从狗牙菌斑微生物组中新发现的物种表明与人类的重叠很少

一项新的研究表明，狗牙菌斑微生物组中发现的许多新物种与人类的重叠很少。这项研究由来自意大利特伦托大学细胞计算和整合生物学系的维托尔·海德里希（Vitor Heidrich）等人领导，结果发表于2025年2月18日的《npj生物膜和微生物组》期刊上。

研究人员从23只狗的牙菌斑中采集样本，并进行了宏基因组测序，生成了1945个宏基因组组装基因组（MAGs），涵盖了347个微生物物种，其中包括277个尚未描述的物种。通过与人类微生物组数据的整合分析，研究发现狗的牙菌斑微生物组比人类的更加多样化，并且两者之间的重叠很小（只有5.9%的物种相同）。尽管如此，一些共同存在的牙周病原体引起了潜在的关注。

许多环境中的微生物群落仍然很大程度上未被描述，包括与人类频繁和长期接触的宠物环境。探索这些未被充分研究的环境的一种有力方法是通过对微生物组样本进行宏基因组测序和组装，因为这种方法可以直接从环境中重建微生物基因组。这些从宏基因组中恢复的基因组（即宏基因组组装基因组，MAGs）有助于表征未培养的微生物群落部分，从而识别新的微生物物种。

在这项研究中，研究人员对23只健康狗的牙菌斑进行了纵向采样，共收集了65个样本。经过质量控制检查后，获得了64个牙菌斑宏基因组。研究人员采用了一种经过验证的宏基因组组装管道，最终得到了4114个MAGs，其中1945个被分类为中等或高质量的原核基因组。在去除冗余后，1911个质量控制的狗牙菌斑MAGs被整合到超过117万个微生物基因组中，聚类生成了物种水平的基因组箱（SGBs）。

研究发现，从64个狗牙菌斑样本中恢复的1911个MAGs属于347个SGBs。其中大多数重建的SGBs是尚未描述的物种（277个，占SGBs总数的79.5%，占MAGs总数的63.1%）。只有12个未知SGBs曾在其他环境中被重建过，而绝大多数（265个）仅包含新添加的狗牙菌斑MAGs，因此代表了从狗牙菌斑中发现的新微生物物种。

为了能够在微生物群落中精确量化这些新识别的物种，研究人员提取了每个SGB的特定标记，并将其纳入基于读段的分类分析工具MetaPhlAn 4的标记基因数据库。定量分析显示，平均有54.9%的狗牙菌斑微生物组丰度由未知SGBs组成。特别是，本研究新发现的265个未知SGBs的累积相对丰度平均为52.9%，显著提高了我们对该环境的分析能力。

研究人员还比较了狗和人类牙菌斑微生物组的差异。结果显示，狗的牙菌斑微生物组显著比人类的更为多样化（平均SGB丰富度：216 vs. 146，考虑每个宿主一个样本，Mann-Whitney U = 2700，p < 0.001）。这一差异可能是由于人类更严格的口腔卫生措施（如每天刷牙和频繁的专业牙齿清洁）阻止了复杂口腔生物膜的长期发展。有趣的是，这种效应主要是由狗牙菌斑中大量未知SGBs（平均SGB丰富度：152 vs. 43，Mann-Whitney U = 3366，p < 0.001）驱动的。

在评估狗和人类牙菌斑微生物组的重叠时，研究人员发现只有少量的SGBs可以在两种宿主中找到（68个，占5.9%）。虽然大多数在狗和人类牙菌斑中都存在的SGBs是已知的（38个），但仍有8个新发现的未知狗牙菌斑SGBs可以在人类中检测到，尽管其出现频率较低（范围：0.6%-10.4%）且丰度极低（平均累积相对丰度<0.001%）。总体而言，能够在两种宿主中找到的68个SGBs的累积相对丰度平均仅为4.5%，并且在狗和人类之间没有显著差异（平均4.4% vs. 4.5%，Mann-Whitney U = 1526，p = 0.28）。

