Đặc điểm của vi khuẩn đường ruột ở tôm sú trưởng thành tự nhiên và thuần dưỡng - Phần 3

Thảo luận

Ảnh hưởng của vi khuẩn đường ruột đối với vật chủ của chúng hầu hết đã được làm sáng tỏ ở các vật chủ là động vật có xương sống, với những ảnh hưởng sâu sắc đến các gen của vật chủ có liên quan đến sự hấp thụ chất dinh dưỡng, biến đổi niêm mạc và phản ứng miễn dịch. Một số vi khuẩn đường ruột có liên quan đến tình trạng sức khỏe vật chủ của chúng. Do ảnh hưởng của hệ vi sinh vật đường ruột đối với thể chất của động vật nên việc xác định đặc điểm của hệ vi sinh vật đường ruột sẽ là điều cần thiết đối với các động vật trong trang trại. Ở đây, chúng tôi đã mô tả các quần thể vi khuẩn có liên quan đến đường ruột của tôm sú, một loài tôm có tầm quan trọng về mặt kinh tế đối với châu Á. Để xác định một quần thể vi khuẩn cốt lõi, các cộng đồng vi khuẩn đường ruột được xác định ở tôm sú thu được từ môi trường tự nhiên và môi trường thuần dưỡng bằng cách sử dụng phương pháp phân tích hệ gen dựa trên nguyên lý "đọc trình tự bằng tổng hợp" thông lượng cao song song với điện di DNA biến tính trên gel gradient (DGGE).

Trong nghiên cứu này, việc phân tích quá trình giải trình tự hệ gen dựa trên nguyên lý "đọc trình tự bằng tổng hợp" cho thấy một số OTU được chia sẻ trong ruột của tôm sú từ môi trường tự nhiên và môi trường thuần dưỡng. Mặc dù các OTU này chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng quần thể vi khuẩn đường ruột nhưng các OTU chiếm ưu thế trong mỗi con tôm thường được tìm thấy trong cả sáu thư viện tôm.

Họ hàng gần nhất được phân loại thành sáu chi từ Proteobacteria (Vibrio, Photobacterium, Pseudomonas, Sphingomonas, Novosphingobiumcommon và Undibacterium), hai chi từ Firmicutes (Fusibacter và Lactobacillus), và một chi từ Bacteroidetes (Cloacibacterium). Trong số các chi vi khuẩn được chia sẻ trong nghiên cứu này, Vibrio, Photobacterium, Pseudomonas, Sphingomonas và Novosphingobium đã được tìm thấy rất phổ biến trong đường ruột được thu thập từ tôm sú giống và tôm sú con trong nghiên cứu trước đây của chúng tôi. Đặc biệt, Vibrio và Photobacterium thường liên quan đến môi trường sống ở biển và nhiều sinh vật biển như động vật giáp xác, hàu và cá. Mặc dù vi khuẩn trong các chi này được đặc trưng là sống tự do hoặc sống chung trong các vùng tiêu hóa của động vật biển nhưng việc phát hiện nhất quán các chi Vibrio, Photobacterium, Pseudomonas, Sphingomonas và Novosphingobium trong công trình nghiên cứu này và các nghiên cứu trước đây có thể ngụ ý rằng chúng là một quần thể vi khuẩn bản địa trong đường ruột của tôm sú. Một số đã được báo cáo là mầm bệnh trong nuôi trồng thủy sản, chẳng hạn như Vibrio harveyi, đây là một mầm bệnh cơ hội gây nhiễm trùng cho tôm trong điều kiện có nồng độ dinh dưỡng cao và mật độ động vật được thả nuôi cao trong các môi trường chăn nuôi Fusibacter thường được tìm thấy ở tôm của cả hai nhóm. Cho đến nay, các vi khuẩn phân lập thuộc chi Fusibacter đã được phát hiện là vi khuẩn kỵ khí và thích nghi với điều kiện độ mặn cao (halotolerant). Điều thú vị là Lactobacillus cũng được phát hiện ra là có liên quan đến đường ruột của tôm sú. Các thành viên của Lactobacillus thực sự được sử dụng như lợi khuẩn ở nhiều loài động vật, bao gồm cả một số sinh vật sống dưới nước. Ví dụ, nhóm tôm thẻ chân trắng Thái Bình Dương (Litopenaeus vannamei) được nuôi bằng chế độ ăn có bổ sung Lactobacillus plantarum cho thấy tỷ lệ sống sót cao hơn khi tiếp xúc với mầm bệnh so với nhóm cho ăn theo chế độ ăn đối chứng. Việc phát hiện vi khuẩn Lactobacillus trong đường ruột tôm sú trong báo cáo này cũng như nghiên cứu trước đây của chúng tôi cũng cho thấy rằng vi khuẩn này có thể chịu được đường ruột và môi trường nước của tôm sú. Do đó, việc áp dụng Lactobacillus làm lợi khuẩn là một phương tiện đầy hứa hẹn để tăng cường khả năng kháng bệnh trong quá trình chăn nuôi tôm sú. Mặc dù sự đa dạng của các thành viên vi khuẩn đường ruột có liên quan đến tôm sú trưởng thành nhưng vi khuẩn chiếm ưu thế được phát hiện trong đường ruột của tôm sú được đánh bắt tự nhiên và tôm sú thuần dưỡng là Proteobacteria, tiếp theo đó là Firmicutes và Bacteroidetes. Quan sát này phù hợp với các báo cáo trước đây về vi khuẩn đường ruột ở tôm sú giống và tôm sú con. Sự phổ biến của ngành (phyla) này trong đường ruột của động vật đã được báo cáo ở các sinh vật sống dưới nước như Fenneropenaeus chinensis (tôm Trung Quốc), P. merguiensis (tôm chuối), Nephrops norvegicus (tôm hùm Na Uy) và Danio rerio (cá ngựa vằn).

