研究思路|高通量qPCR芯片检测案例解读（第五期）

今天继续给大家分享一篇高通量qPCR芯片检测服务的应用文章，研究通过砷功能基因高通量qPCR芯片对16个ABGs进行定性定量分析，发现蚯蚓肠道是砷生物转化的集中地。原文于2019年3月在Environmental Science & Technology上在线发表。

Effects of Arsenic on Gut Microbiota and Its Biotransformation Genes in Earthworm Metaphire sieboldi

砷对蚯蚓肠道菌群及转化基因的影响

作者：Hong-Tao Wang 等

期刊：Environmental Science & Technology

时间：2019.3.15

影响因子：7.149

一、文章摘要

砷广泛分布在土壤中，可以通过植物和动物的食物网在土壤中进行生物累计，积累量过高会在土壤中产生毒性，对人类健康产生危害，而蚯蚓可通过改变土壤pH值、有机碳或微生物群落来影响土壤中砷的种类和分布。之前的研究报道都是集中在砷对蚯蚓的毒性和蚯蚓肠道的砷的形态，对砷在蚯蚓肠道的转化机制研究甚少。

本文通过在添加不同浓度砷的土壤中培养蚯蚓后，对其砷形态、砷生物转化基因（ABGs）和肠道微生物群落进行了研究。通过砷功能基因高通量qPCR芯片对16个ABGs进行定性定量分析，发现在所有样本中砷氧化还原和外排基因的丰度远高于砷甲基化相关基因，说明蚯蚓肠道是砷生物转化的集中地。此外，蚯蚓肠道微生物以放线菌和变形杆菌为主导，与周围的土壤微生物群落组成有较大差异。

二、主要内容

1.土壤和蚯蚓肠道中砷的形态和ABGs的丰度

在土壤和蚯蚓肠道内容物均可检测到无机砷（III）和砷（V），其中在土壤中砷（V）是主要形式而在蚯蚓肠道中砷（III）是主要形式。根据ABGs的功能可分为砷（III）氧化、砷（V）还原、砷甲基化和砷转运四大类别，砷功能基因高通量qPCR芯片在土壤和蚯蚓肠道样本中共检测到了16种ABGs（图1.A）。其中在土壤中检测到的ABGs种类高于蚯蚓肠道，aoxR、aoxS和arsI仅在土壤中发现，在肠道和土壤中很少检测到arsI和arsM。总的来说，肠道和土壤中主要的ABG参与砷（V）的还原和砷的转运（图1.B）。

图1.砷功能基因高通量qCPR芯片的检测分析结果。A：土壤和蚯蚓肠道中ABGs的丰度柱状图；B：ABGs标准化丰度热图。

2.蚯蚓肠道和周围土壤的微生物群落组成差异

基于16S rRNA的V4V5区段的多样性分析发现，蚯蚓肠道和土壤共有的微生物OTU有28381个，厚壁菌门是蚯蚓肠道特有的而拟杆菌门是土壤中特有的，放线菌门和拟杆菌门在蚯蚓肠道和土壤中都有检测但其相对丰度在统计上有显著差异（P<0.05）。芽孢杆菌科（17.3%）、分支杆菌科（15.5%）和链霉菌科（15.4%）是蚯蚓肠道中丰度最高的三个科，而它们在土壤中的丰度比例只有3.1%、7.8%和3.2%，鞘脂杆菌科（12.7%）和黄单胞菌科（7.9%）是在土壤中丰度最高的科（图2.左）。以上说明土壤和蚯蚓肠道微生物群落优势菌属不同，组成差异明显。Alpha多样性分析的Chao1指数表明，土壤微生物群落的多样性显著高于蚯蚓肠道，PD和香农指数进一步证明此结论。PCoA分析显示土壤和蚯蚓肠道之间的微生物群落差异大于不同浓度砷处理组之间的差异（图2.右）。

图2.微生物多样性分析结果。左：土壤和蚯蚓肠道中主要科的丰度柱状图；右：PCoA分析。

3.砷对蚯蚓肠道微生物群落的影响

在本实验中，不同砷浓度处理的蚯蚓肠道内容样本中共有的OTU仅有2202个，占肠道样本总OTU的4.4%。在门水平上，拟杆菌门的丰度随着蚯蚓肠道中的砷浓度增加而显著增加，与对照组（GC）相比，G280中的酸杆菌门和芽单胞菌门的丰度均显著增加。在科水平，G280中的黄杆菌科、噬纤维菌科和鞘脂杆菌科的丰度均显著高于其他砷浓度处理的蚯蚓肠道样本，但链霉菌科的丰度却随着砷浓度的增加而显著下降（图3）。PD指数表明，随着土壤中砷浓度的增加，蚯蚓肠道微生物多样性先降低后增加，Chao1和香农指数展示相同的趋势。

图3.科水平的肠道微生物丰度柱状图。

三、总  结

综上所述，在砷环境中生存的蚯蚓肠道微生物基因主要参与砷外排，其中砷还原是砷代谢途径的关键过程，此外，蚯蚓肠道微生物群落和周围土壤的显著差异可能是由于蚯蚓肠道受到砷刺激后作出的反应。以上发现为砷的生物转化、ABGs和蚯蚓肠道微生物群落之间关系建立提供了新角度

从这篇文章可以发现，利用高通量qPCR芯片检测高精确度、高灵敏度的特点可以快速便捷的检测到所有样本中砷氧化还原和外排基因的丰度远高于砷甲基化相关基因，说明蚯蚓肠道是砷生物转化的集中地，这些结论加深了对砷在蚯蚓肠道的转化机制的认识。