进一步验证结果显示，在应用5%的出现频率阈值后，共有20个SGBs在狗和人类牙菌斑样本中普遍存在。排除未检测到SGB的样本后，每个SGB在狗和人类中的中位相对丰度从未同时超过0.04%。这表明即使在两种宿主中都能稳定存在的SGBs，在至少一种宿主中的丰度也非常低。相比之下，在属水平基因组箱（GGBs）或科水平基因组箱（FGBs）层面评估重叠时，分别观察到平均56.5%和93.2%的相对丰度重叠。这表明牙菌斑微生物组在较高分类水平（如科水平）上在狗和人类之间大部分是保守的，但在物种水平上存在明显的宿主特异性分化。

研究确定了六种在狗和人类牙菌斑中普遍存在的SGBs（出现频率>15%）：Campylobacter rectus（SGB19315）、Prevotella intermedia（SGB1560）、Fusobacterium nucleatum（SGB6013）、Fusobacterium periodonticum（SGB5989_group）、一种未知的Candidatus Absconditabacteria物种（SGB6889）和一种未知的Bacteroidota物种（SGB1343）。虽然上述未知SGBs在牙菌斑环境中的作用仍需进一步研究，但所有已知的SGBs都被认为是牙周病原体。此外，研究人员注意到两种常见的普遍存在的物种在不同宿主中的丰度差异显著，其中Campylobacter rectus（SGB19315）在狗中富集（平均相对丰度：0.091% vs. 0.009%，Mann-Whitney U = 2524，调整后的p < 0.001），而Fusobacterium periodonticum（SGB5989_group）在人类中富集（平均相对丰度：0.165% vs. 0.004%，Mann-Whitney U = 716，调整后的p < 0.001）。

为了调查这些重叠SGBs可能与宿主物种（即狗或人类）的系统发育关联，研究人员构建了六个重叠SGBs的株水平系统发育树。考虑到精确的系统发育重建需要一定数量的读段映射到每个标记，因此只能为三个SGBs构建包含每个宿主至少两个株的株水平系统发育树。通过运行系统发育线性模型，研究人员统计验证了狗和人类的牙菌斑中含有宿主特异性的Prevotella intermedia（SGB1560，ELPD差异 = 24.3，标准误差差异 = 2.6）和未知的Candidatus Absconditabacteria物种（SGB6889，ELPD差异 = 14.4，标准误差差异 = 1.3）的枝系，但它们可以拥有相似的Campylobacter rectus（SGB19315，ELPD差异 = 0.8，标准误差差异 = 0.7）株。这表明微生物群落微生物组中成员的宿主物种特异性亚种分化现象也可能适用于其他身体部位。

总之，通过宏基因组测序和组装，研究人员编译了一个狗牙菌斑物种的参考数据库，其中许多物种以前从未被检测到，也尚未进行分类学和表型描述。通过提取物种特异性标记，研究人员使这些重建的狗牙菌斑物种在微生物组中可量化。这使得研究人员发现，与人类牙菌斑相比，狗的牙菌斑微生物组主要由未知物种组成，只有5.9%的物种在两种宿主中都存在，且存在明确的宿主依赖性因素。尽管这种重叠部分可以用狗和人类口腔环境条件的不同解释，包括不同的pH值和电解质谱，但狗较差的口腔卫生状况也可能导致更广泛的可用生态位，与更高的牙菌斑微生物组多样性一致。然而，牙周病原体是两种宿主中少数普遍存在的物种之一，表明疾病相关部分的牙菌斑微生物组在宿主之间可能更为保守，进一步支持了狗作为人类牙周病模型的使用。研究人员认识到，未来需要探索更多样化的狗和人类牙菌斑宏基因组，以重建更多的狗牙菌斑物种，并获得更可靠的狗-人类牙菌斑微生物组重叠测量。此外，还需要基于培养的后续研究来验证新发现的物种。这项工作改进了对狗牙菌斑微生物组的分析能力，将有助于研究狗和人类的牙菌斑相关疾病，以及狗牙菌斑微生物组作为（致病性）人类微生物组菌株来源的潜在作用。

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