基于高通量測序分析紅棗枸杞浸泡酒對小鼠腸道菌群的影響

胡博,陳雪梅,唐曉姝,張白曦*,郭自濤

1(國家功能食品工程技術研究中心(江南大學),江蘇 無錫,214000)2(江南大學 食品學院,江蘇 無錫,214000)3(糧食發酵與食品生物制造國家工程研究中心(江南大學),江蘇 無錫,214000)

長期過量飲酒會導致腸道菌群紊亂,肝臟功能受損[1],而適量飲酒能夠減少機體炎癥反應的發生,降低高血壓、冠心病、動脈粥樣硬化、癡呆等疾病的發病風險[2-3]。

飲酒后,酒精主要通過胃腸道進入體內,其中90%～98%由門靜脈進入肝臟進行后續的分解代謝,其余以尿液、汗液及呼吸的形式排出體外。酒精在消化道中吸收與器官的表面積密切有關,腸道由于具有腸絨毛等獨特的生理結構,形成的黏膜表面積相對較大,是酒精在體內吸收代謝的重要器官。人體腸道細菌總量約為人體細胞總數的10倍[4]。腸道微生物種類繁多,以厚壁菌門(Firmicutes)及擬桿菌門(Bacteroidetes)為主(約占總腸道菌群90%以上)[5]。酒精作為典型的外源物質,能夠引發菌群在數量與組成上的變化。飲酒者空腸液細菌培養實驗發現,厭氧菌及需氧菌的相對豐度較未飲酒者明顯增加,在酒精性肝損傷動物和人體模型中也觀察到同樣的結果[6-8]。在酒精暴露人群結腸組織檢查的實驗中發現,變形菌門相對豐度顯著增加而擬桿菌門豐度顯著降低[9]。宏基因組分析也證實了腸道菌群的多樣性且優勢菌門在攝入酒精后明顯發生改變[10-11]。此外,過度飲酒還會影響腸道黏膜屏障功能,造成腸道菌群易位。酒精的攝入會抑制多種與腸道屏障功能相關蛋白的表達,如緊密連接蛋白(occludin and zona-occludens-1,ZO-1)、黏蛋白2(Mucin2)及胰島再生源蛋白3(Reg3)等[12-13]。研究發現,大鼠灌胃乙醇僅7 d就可以檢測到腸道細菌易位[14]。因此,在研究開發含酒精類功能飲品時,有必要考察其對腸道菌群的影響。

隨著生活水平的提高,消費者健康意識的增強,白酒產品開始向優質、低度、營養健康、多品種方向發展,尤其是保健飲品開始迅速發展和流行[15]。枸杞是一種傳統的中草藥,具有多種生物活性和藥理作用,可用來治療高脂血癥[16]、糖尿病[17]及癌癥[18]等疾病。紅棗含有蛋白質、糖類、有機酸、氨基酸、維生素A、維生素C等豐富的營養成分[19]。浸泡酒作為一種傳統的食品加工工藝,制作簡便,成本低廉,一直以來受到廣泛的好評。本研究以紅棗枸杞為原料,蒸餾白酒為基酒制備浸泡酒,旨在探究功能性浸泡酒對小鼠腸道菌群的影響,為綜合利用低值農產品,增加紅棗、枸杞附加值,進一步開發具有調節腸道菌群功能的保健酒提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

紅棗、枸杞、濃香型蒸餾白酒(酒精度55%vol),無錫市歐尚超市；低聚果糖(分析純),上海麥克林生物技術有限公司。

FastDNA Spin Kit for Feces細菌基因組提取試劑盒,北京聯立信生物技術有限公司；PCR Clean Up Kit PCR純化試劑盒,碧云天生物技術有限公司。

1.2 儀器與設備

Freezone Plus冷凍干燥機,美國labconco公司；5830R型離心機,德國Eppendorf公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

