母乳是嬰兒最健康、理想的營養來源, 也是人類進化和文明最重要的特征之一. 最新的宏基因組學研究表明母乳含有高達數百種細菌, 而且包括一些常見的病原菌. 母乳微生物菌群是人類與微生物協同進化相互適應的產物, 而“微生物群落-宿主”生態系統的動態平衡則應是保持健康母乳的基礎. 然而, 迄今為止, 從生態學角度對母乳微生物菌群的研究近乎空白.
近期來自中科院昆明動物研究所，安徽大學的研究人員發表論文，應用宏觀生態學中的“中性”理論和 Taylor 冪法則分析探討了母乳菌群群落多樣性的進化和維持機制、細菌種間相互作用的機制以及由此產生的細菌種群分布格局. 兩項理論模型分析交叉驗證了母乳微生物群落分布的異質性和非隨機性特征, 預示了群落中物種間存在一定程度的生態位分化以及占主導作用的優勢物種.
研究發現, 母乳喂養可降低嬰兒患腹瀉和呼吸道感染等疾病的風險, 提高嬰兒的代謝功能和免疫能力. 目前人們對母乳的關注多集中在其豐富的營養成分, 如蛋白質、脂肪酸、維生素和礦物質等. 然而隨著實驗技術和新一代測序技術的發展, 人們發現母乳與人體其他部位一樣存在豐富的微生物菌群.
之前的研究采用 DNA 二代測序技術首次全面地研究了母乳微生物群落的多樣性和隨時間變化的相對穩定性特征, 發現金黃色葡萄球菌(Staphylococcus)和鏈球菌(Streptococcus)是母乳中含量最豐富的菌屬. 除此之外, 另有來自其他7個屬的微生物也普遍存在于母乳中. 這些共有微生物(core species)幾乎占總群落的一半. 母乳微生物群落與人體宿主構成一個復雜的生態系統, 而該生態系統的動態穩定性直接影響人體的健康狀況. 因此從生態學角度研究母乳微生物群落結構的多樣性和穩定性具有重要意義.
然而, 由于絕大多數人體微生物都無法人工培養, 因此在 DNA測序技術, 特別是宏基因組技術成熟之前, 無法確定人體微生物的群落組成, 更談不上對群落多樣性和穩定性的研究. 宏基因組技術的成熟催生了 2008 年前后展開的人類宏基因組研究計劃(human microbiome project, HMP). 該計劃為微生物群落生態學的復興奠定了堅實的技術基礎.
人體微生物群落是人類與微生物協同進化適應的結果. 微生物群落-宿主生態系統的動態平衡(特別是群落多樣性和穩定性)與人體健康狀況密切相關, 因此人體微生物菌群很大程度上是“醫學生態學”(medicalecology)問題. Hunt等人對取自 16位哺乳期婦女的 47 份母乳樣本進行了宏基因組測序研究, 提供了迄今為止最為全面的母乳細菌菌群測序數據. 然而他們對其所獲得數據的分析基本限于對群落組成以及多樣性指數的簡單分析, 并未應用任何生態理論或模型對數據進行綜合全面地分析.
這篇文章將宏觀生態學中 Taylor 冪法則 (Taylor’s power law)及其擴展模型和中性理論模型應用于母乳微生物群落的生態學特征研究. Taylor 發現, 自然界單種種群(single-species population)豐富度(population abundance)的均值和方差之間符合冪法則模型. Ma又將冪法則模型從種群生態水平擴展到群落生態水平. 此后, Zhang 等人將其應用于腸道微生物空間分布異質性的研究. 群落的構建(community assembly)和群落物種多樣性的維持機制(maintenance mechanism of species diversity)一直是生態學研究的焦點.
最初的生態位理論認為, 群落中物種生態位的分化等確定性因素在群落構建和物種多樣性的維持中占主導地位. 但在很多情況下, 物種的
生態位分化并不明顯, 生態位理論并不能很好地解釋群落的構建和維持機制. 另一種觀點認為, 群落構建及其多樣性機制維持是隨機性的——即中性理論(neutral theory)在 2001 年提出的. 它解釋了生態群落中物種的多樣性共存機制和物種多度分布(species abundance
distribution), 即群落中每個物種所具有的個體數的分布特征. Stephen Hubbell 的中性理論具有2個基本假設:
(1) 群落中所有個體具有相同的出生率、死亡率以及遷移率, 它們在生態群落中的作用相同； (2) 群落中總的個體數不變, 即新個體的誕生或遷入必然伴隨著已有個體的死亡或遷出. 根據中性理論的 2個假設, 群落的多度分布應該符合零和多項式模型.
這項研究應用“中性”理論和 Taylor 冪法則分析探討母乳菌群中細菌種間相互作用的機制, 以及由此產生的細菌種群分布格局. 文章指出，母乳對嬰兒和孕婦的健康有重要影響, 其不僅含有豐富的營養成分還含有高達數百種的細菌. 正常情況下, 母乳菌群中的“機會性”病原菌不會對嬰兒和母親有任何不良作用. 傳統醫學認為一種疾病通常對應一種病原體(pathogen), 而某些疾病卻一直找不到確定的病原. 最近的人類微生物組計劃的一些研究表明, 某些疾病的產生是由于人體微生物生態系統遭到破壞的結果. 這也是在后基因組時代被重新定義的“醫學生態學”.
母乳微生物非隨機的異質性分布特征, 對后續研究群落結構、 功能及其穩定性有著重要意義.
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