明 磊,戴習林*,江宗冰,丁福江
(1.上海海洋大學/農業(yè)部淡水水產種質資源重點實驗室,上海 201306; 2.上海申漕特種水產開發(fā)公司,上海 201516)
羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)屬節(jié)肢動物門(Arthropoda)、甲殼綱(Crustacea)、十足目(Decaplda)、游泳亞目(Natqntin)、長臂蝦科(Palaemonidae)、沼蝦屬(Macrobrachium),自然分布于東南亞各國,印度、斯里蘭卡、泰國、馬來西亞、柬埔寨、越南、菲律賓等國的淡水、半咸水環(huán)境中均有分布,被不少國家和地區(qū)移養(yǎng)繁殖,成為移養(yǎng)地的主要淡水養(yǎng)殖品種[1]。近年來,由于養(yǎng)殖模式集約化以及養(yǎng)殖水環(huán)境惡化等問題,羅氏沼蝦病害日趨嚴重,其中由弧菌引起的細菌性疾病可發(fā)生于羅氏沼蝦的親蝦培育和育苗階段,臨床表現(xiàn)為肌肉白濁、紅體等,病蝦常浮于水面,給羅氏沼蝦的苗種業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)帶來巨大危害。
溶藻弧菌(Vibrioalginolyticus)屬于弧菌科(Vibrionaceae)、弧菌屬(Vibrio),為革蘭氏陰性短桿菌[2],廣泛分布于世界各地海水及河口區(qū)[3],數量在海水類弧菌中居于首位[4],對魚、蝦、蟹等水產動物均具有較強的致病性。為了提高羅氏沼蝦的抗病性能,筆者所在實驗室自2011年通過自然選擇和人工感染溶藻弧菌開展了羅氏沼蝦的抗病選育工作。為了進一步了解羅氏沼蝦抗病子3代群體的抗病性能,本研究通過對羅氏沼蝦進行溶藻弧菌肌肉注射感染,借助高通量測序首先分析了注射溶藻弧菌后羅氏沼蝦體內菌群的變化,然后對感染成活率最高和最低的抗病選育群體以及非選育群體的養(yǎng)殖池水及腸道組織進行菌群多樣性分析,以期為羅氏沼蝦的免疫機制研究以及進一步選育提供理論依據。
試驗親蝦的基礎群體來源于上海申漕特種水產開發(fā)公司的人工養(yǎng)殖繁殖群體(已連續(xù) 15 a閉鎖選育),采取肌肉注射方法感染溶藻弧菌,存活的健康羅氏沼蝦群體作為抗病專門化品系選擇系的基礎群體[5]。試驗用蝦是經人工選擇配對和育苗并自然交尾建立的4個羅氏沼蝦抗病專門化品系中選擇系子3代群體(A、B、C、D)和1個上海申漕特種水產開發(fā)公司繁育養(yǎng)殖的非選育群體(E)。5個群體試驗用蝦規(guī)格一致,體長(8.25±0.73)cm,體質量(16.76±4.76)g,于水泥池(8 m×3 m×1.2 m)中養(yǎng)殖。試驗用溶藻弧菌為從上海申漕特種水產開發(fā)公司的羅氏沼蝦親蝦培育池養(yǎng)殖水體中分離,經鑒定傳代保種的溶藻弧菌菌種,對羅氏沼蝦具有很強致病性[5]。試驗用水為24 h曝氣后經檢測無余氯殘留的自來水。
1.2.1 菌懸液的制備 將菌種在牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基中活化,然后在TCBS固體培養(yǎng)基中進行劃線分離,37 ℃培養(yǎng)24 h;挑選長勢良好的菌落接種于牛肉膏蛋白胨液體培養(yǎng)基,于28 ℃、200 r/min恒溫振蕩培養(yǎng)箱富集培養(yǎng)18 h;收集菌液,4 ℃、4 000 r/min離心10 min后棄上清液,無菌生理鹽水洗滌沉淀2次后按要求稀釋成1×108cfu/mL(采用平板活菌計數法)的菌懸液,4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
1.2.2 注射感染試驗及肌肉組織的取樣 做試驗前將試驗水槽(70 cm×50 cm×40 cm)沖洗干凈,用5‰高錳酸鉀水溶液浸泡30~60 min進行消毒,最后用自來水沖洗干凈。向水槽中注入占水槽體積2/3的自來水,充分曝氣24 h后放蝦。