Sự giống nhau của các cộng đồng vi khuẩn giữa tôm tự nhiên và tôm thuần dưỡng gợi ý sự hình thành của các vi khuẩn cụ thể bằng áp lực chọn lọc từ môi trường bên trong đường ruột của vật chủ. Ví dụ, một nghiên cứu trên mô hình chuột không có vi trùng cho thấy rằng môi trường niêm mạc ảnh hưởng đến việc chọn lọc và hình thành vi khuẩn trong đường tiêu hóa. Hệ thống miễn dịch niêm mạc trong đường tiêu hóa của vật chủ đã được chứng minh là đóng những vai trò quan trọng trong việc duy trì vi khuẩn hội sinh. Mặc dù sự hiểu biết về sinh lý học đường ruột của tôm sú vẫn còn là điều khó nắm bắt, nhưng sự biểu hiện của các gen liên quan đến hệ miễn dịch của tôm sú khi bị thách thức bởi vi khuẩn gây bệnh cung cấp bằng chứng về hệ thống miễn dịch đường ruột của tôm. Hơn nữa, việc quan sát các thành viên vi khuẩn được chia sẻ phù hợp với các nghiên cứu so sánh trước đây về các động vật mô hình tự nhiên và thuần dưỡng khác.

Ví dụ, so sánh vi khuẩn trong đường ruột của cá ngựa vằn (D. Rerio) từ môi trường tự nhiên và được nuôi trong phòng thí nghiệm cho thấy các thành viên vi khuẩn tương tự nhau. Phân tích các cộng đồng vi khuẩn trong các loài Mus musculus (chuột) tự nhiên và thuần dưỡng, Drosophila melanogaster (ruồi giấm) hoặc các loài Hydra (Hydra) cho thấy các thành viên vi khuẩn được chia sẻ bất kể biến thể riêng lẻ và các thành phần vi khuẩn tương tự được quan sát thấy ở cấp độ ngành hay cấp độ loài ở cả các loài vật chủ tự nhiên và vật chủ đã được thuần dưỡng. Cuối cùng, những điểm tương đồng của vi khuẩn đường ruột ở tôm sú cùng với các lịch sử vòng đời khác nhau cũng ngụ ý rằng đã có sự đồng tiến hóa lâu dài giữa vi khuẩn đường ruột và vật chủ là tôm.

