随时间变化的相对稳定性特征, 发现金黄色葡萄球菌(Staphylococcus)和链球菌(Streptococcus)是母乳中含量最丰富的菌属. 除此之外, 另有来自其他7个属的微生物也普遍存在于母乳中. 这些共有微生物(core species)几乎占总群落的一半. 母乳微生物群落与人体宿主构成一个复杂的生态系统, 而该生态系统的动态稳定性直接影响人体的健康状况. 因此从生态学角度研究母乳微生物群落结构的多样性和稳定性具有重要意义.
然而, 由于绝大多数人体微生物都无法人工培养, 因此在 DNA测序技术, 特别是宏基因组技术成熟之前, 无法确定人体微生物的群落组成, 更谈不上对群落多样性和稳定性的研究. 宏基因组技术的成熟催生了 2008 年前后展开的人类宏基因组研究计划(human microbiome project, HMP). 该计划为微生物群落生态学的复兴奠定了坚实的技术基础.
人体微生物群落是人类与微生物协同进化适应的结果. 微生物群落-宿主生态系统的动态平衡(特别是群落多样性和稳定性)与人体健康状况密切相关, 因此人体微生物菌群很大程度上是“医学生态学”(medicalecology)问题. Hunt等人对取自 16位哺乳期妇女的 47 份母乳样本进行了宏基因组测序研究, 提供了迄今为止最为全面的母乳细菌菌群测序数据. 然而他们对其所获得数据的分析基本限于对群落组成以及多样性指数的简单分析, 并未应用任何生态理论或模型对数据进行综合全面地分析.
这篇文章将宏观生态学中 Taylor 幂法则 (Taylor’s power law)及其扩展模型和中性理论模型应用于母乳微生物群落的生态学特征研究. Taylor 发现, 自然界单种种群(single-species population)丰富度(population abundance)的均值和方差之间符合幂法则模型. Ma又将幂法则模型从种群生态水平扩展到群落生态水平. 此后, Zhang 等人将其应用于肠道微生物空间分布异质性的研究. 群落的构建(community assembly)和群落物种多样性的维持机制(maintenance mechanism of species diversity)一直是生态学研究的焦点.
最初的生态位理论认为, 群落中物种生态位的分化等确定性因素在群落构建和物种多样性的维持中占主导地位. 但在很多情况下, 物种的
生态位分化并不明显, 生态位理论并不能很好地解释群落的构建和维持机制. 另一种观点认为, 群落构建及其多样性机制维持是随机性的——即中性理论(neutral theory)在 2001 年提出的. 它解释了生态群落中物种的多样性共存机制和物种多度分布(species abundance
distribution), 即群落中每个物种所具有的个体数的分布特征. Stephen Hubbell 的中性理论具有2个基本假设:
(1) 群落中所有个体具有相同的出生率、死亡率以及迁移率, 它们在生态群落中的作用相同； (2) 群落中总的个体数不变, 即新个体的诞生或迁入必然伴随着已有个体的死亡或迁出. 根据中性理论的 2个假设, 群落的多度分布应该符合零和多项式模型.
这项研究应用“中性”理论和 Taylor 幂法则分析探讨母乳菌群中细菌种间相互作用的机制, 以及由此产生的细菌种群分布格局. 文章指出，母乳对婴儿和孕妇的健康有重要影响, 其不仅含有丰富的营养成分还含有高达数百种的细菌. 正常情况下, 母乳菌群中的“机会性”病原菌不会对婴儿和母亲有任何不良作用. 传统医学认为一种疾病通常对应一种病原体(pathogen), 而某些疾病却一直找不到确定的病原. 最近的人类微生物组计划的一些研究表明, 某些疾病的产生是由于人体微生物生态系统遭到破坏的结果. 这也是在后基因组时代被重新定义的“医学生态学”.
母乳微生物非随机的异质性分布特征, 对后续研究群落结构、 功能及其稳定性有着重要意义.