對4個抗病選育群體(A、B、C、D)和1個非選育群體(E)進行弧菌注射感染試驗,各羅氏沼蝦群體的對照組(a、b、c、d、e)注射生理鹽水,每個試驗組均設2個平行。感染方法為肌肉注射法,在第二、三腹節(jié)間注射1×108cfu/mL的溶藻弧菌懸液(此劑量經預試驗確定),注射劑量為3×106cfu/g。
每個平行組感染20只蝦(1 min內感染完成),分別在感染后5、30、60、90、120 min取樣,每個平行組在不同取樣時間點各隨機選取1只存活的羅氏沼蝦,于無菌條件下取感染部位(第二、三腹節(jié)間)的肌肉放入滅菌離心管中(同一試驗組的2個平行肌肉樣品放1個離心管),標記后-80 ℃冷凍保存。樣品編號:A群體感染組編號依次為A1、A2、A3、A4、A5,其生理鹽水對照組為a1、a2、a3、a4、a5;以此類推,共50個樣品。
取完蝦樣后,每個平行組感染30只蝦用來統(tǒng)計不同群體的感染成活率,試驗周期為15 d,每天定時統(tǒng)計各組的死亡只數。試驗蝦的日常管理工作參照文獻[5]的方法進行。
1.2.3 羅氏沼蝦腸道和養(yǎng)殖水環(huán)境的取樣 對感染成活率最低、最高的羅氏沼蝦抗病選育群體以及非抗病選育群體進行取樣,取樣樣品包括羅氏沼蝦的水泥池(8 m×3 m×1.2 m)養(yǎng)殖水體及腸道組織。養(yǎng)殖水體樣品的編號依次為F、G、H,腸道組織的編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。取樣方法為每個養(yǎng)殖水泥池的四角和中間分別取500 mL水體,混合后用0.22 μm孔徑的無菌纖維素濾膜進行抽濾,無菌濾膜-80 ℃保存?zhèn)溆?。同時每個池挑選規(guī)格一致的10只蝦(每個取樣點2只),于冰上無菌操作獲取腸道組織,將10只蝦的腸道混合成一個樣品。
1.2.4 高通量測序 用 OMEGA 公司的 Soil DNA試劑盒提取羅氏沼蝦組織樣本和養(yǎng)殖水體中的細菌總DNA,用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA完整性。PCR擴增的引物序列為338F:5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′,806R:5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′。PCR擴增采用20 μL反應體系:5×Fast Pfu Buffer 4 μL,2.5 mmol/L dNTPs 2 μL,引物(5 μmol/L)各0.8 μL,BSA 0.2 μL,F(xiàn)ast Pfu Polymerase 0.4 μL,Template DNA 10 ng,補 ddH2O 至20 μL。PCR反應條件:95 ℃變性180 s;95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 45 s,28 個循環(huán);72 ℃延伸10 min。使用上海美吉生物公司16s-338F-806R MiSeq測序平臺進行測序。
1.2.5 測序數據的分析