Mặc dù các OTU được chia sẻ được quan sát thấy trong đường ruột của sáu nhóm tôm trưởng thành nhưng vẫn có một số lượng lớn các OTU độc nhất, những OTU này phản ánh mức độ biến đổi vi khuẩn cao giữa các cá thể tôm sú, đặc biệt là ở tôm được đánh bắt tự nhiên. Trong nghiên cứu này, các cấu hình vi khuẩn từ phân tích DGGE phù hợp với kết quả giải trình tự hệ gen dựa trên nguyên lý "đọc trình tự bằng tổng hợp" mà trong đó có sự biến đổi cá thể trong quần thể vi khuẩn đường ruột giữa tôm được đánh bắt tự nhiên cao hơn so với tôm thuần dưỡng. Vì vi khuẩn đường ruột có thể bị ảnh hưởng bởi vi khuẩn có trong môi trường sống thủy sinh xung quanh. Do đó, tôm thuần dưỡng được nuôi trong cùng một bể nước sẽ ít bị biến động về thành phần vi khuẩn trong nước xung quanh hơn so với môi trường sống tự nhiên. Vi khuẩn bền bỉ nhất thời và những vi khuẩn có liên quan đến thực phẩm ăn vào cũng có thể làm gia tăng sự biến đổi của vi khuẩn riêng lẻ được quan sát thấy. Vì tôm sú tự nhiên ăn các động vật sống nhỏ hơn chúng, không giống như tôm thuần dưỡng được cho ăn chủ yếu bằng thức ăn viên dạng khô, các động vật nhỏ còn sống mà tôm sú tự nhiên đã ăn vào bụng có thể ảnh hưởng đến số lượng chi vi khuẩn đường ruột, điều này dẫn đến số lượng chi được phát hiện trong tôm sú tự nhiên cao hơn nhóm thuần dưỡng. Để xác định rõ hơn ảnh hưởng của khẩu phần đối với vi khuẩn đường ruột thì việc xác định đặc tính của các thành phần vi khuẩn trong đường ruột của tôm sú đang được tiến hành để so sánh sự khác biệt giữa tôm sú ăn thức ăn sống (ví dụ giun nhiều tơ) so với tôm sú được cho ăn thức ăn viên thương mại.

Hầu hết các bảng phân tích về quần thể vi khuẩn đường ruột ở tôm he (penaeid) đều được đặc trưng bởi cả kỹ thuật phụ thuộc vào nuôi cấy và kỹ thuật không phụ thuộc vào nuôi cấy dựa trên phương pháp giải trình tự Sanger của các gen 16S rRNA và một nghiên cứu gần đây đã áp dụng nền tảng giải trình tự hệ gen 454 dựa trên nguyên lý "đọc trình tự bằng tổng hợp" thông lượng cao để phân tích sự đa dạng của vi khuẩn đường ruột ở tôm sú. Sự ra đời của công nghệ giải trình tự hệ gen dựa trên nguyên lý "đọc trình tự bằng tổng hợp" đã cho phép phân tích sâu hơn quần thể vi khuẩn ở trong các môi trường khác nhau; ví dụ, sự phong phú của vi khuẩn dưới môi trường biển sâu đã được báo cáo là có mức độ phong phú cao hơn một hoặc hai bậc so với mức độ phong phú thu được bằng cách tiếp cận dựa trên phương pháp giải trình tự Sanger truyền thống. Bất chấp những ưu điểm của nó, thậm chí ngay cả khi quá trình giải trình tự hệ gen dựa trên nguyên lý "đọc trình tự bằng tổng hợp" có thể không khám phá ra toàn bộ phạm vi đa dạng của vi khuẩn. Mặc dù độ dài của khả năng đọc thu được từ công nghệ giải trình tự hệ gen dựa trên nguyên lý "đọc trình tự bằng tổng hợp" đã liên tục được cải thiện, nhưng độ dài đầy đủ của gen rRNA 16S (~ 1,5 kb) vẫn chưa đạt được với khả năng giải trình tự hệ gen 454 hiện tại. Việc lựa chọn vùng bắt đầu và vùng mục tiêu của chúng ảnh hưởng đến phân tích sự đa dạng vi khuẩn và thực sự việc phát hiện ra ngành Verrucomicrobia, Planctomycetes và Chlamydiae là rất khác biệt so với bộ bắt đầu của gen 16S rRNA. Chúng tôi chọn vùng bắt đầu nhắm mục tiêu vào vùng biến số 3 và số 4 của gen 16S rRNA, điều này có thể không hiệu quả trong việc phát hiện ra sự hiện diện của Verrucomicrobia và Planctomycetes. Tuy nhiên, ngành vi khuẩn này không được tìm thấy với số lượng nhiều trong đường ruột của tôm sú trong một nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp tiếp cận vô tính thư viện của gen 16S rRNA có chiều dài đầy đủ.