以紅棗、枸杞為原料,洗凈晾干,紅棗去核后,與枸杞共同切成2 mm左右的薄片,紅棗、枸杞用濃香型蒸餾白酒以料液比1∶1∶10(g∶g∶mL)浸泡在陶罐中,加蓋密封后25 ℃避光貯存3個月,得到酒精度為50%vol的浸泡酒。

1.3.2 動物分組

試驗動物采用SPF級雄性c57/6 J小鼠,18～22 g,上海斯萊克實驗動物有限責任公司。試驗設蒸餾酒對照組(10 mL/kg BW)、低聚果糖對照組(低聚果糖 1.0 g/kg BW)、紅棗枸杞浸泡酒低(10 mL/kg BW)、高(20.0 mL/kg BW)2個劑量組,每組10只。酒精劑量根據中國居民膳食營養素參考攝入量(2013年版)成人(60 kg)的酒精每日最高攝入量(30 mL)換算為酒精體積分數50%的浸泡酒,則推薦受試物成人每日攝入量為60 mL。換算為本次小鼠每日灌胃劑量為10.0 mL/kg BW,作為本次實驗的低劑量組。高劑量組設為低劑量組的2倍,即20.0 mL/kg BW。根據參考文獻[20],對于含乙醇的受試樣品,如果乙醇體積分數超過15%,允許將其體積分數降至15%。因此將浸泡酒進行旋蒸,將乙醇體積分數降至15%,并調配至相應劑量。

1.3.3 實驗周期及糞便采集

試驗動物在溫度為20～26 ℃、相對濕度為40%～70%的江南大學實驗動物中心屏障設施SYXK(蘇)2021-0056飼養。輻照滅菌飼料和墊料均由江蘇省協同醫藥生物工程有限責任公司提供,蘇飼證(2014)01008。動物實驗方案經江南大學實驗動物福利與倫理審查批準,審批號JN.No20200710b0501030[148]。

實驗共計21 d,前7 d為適應期,第8～21天為灌胃期。小鼠飼養期間采用江南大學實驗動物中心提供的動物用水和飼料。第21天灌胃結束后收集小鼠糞便樣品,將單只小鼠轉移至獨立的已滅菌的鼠籠,采集新鮮糞便,置于冰上,2 h內帶回實驗室,保存于-80 ℃。實驗結束,腹腔注射戊巴比妥鈉溶液(200 mg/kg)使小鼠安樂死。

1.3.4 DNA提取及測序

將小鼠糞便通過干冰運送至華大基因測序公司,采用FastDNA Spin Kit for Feces 試劑盒提取小鼠糞便中的細菌基因組,設計擴增引物,以稀釋后的基因組DNA為模板,擴增16S rRNA基因V3和V4區(前端引物343F序列為5′-TACGGRAGGCAGCAG-3′,后端引物798R序列為5′-AGGGTATCTAATCCT-3′)。采用PCR Clean Up Kit試劑盒進行PCR純化,文庫先由 Agilent Technologies 2100 bioanalyzer 進行質檢,按照 Illumina 的標準流程在 Illumina HiSeq 2500 平臺上測序,產生 2×250 bp 的配對端序列[21]。

1.3.5 生物信息學分析

測序結束后,利用Trimmomatic軟件對原始雙端序列進行去雜,去雜后的雙端序列利用FLASH(fast length adjustment of short reads,v1.2.11)軟件進行拼接,并利用UCHIME(v4.2.40)檢測去除序列中的嵌合體序列。測序數據預處理生成優質序列之后,采用USEARCH(v7.0.1090)軟件,按照97%的相似度進行操作分類單位(operational taxonomic unit,OTU)分類,對比Silva(version123)數據庫比對注釋,得到每個OTU對應的物種信息,物種比對注釋使用RDP classifier軟件,保留置信區間大于0.7的注釋結果。對測得的有效數據進行分類單元聚類、OTUs豐度、Alpha/Beta多樣性分析。基于糞便微生物群在多種分類水平上的相對豐度,統計分析不同組在各分類水平上的顯著差異。利用PICRUSt1軟件將測序得到的菌群組成“映射”到KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)數據庫中,對菌群功能和代謝途徑進行預測分析[22-23]。