1.2.5.1 數據分析流程 數據分析流程主要包括:數據處理→聚類(Operational taxonomic unit,OTU)→分類學分析。其具體分析方法為:使用Trimmomatic和FLASH軟件對數據進行優(yōu)化和統(tǒng)計;采用Usearch(Version 7.1,http://drive5.com/uparse/)軟件平臺進行OTU聚類,采用RDP classifier貝葉斯算法對97%相似水平的OTU代表序列進行分類學分析,并分別在各個分類水平統(tǒng)計各樣本的群落組成;計算統(tǒng)計學分析指數(Chao、Ace、Shannon、Simpson),估計環(huán)境群落的物種豐度和多樣性;使用97%相似度的OTU,利用mothur進行稀釋性分析,利用R語言工具制作稀釋性曲線圖;使用97%相似度的OTU,利用mothur計算不同隨機抽樣下的多樣性指數Shannon值,利用R語言工具制作曲線圖;OTU分布Venn圖利用R語言工具統(tǒng)計并作圖;利用R語言進行主成分分析(PCA)并作圖;利用R語言或Excel制作群落結構組分圖。
1.2.5.2 統(tǒng)計學分析指數(Chao、Ace、Shannon、Simpson)的計算公式 Chao:用Chao1算法估計樣本中所含OTU數目的指數,Chao1在生態(tài)學中常用來估計物種總數。計算公式如下:
式中,SChao1=估計的OTU數;Sobs=實際觀測到的OTU數;n1=只含有1條序列的OTU數目(如“singletons”);n2=只含有2條序列的OTU數目(如“doubletons”)。
Ace:用來估計群落中OTU數目的指數,是生態(tài)學中估計物種總數的常用指數之一,與Chao1的算法不同。計算公式如下:
式中,ni=含有i條序列的OTU數目;Srare=含有“abund”條序列或者少于“abund”的OTU數目;Sabund=多于“abund”條序列的OTU數目;abund=“優(yōu)勢”O(jiān)TU的閾值,默認為“10”。
Simpson:用來估算樣本中微生物多樣性的指數之一,在生態(tài)學中常用來定量描述一個區(qū)域的生物多樣性。Simpson指數值越大,說明群落多樣性越低。
式中,Sobs=實際觀測到的OTU數目;ni=第i個OTU所含的序列數;N=所有的序列數。
Shannon:用來估算樣本中微生物多樣性的指數之一。它與Simpson多樣性指數常用于反映alpha多樣性指數。Shannon值越大,說明群落多樣性越高。
式中,Sobs=實際測量出的OTU數目;ni=第i個OTU所含的序列數;N=所有的序列數。
Coverage :是指各樣本文庫的覆蓋率,其數值越高,則樣本中序列被測出的概率越高,而沒有被測出的概率越低。該指數反映本次測序結果是否代表了樣本中微生物的真實情況。
式中,n1=只含有1條序列的OTU數目;N=抽樣中出現(xiàn)的總序列數目。
由圖1和圖2可知,56個樣品(50個肌肉組織、3個水樣和3個腸道組織)曲線逐漸趨向平坦,表明測序數據量合理,有效測序數量已經能夠很好地覆蓋測序樣品的菌群組成。由表1可知,A群體感染組的Ace指數最高,E群體對照組的Ace最低;C群體感染組的Shannon多樣性指數(3.30)最高,Simpson指數最低(0.080 0);D群體對照組的Shannon多樣性指數(2.54)最低,Simpson指數最高(0.243 1)。觀察發(fā)現(xiàn),各群體感染組的Simpson指數均低于對照組,說明感染溶藻弧菌會導致羅氏沼蝦組織的菌群多樣性升高。由表2可知,水樣F的Simpson指數最低(0.094),菌群多樣性最高;水樣H的Simpson指數最高(0.131),菌群多樣性最低。腸道組織樣品Ⅰ的Simpson指數最高(0.321),菌群多樣性最低;腸道組織樣品Ⅲ的Simpson指數最低(0.087),菌群多樣性最高。
由表3可知,4個羅氏沼蝦抗病選育群體的注射生理鹽水對照組均未檢測出弧菌,而非選育群體的對照組于60 min檢測出0.008 13%的弧菌,表明羅氏沼蝦的抗病選育取得了一定效果。注射感染組中,A群體的蝦5個時間段中體內弧菌含量都為0,表明A群體有較強的抗弧菌感染能力,選育效果明顯;C群體的蝦體內平均弧菌含量高達2.718 40%,抗弧菌感染能力在5個群體中最低,選育效果不明顯;B群體的蝦體內平均弧菌含量為0.002 83%,抗弧菌感染能力僅次于A群體;D、E群體的體內平均弧菌含量相差不大。根據5個時間段中不同群體蝦肌肉組織的平均弧菌含量,得到5個群體的抗弧菌感染能力為A>B>E>D>C。