Trong khi phân tích theo phương pháp giải trình tự hệ gen dựa trên nguyên lý "đọc trình tự bằng tổng hợp" cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về sự đa dạng của vi khuẩn trong một cộng đồng, thì phương pháp phân tích bằng DGGE song song cung cấp một cái nhìn tổng quan về cấu trúc của các nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế, mà phương pháp này có thể được sử dụng để so sánh các mẫu vật vi khuẩn.

Công trình nghiên cứu của chúng tôi báo cáo thành phần vi khuẩn đường ruột ở những con tôm sú trưởng thành được đánh bắt tự nhiên và tôm sú thuần dưỡng bằng cách sử dụng phương pháp giải trình tự hệ gen 454 và các mẫu vi khuẩn cũng được so sánh bằng phương pháp phân tích DGGE. Chúng tôi đã cung cấp bằng chứng về vi khuẩn đường ruột phổ biến trong ruột của tôm sú và gợi ý rằng đường ruột có thể được xem như một môi trường chọn lọc chỉ cho một số đơn vị vi khuẩn nhất định được phép tồn tại. Đặc điểm của thành phần vi khuẩn trong ruột của tôm sú là điều cơ bản để hiểu về tác dụng có lợi của vi khuẩn và tầm quan trọng của mối quan hệ tương tác giữa vật chủ và vi sinh vật bên trong một sinh vật không theo mô hình.

Phần kết luận

Các nghiên cứu gần đây đã báo cáo về tầm quan trọng của hệ vi sinh vật đường ruột cân bằng đối với sức khỏe của vật chủ là động vật. Do đó, các mục đích chính của nghiên cứu này là sử dụng kỹ thuật giải trình tự hệ gen dựa trên nguyên lý "đọc trình tự bằng tổng hợp" thông lượng cao không phụ thuộc vào môi trường chăn nuôi để mở rộng kiến thức của chúng tôi về bề rộng của sự đa dạng vi khuẩn trong đường ruột của tôm sú trưởng thành và xác định thành phần của các cộng đồng vi khuẩn ở tôm sú từ tự nhiên và những con tôm sú đang được thuần dưỡng. Các cấu hình của vi khuẩn cho thấy các chi chiếm ưu thế tương tự ở tôm được đánh bắt tự nhiên và tôm thuần dưỡng, cho thấy sự xuất hiện của một quần thể vi khuẩn thường trú ở tôm sú. Chúng tôi đã xác định các thành viên vi khuẩn được chia sẻ có liên quan đến đường ruột của tôm trưởng thành từ môi trường tự nhiên và môi trường thuần dưỡng. Công trình nghiên cứu này cung cấp bằng chứng cho thấy tình trạng đường ruột của vật chủ gây áp lực chọn lọc mạnh mẽ hơn đối với quá trình hình thành cộng đồng vi khuẩn ở tôm sú so với áp lực đối với môi trường nuôi.