如何分析代谢物与微生物群落的相互作用关系

上次的推送 如何用代谢物筛选宏基因组数据 和 如何用代谢组验证宏基因组数据 中解读了代谢组对宏基因组物种筛选和功能验证方面的作用，两者关联还可以继续挖掘代谢物与微生物群落的相互作用。 抗生素与耐药菌在群落中的相互作用是微生物群落研究热点之一，利用代谢组测定的多种抗生素指标的变化规律，联合宏基因组挖掘耐药菌—抗性基因—抗生素之间的调控关系。 今天我们一起了解如何使用宏基因组与代谢组深入挖掘群落的耐药机制吧~

抗生素作用与耐药机制

抗生素（Antibiotic）是能干扰其他生活细胞发育功能的次级代谢产物，在医学上被广泛应用，挽救了无数人的生命。抗生素主要通过抑制细菌细胞壁、蛋白质、核酸的生成以及干扰细菌代谢途径造成营养缺陷死亡的途径产生消灭细菌的作用，通过代谢组可以获取群落中大量的抗生素丰度信息，对该群落的杀菌机制进行整体了解。

表1 抗生素的主要作用机制

然而由于抗生素的长时间滥用，大量细菌携带抗生素抗性基因（Antibiotics resistance genes，ARG）成为具有一定的耐药性的耐药菌（Antibiotic resistance bacteria，ARB）。宏基因组可以挖掘群落中的ARG解读群落的耐药机制，可以进一步了解ARB的产生原因，从而对实际的抗生素抗性基因防治起到指导作用。

表2 耐药机制类型

由于耐药机制的产生会伴随水平基因转移的发生，挖掘群落抗性机制时，也可以对群落中的可移动遗传元件（MGE）或水平基因转移发生相关基因（如ATP合成酶、氧化应激基因、胞外聚合物分泌基因、细胞膜通透性调节基因等）进行分析，观察这些基因的变化与抗性基因的变化规律是否一致，从而对群落耐药机制的产生进行深入剖析。

从抗生素作用与耐药机制来看，单从宏基因组挖掘抗性基因仅能对耐药性进行解读，结合代谢组分析抗生素的作用以及水平基因转移分析，可以进一步分析耐药作用的产生原因。

群落耐药机制挖掘分析策略

挖掘群落的耐药机制，可以根据以下思路进行数据挖掘：

1. 抗生素指标分析：通过 代谢组筛选出抗生素指标 ，分析各类抗生素的丰度信息，解读群落抗生素的作用机制。

2. 群落耐药机制分析：通过 宏基因组CARD数据库注释结果分析耐药基因（ARG）组成 ，解读群落的耐药机制。通过 MGE数据库注释获得群落可移动遗传元件相关基因、KEGG数据库注释获得与ARG转移相关的水平基因转移（HGT）基因 ，解读群落中耐药性传播的相关机制。

3. 耐药菌分布分析：利用 宏基因组CARD数据库注释获得ARG与耐药菌（ARB）之间的关系 ，挖掘抗性基因潜在的宿主来源。

4. 耐药性转移网络分析：利用 ARG、ARB、MGE构建群落耐药基因转移网络 ，分析微生物群落耐药性产生、传播与调控机制。

5. 抗生素与群落耐药性产生关系的影响：利用抗生素、ARG、ARB、MGE丰度信息 构建结构方程模型（需要样本数≥30），进一步阐述抗生素对群落耐药性产生的直接或间接影响 。

6. 耐药菌株基因组分析：通过补充宏基因组Binning分析进一步提升文章深度，挖掘耐药菌株基因组，对耐药菌的耐药机制、代谢方式、致病性、系统发育定位等进行深入分析。

群落耐药机制挖掘分析思路

客户应用案例解读

文章题目： 解读有机负荷率和消化液循环对餐厨垃圾干式厌氧消化中抗生素及耐药基因发生规律的影响

合作单位： 集美大学

发表期刊： Warter Research（IF=11.4）

研究目的

随着抗生素的广泛使用，携带抗生素抗性基因（ARGs）的抗生素耐药菌（ARB）大量繁殖。厨房垃圾（KW）成为抗生素和ARGs的重要储存库和热点区域，干式厌氧消化（AD）是处理KW的优质选择。有机负荷率（OLR）是决定AD稳定性的关键因素，OLR的变化会影响抗生素和ARGs的分布和丰度。本研究主要探究OLR和消化液回流对KW处理AD过程抗生素和ARGs的影响，为控制ARGs传播提供新的思路。

研究思路

文章研究思路

主要研究结果

低OLR条件下，消化器稳定性较高，但抗生素富集，导致抗生素抗性细菌（ARB）如假单胞菌和厚壁菌门细菌增殖。ATP生成、氧化应激、胞外聚合物（EPS）分泌和细胞膜通透性等功能基因富集，促进ARGs的水平基因转移（HGT）。

系统不稳定时，酸积累导致甲烷产量降低，同时抗生素、ARGs和人致病菌（HPB）丰度增加。MGEs丰度增加，可能促进ARGs从ARB转移到HPB，加剧ARGs传播风险。

消化液回流条件下，高OLR时，消化液回流提高了甲烷产量，并降低了抗生素富集。减少了ARGs寄主细菌、HPB和MGEs的多样性，抑制了与HGT相关的功能基因，从而降低了ARGsHGT风险。

2. 结构方程模型（PLS-PM）揭示OLR和消化液回流的影响机制：

OLR通过影响VFAs浓度和甲烷产量，进而影响抗生素和ARGs的丰度。消化液回流通过调节ARB组成和微生物相互作用，影响不同ARGs的宿主和传播机制，从而抑制ARGs的水平基因转移。

群落耐药性分布与PLS-PM分析结果

案例小结

代谢组提供的抗生素指标，可以帮助进一步挖掘群落耐药性产生的深层机制，观察哪些特定指标可以通过影响抗生素的含量，进而影响群落的耐药性，对阐明抗生素与耐药菌的相互作用关系产生原因有很大的帮助。

今天的关联分析应用思路不知道是否对你有所启发呢？基迪奥生物有着丰富的组学分析经验，让分析更快一步！后续我们将继续讲解宏基因组与代谢组关联分析的内容哦~希望大家保持关注~