1.4 數據分析

所有數據經 SPSS 25.0 統計軟件進行顯著性分析,P<0.05為差異顯著。除特別說明外,結果均以平均值±標準偏差表述。使用Origin 8.0和 Graphpad Prism 8 軟件進行作圖。

2 結果與分析

2.1 菌群alpha多樣性分析

由表1可知,Coverage指數均高于0.99,反映了此次測序深度已基本覆蓋到樣品中的所有物種。灌胃紅棗枸杞浸泡酒后,ACE指數相對蒸餾酒對照組雖無顯著性提高(P>0.05),但是從均值水平來看,具有增高的趨勢。統計分析顯示,實驗后各組在Shannon和Simpson指數水平上無顯著差異(P>0.05),但是紅棗枸杞浸泡酒低、高劑量組Shannon指數均值大于蒸餾酒對照組,而Simpson指數均值小于蒸餾酒對照組,較大的Shannon指數與較小的Simpson指數可以反應更高的菌群多樣性。綜上分析,雖然紅棗枸杞酒組相對于蒸餾酒對照組在alpha 多樣性指數水平上無顯著性差異,但是各指數均值呈現了增加或降低的變化趨勢,表明紅棗枸杞浸泡酒在一定程度上可增加小鼠腸道菌群的豐富度和多樣性。

表1 各組樣品的alpha多樣性分析

2.2 基于OTU豐度的主成分分析

為了探究不同組別之間的物種多樣性差異,基于樣本OTU的豐度對數據進行了主成分分析,采用的距離矩陣算法為Bray curtis(圖1)。通過主成分分析可知,實驗組和對照組發生明顯的分離[permutational multivariate analysis of variance(PERMANOVA)：P=0.001；R2=0.546],這表明實驗組和對照組的腸道菌群的物種結構組成存在顯著性差異。

圖1 基于OTU豐度的主成分分析

2.3 門水平菌群組成及物種差異性分析

針對小鼠糞便樣本進行了各分類水平菌群組成分析,如圖2-a所示,在門水平上,擬桿菌門(Bacteroidetes)及厚壁菌門(Firmicutes)在所有樣本中為主導,平均占比>90%,其次為Proteobacteria、Verrucomicrobia、Actinobacteria、Tenericutes、TM7等,其他相對豐度<0.5%及未注釋的物種統一歸類于Unclassified。通過Stamp軟件Tukey-Kramer算法對厚壁菌門/擬桿菌門比值進行分析,結果如圖2-b所示,與蒸餾酒對照組相比,低劑量組、高劑量組、低聚糖組中厚壁菌門與擬桿菌門豐度比值顯著降低(P<0.05)。低、高劑量紅棗枸杞浸泡酒組相對于蒸餾酒對照組分別降低了50.87%和53.16%。研究表明,厚壁菌門/擬桿菌門比值的增加,與多種疾病如炎性腸病[24-25]、肥胖癥[26]及便秘[27-28]的發生發展密切相關。研究結果表明,紅棗枸杞浸泡酒可以調節腸道菌群結構,適當飲用可能具有改善相關病征的潛力,具體效果與機制需要進一步通過實驗驗證。