圖1 羅氏沼蝦肌肉組織樣品高通量測序結果的稀釋性曲線
圖2 羅氏沼蝦養(yǎng)殖水體及腸道組織高通量測序結果的稀釋性曲線
組別OTUAceCoverageShannonSimpsonA485.4±210.78572.2±264.660.996 1±0.003 13.19±0.230.107 2±0.026 8a412.6±53.68 474.4±60.38 0.997 4±0.001 33.26±0.630.126 9±0.067 2B287.6±120.96324.4±130.590.998 5±0.000 63.09±0.310.092 4±0.008 0b389.8±115.77490.2±92.74 0.997 7±0.000 42.91±0.380.174 5±0.046 2C367.6±115.01427.0±131.850.997 5±0.001 43.30±0.400.080 0±0.022 4c292.0±34.57 339.4±34.04 0.997 5±0.002 32.83±0.190.167 4±0.034 1D390.0±272.53448.6±299.490.997 9±0.001 23.08±0.520.110 7±0.021 3d339.0±145.80406.0±146.700.997 1±0.001 42.54±0.930.243 1±0.203 9E345.4±211.40435.8±230.350.996 8±0.002 73.06±0.590.100 2±0.014 7e268.4±69.81 299.8±93.91 0.998 4±0.001 12.67±0.090.190 0±0.025 4
表2 基于16S rRNA基因序列的羅氏沼蝦腸道組織和養(yǎng)殖水環(huán)境細菌多樣性指數
表3 注射感染后不同時間段抗病選育群體與非選育群體羅氏沼蝦體內的弧菌含量 %
本研究對4個羅氏沼蝦抗病選育群體和非選育群體進行人工注射溶藻弧菌感染,測試不同選育群體之間的抗弧菌感染能力差異。感染15 d后統(tǒng)計2個平行組的平均成活率,結果表明,不同群體間的抗病能力存在一定差異(圖3)。其中A群體的平均感染成活率最高,為83.33%,C群體的平均感染成活率最低,為58.33%,B、D、E群體的平均感染成活率分別為66.67%、61.67%、63.33%。A群體的抗病能力與C群體差異顯著(P<0.05),B、C、D、E群體間差異均不顯著。
不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)
如表4所示,感染組和對照組的羅氏沼蝦樣品中微生物主要分為6個門,分別是厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌門、放線菌門、軟壁菌門、酸桿菌門。各組樣品中厚壁菌門都占絕對優(yōu)勢,C群體對照組最高為71.63%;次優(yōu)勢類群為變形菌門,含量最高的為D群體對照組的41.90%,含量最低的為C群體對照組的21.08%;軟壁菌門和酸桿菌門在各組群體中含量相對較低。
從屬的分類水平進行分析發(fā)現(xiàn)(表5),各感染組芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、嗜冷桿菌屬的含量都高于對照組,而乳球菌屬、叢毛單胞菌屬(除了C群體)、乳酸桿菌屬的含量則明顯低于對照組。
表4 羅氏沼蝦抗病選育與非選育群體各組別肌肉組織樣品優(yōu)勢細菌門類及相對豐度 %