a-門水平相對豐度；b-厚壁菌門與擬桿菌門豐度比值

2.4 屬水平菌群組成及物種差異性分析

通過SPSS 25.0單因素ANOVA檢驗中最低顯著性差異(least significant difference,LSD)統計檢驗方法對小鼠糞便樣本進行了屬水平菌群組成分析,如圖3-a所示,對有顯著差異的物種進行深入分析。結果表明,低、高劑量紅棗枸杞浸泡酒組在擬桿菌屬(Bacteroidetes,圖3-b)、梭狀菌屬(Clostridium,圖3-c)、乳桿菌屬(Lactobacillus,圖3-d)、阿德勒克羅伊茨菌屬(Adlercreutzia,圖3-e)及顫螺菌屬(Oscillospira,圖3-f)相對豐度水平上顯著高于對照組(P<0.05)。WANG等[29]研究發現低聚糖類如低聚果糖、低聚半乳糖及低聚異麥芽糖等可增加小鼠腸道內容物中擬桿菌屬豐度,與實驗中低聚糖對照組結果相同。而紅棗枸杞浸泡酒低、高劑量組在Bacteroidetes相對豐度上與陽性對照組無顯著差別。已有研究發現,Clostridium可通過刺激腸道細胞增強神經遞質類物質5-羥色胺的釋放,從而間接發揮促進腸道蠕動等益生作用[30]；且相關實驗已證實低聚糖的干預會增加Clostridium相對豐度[31-32]。另外,研究表明,Lactobacillus與維持腸道系統的微生態平衡、pH值和腸道上皮完整性有關[33-34],腸道內Adlercreutzia、Oscillospira豐度的增加,可有效緩解腸易激綜合征、炎癥及肥胖相關病癥[35-36]。因此,以上各菌屬相對豐度的增加有利于宿主發揮明顯的益生功能。綜上所述,在屬水平上差異分析結果表明適當飲用該浸泡酒可能具有優化宿主腸道菌群結構,發揮益生功能的潛力。

a-屬水平相對豐度；b-擬桿菌屬;c-梭狀菌屬;d-乳桿菌屬;e-阿德勒克羅伊茨菌屬;f-顫螺菌屬

2.5 糞便菌群預測功能的差異性分析

為進一步了解紅棗枸杞浸泡酒對腸道菌群預測功能的改變,對各組樣品測序信息在 KEGG 代謝途徑第2水平上的功能差異進行對比分析,結果如圖4所示。低劑量組腸道菌群預測功能在多糖生物合成代謝、氨基酸代謝及輔酶因子維生素代謝方面顯著高于蒸餾酒對照組(圖4-a),高劑量組腸道菌群預測功能在核苷酸代謝、復制和修復功能及其他氨基酸代謝功能方面顯著高于蒸餾酒對照組(圖4-b)。上述結果表明,攝入紅棗枸杞浸泡酒后,小鼠腸道菌群的一些代謝功能有一定的提高。結合圖3-a、圖3-b、圖3-d 結果可知,Bacteroidetes和Lactobacillus在腸道菌群結構屬水平中占據優勢地位,兩者相對豐度之和在各組中均大于50%。特別是在浸泡酒組中,兩者相對豐度之和大于70%。因此,可推測Bacteroidetes和Lactobacillus兩個屬相對豐度的變化將會顯著影響腸道菌群的功能。研究表明,擬桿菌屬中物種具有多種益生作用,可幫助宿主分解利用多糖,產生短鏈脂肪酸為宿主提供能量[37]。此外,在促進腸黏膜的血管再生和免疫系統的發育方面也發揮著重要作用[38]。乳酸桿菌屬是益生菌研究的主要對象,該菌屬在改善胃腸道功能、增強免疫力等生理活動上發揮著重要作用[33-34]。因此,可推測攝入紅棗枸杞浸泡酒后腸道菌群預測功能的差異可能主要是由腸道菌群相對豐度的變化引起的。

a-低劑量組與對照組；b-高劑量組與對照組

3 結論

本研究基于高通量測序評價了紅棗枸杞浸泡酒對小鼠腸道菌群的影響,結果表明,各組與蒸餾酒對照組相比,小鼠腸道菌群均發生顯著變化。在門水平上,其厚壁菌門與擬桿菌門豐度比值顯著下降(P<0.05)；在屬水平上,乳酸菌屬、擬桿菌屬、梭菌屬豐度顯著增加(P<0.05)；糞便菌群功能預測結果顯示,攝入紅棗枸杞浸泡酒后,小鼠腸道菌群的一些代謝功能有一定的提高。綜上,可推測適當飲用紅棗枸杞浸泡酒可能會調節宿主腸道菌群結構,促進腸道中有益菌的增殖,具有改善腸道功能和維持腸道微生態穩定的潛力。