如表6所示,6個樣品中微生物主要分為3個門,分別是變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門。對感染成活率最低、最高的羅氏沼蝦抗病選育群體以及非抗病選育群體進行取樣,其中腸道組織樣品Ⅲ(非選育群體E)的變形菌門含量最高(69.48%),擬桿菌門含量最低(6.44%);水樣H(非選育群體E)的變形菌門含量最低(23.90%),擬桿菌門含量最高(67.56%);腸道組織樣品Ⅱ(選育群體A)的厚壁菌門含量最高(33.54%),水樣F(選育群體C)的厚壁菌門含量最低(3.03%)。
從屬的分類水平進行分析可發(fā)現(xiàn)(表7),水樣F(選育群體C)的優(yōu)勢菌群主要有黃桿菌屬(20.85%)、Aquibacter(21.75%)、赤桿菌屬(5.84%)、Perlucidibaca(8.60%)和Alishewanella(8.06%);腸道組織樣品Ⅰ(選育群體E)的優(yōu)勢菌群主要有黃桿菌屬(52.60%)、腸桿菌屬(18.78%)和芽孢桿菌屬(4.00%);水樣G(選育群體A)的優(yōu)勢菌群主要有黏著桿菌屬(31.54%)、Leisingera(10.22%)、Algoriphagus(6.79%)、假交替單胞菌屬(8.52%)和Ruegeria(6.33%);腸道組織樣品Ⅱ(選育群體A)的優(yōu)勢菌群主要有黃桿菌屬(11.21%)、腸桿菌屬(30.87%)、芽孢桿菌屬(15.17%)、類芽孢桿菌屬(10.19%)和Carboxylicivirga(5.25%);水樣H(非選育群體E)的優(yōu)勢菌群主要有黏著桿菌屬(10.37%)、Flavobacteriaceae unclassified(26.44%)、Leisingera(8.52%)、NS3a marine group(19.07%)和Algoriphagus(8.01%);腸道組織樣品Ⅲ(非選育群體E)的優(yōu)勢菌群主要有腸桿菌屬(22.54%)、芽孢桿菌屬(10.37%)、類芽孢桿菌屬(6.97%)和Aquabacterium(7.45%)。可以看出,養(yǎng)殖水體和腸道組織中的細菌相對豐度不同,但也共有一些優(yōu)勢菌屬。
表5 羅氏沼蝦抗病選育與非選育群體各組別肌肉組織樣品優(yōu)勢細菌屬類及相對豐度 %
注:其中*為常見益生菌。
表6 羅氏沼蝦選育與非選育群體腸道組織和養(yǎng)殖水環(huán)境優(yōu)勢細菌門類及相對豐度 %
表7 羅氏沼蝦選育與非選育群體腸道組織和養(yǎng)殖水環(huán)境優(yōu)勢細菌屬類及相對豐度 %
高通量測序技術是相對于第一代測序(Sanger法)技術,又稱新一代或第二代測序技術,具有測序通量高、準確度高、性價比高等優(yōu)點[6],為研究大規(guī)模環(huán)境樣品的菌群多樣性提供了強有力的工具。目前該技術已廣泛應用于淡水、海洋、土壤、動物消化系統(tǒng)等環(huán)境微生態(tài)結構的研究[7-10]。
有學者研究發(fā)現(xiàn),水產動物消化道和養(yǎng)殖水環(huán)境相通,養(yǎng)殖水環(huán)境會直接影響水產動物腸道組織的菌群結構[11-12]。也有很多研究者認為水產動物消化道的菌群結構具有相對獨立性,并不完全受養(yǎng)殖水環(huán)境的影響。張正等[7]研究發(fā)現(xiàn),池塘養(yǎng)殖半滑舌鰨消化道菌群的細菌種類多樣性和菌群組成結構都和池水中的細菌存在著明顯的不同,幾乎沒有相關性。王賢豐等[13]對擬穴青蟹的養(yǎng)殖水環(huán)境和腸道組織進行了菌群多樣性分析,結果表明,擬穴青蟹腸道與其池塘養(yǎng)殖環(huán)境中菌群結構密切相關,但腸道菌群相對獨立,其優(yōu)勢細菌種類與養(yǎng)殖環(huán)境中優(yōu)勢細菌種類無關。本研究對感染成活率最高的抗病選育群體A、感染成活率最低的抗病選育群體C和非抗病選育群體E的腸道組織和養(yǎng)殖水體進行了菌群多樣性比較,分析養(yǎng)殖水體是否會影響羅氏沼蝦腸道組織的菌群結構,從而探討對其感染成活率產生的影響。研究結果表明,羅氏沼蝦腸道和養(yǎng)殖水環(huán)境中的菌群密切相關,但腸道菌群相對獨立,并不完全受養(yǎng)殖水環(huán)境的影響。本研究水環(huán)境中黏著桿菌屬、Aquibacter等含量相對較高,而在腸道組織中含量相對較低;水環(huán)境中腸桿菌屬、芽孢桿菌屬、乳球菌屬等的含量相對較低,而在腸道組織中相對較高。
隨著養(yǎng)殖過程中各種疾病的頻繁暴發(fā),羅氏沼蝦的抗病選育工作顯得尤為重要,這其中益生菌是當前的研究熱點。已有研究結果表明,在斑節(jié)對蝦飼料中添加芽孢桿菌能有效提高對蝦的生長率和成活率,降低哈維氏弧菌對斑節(jié)對蝦的感染率[14]。張盛靜等[15]研究表明,在凡納濱對蝦飼料中添加芽孢桿菌能顯著提高對蝦抗哈維氏弧菌感染的能力,顯著降低對蝦腸道內弧菌數量。孟霄鵬等[16]以類芽孢桿菌作為益生菌投喂到凡納濱對蝦的飼料中,結果表明,類芽孢桿菌明顯改善對蝦腸道的菌群組成,提高對蝦的抗病能力。本研究結果顯示,抗病選育群體A的感染成活率顯著高于抗病選育群體C,而B、C、D、E群體間則差異不顯著。比較各群體感染組肌肉組織中細菌的相對豐度可以發(fā)現(xiàn),A組中類芽孢桿菌的含量最高,為8.95%,而C組中含量僅為0.02%;除此之外,C組中芽孢桿菌的含量最低,為31.16%,而A、B、D和E組中芽孢桿菌的含量則差異不顯著。研究表明,芽孢桿菌和類芽孢桿菌可能是造成A群體和C群體感染成活率差異顯著的原因。為了進一步分析產生顯著差異的原因,本研究對A群體和C群體的養(yǎng)殖池水和腸道組織進行菌群多樣性分析。結果表明,A群體腸道組織中芽孢桿菌和類芽孢桿菌的相對豐度均顯著高于C群體,和分析肌肉組織得出的結論一致。比較A群體和C群體的養(yǎng)殖池水,芽孢桿菌和類芽孢桿菌的含量差異不顯著。關于芽孢桿菌和類芽孢桿菌能否提高羅氏沼蝦抗弧菌感染的能力,還需進一步研究。
近年來,隨著養(yǎng)殖技術的不斷提高,羅氏沼蝦開始由粗放養(yǎng)殖向集約化養(yǎng)殖發(fā)展,由此也帶來一系列問題:養(yǎng)殖環(huán)境惡化,多種疾病暴發(fā)等等,給我國羅氏沼蝦養(yǎng)殖業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展造成了極大困擾。為了從根源上預防或解決病害問題,需盡快培育出羅氏沼蝦抗病新品種。水產動物抗病選育的常見方法有選擇育種、雜交育種、基因和分子標記輔助選擇育種及轉基因育種等。無論何種選育方法,其最終目標都是為了顯著提高水產動物在經歷病害暴發(fā)后的成活率,然而現(xiàn)實中很難模擬養(yǎng)殖環(huán)境下的病害暴發(fā),一般采用測定感染或養(yǎng)殖成活率來直接反映抗病能力,也可以測定與疾病相關的免疫指標來間接反映[17-21]。此外,隨著分子標記技術的發(fā)展,一些抗病基因(如MHC基因Cyca-DAB1等位基因)的多態(tài)性往往也用來作為評價抗病性能的重要指標[22-23]。目前的抗病選育工作更注重成活率的高低,但某些細菌性疾病并不會造成動物的患病死亡,只會導致動物食欲減退,影響其生長性能。與常規(guī)抗病選育方法相比,本研究采用的高通量測序技術,一方面可以通過測定不同時間段羅氏沼蝦體內弧菌的含量直觀地反映各羅氏沼蝦群體的抗病能力,并輔助分析造成抗病能力產生顯著差異的原因;另一方面可以幫助淘汰體內有病原菌的個體,同時結合各種性狀的表型值,為盡快選育出優(yōu)良品種提供保障。
綜上,通過分析羅氏沼蝦感染溶藻弧菌后體內弧菌的含量,結合感染成活率結果,得出各群體的抗病性能為A>B>E>D>C。A群體的抗病能力與C群體差異顯著,B、C、D、E群體間差異均不顯著。羅氏沼蝦體內的菌群結構和養(yǎng)殖水環(huán)境密切相關,但又相對獨立;體內芽孢桿菌和類芽孢桿菌的相對含量可能是造成A群體和C群體感染成活率差異顯著的原因。