● 期刊: Cell Reports Medicine —— 2021● 文章链接:Infant gut strain persistence is associated with maternal origin, phylogeny, and traits including surface adhesion and iron acquisition - ScienceDirect● Author: Yue Clare Lou●2025.1203第一次翻译校准蘑菇菌●2026.0704第二次翻译校准木糖菓菓图片摘要与说明本文作者使用宏基因组学在菌株水平InStrain上来表征早产和足月婴儿第一年肠道微生物组的演替。大约11%的定殖菌株建立了长期居留权其中许多来自它们的母亲。表面附着等功能可能有助于肠道内的滞留。本文核心观点1. 菌株解析分析显示11%的细菌在生命的第一年存活下来2. 婴儿从母亲获得的细菌菌株更有可能在其肠道中持续存在3. 某些持久性菌株富含表面附着等功能摘要总结肠道微生物组的演替过程会直接影响婴幼儿的生长发育但目前学界仍未明确哪些因素会推动生命早期的初始定植菌株在发育中的肠道内长期存留。本研究开展菌株水平的分析对比早产儿与足月儿出生后首年的肠道定植特征评估菌株存留率与菌株来源、遗传潜能之间的关联。对13名足月儿与9名早产儿的粪便宏基因组数据进行分析后发现婴幼儿出生后初始差异显著的微生物组会在1岁时趋于同质化。约11%的早期定植菌株以Bacteroides和Bifidobacterium为主可在出生后首年持续存在并且这类菌株在足月儿体内的占比显著高于早产儿。前言部分微生物会在分娩过程中及出生后短时间内快速定植于近乎无菌的婴幼儿肠道中。这类早期肠道定植菌对婴幼儿代谢通路、尤其是免疫系统的成熟过程发挥关键作用。剖宫产、抗生素使用等生命早期事件会干扰微生物的获取与组装过程已被证实与婴幼儿后续哮喘、代谢综合征等疾病的发病风险升高直接相关。部分共生细菌可在成人肠道内持续存在数年。从群落整体层面来看婴幼儿肠道微生物组的稳定性远低于成人微生物组目前学界仍未明确其早期定植菌株的长期存留的规律。对于早产儿而言其初始定植菌株多为医院相关致病菌若这类菌株在婴幼儿发育过程中长期存留可能会产生长期健康影响。因此解析菌株吃酒席特征、长期存留菌株的来源与特性以及早产儿与足月儿微生物组趋于同质化所需的时间具备重要研究价值。现有多数婴幼儿微生物组研究依赖16S rRNA测序技术该技术无法解析物种水平以下的基因组差异虽已大幅推进学界对生命早期肠道菌群组装过程的认知但要解答不同来源微生物的传递规律、生命早期微生物的存留特征、个体间微生物共享模式等问题必须依托全基因组分辨率的分析手段。精准识别细微基因组差异可明确判定菌株完全相同或仅为近缘关系有效区分共生菌株与致病菌株。对分离培养的菌株进行测序是获取微生物基因组的传统路径但该方法通量低、仅能靶向特定类群无法覆盖样本中全部菌株的多样性。基因组分辨率宏基因组学无需依赖培养或公开参考基因组即可直接构建生命早期婴幼儿肠道内几乎所有微生物的基因组完美规避了16S rRNA测序与培养依赖型测序的固有缺陷。近年已有多项宏基因组研究分析了家庭成员间、无亲缘关系婴幼儿间、个体不同时间点的菌株共享特征但这类研究均依托公开参考基因组通过将测序reads比对到物种特异性标记基因集完成物种分类会遗漏公共数据库中缺乏足够代表性基因组的物种仅能覆盖数据库中已收录的部分物种及对应菌株。同时这类研究对“相同菌株”的判定标准相对宽松未纳入全基因组信息仅基于标记基因的单核苷酸多态性、或仅覆盖编码区进行判定可能将无流行病学关联的近缘菌株误判为同一菌株。本研究依托基因组分辨率宏基因组学技术解析生命早期肠道微生物组的组装动态采用严格的全基因组比对标准判定两株菌完全相同。研究纳入同一家医院3年间出生的早产儿与足月儿持续追踪其肠道微生物组组成至1岁同时采集分娩时的母体粪便样本明确婴幼儿与母体肠道微生物组间的菌株传递规律。与该领域此前的研究不同本研究采用从头组装的微生物基因组分析生命早期肠道微生物组可覆盖公共参考数据库中缺乏近缘代表性基因组的物种。此外本研究在解析肠道微生物组演替过程时采用严格的菌株分辨率标准可精准追踪定植于婴幼儿肠道的菌株的存留特征与基因组成。综上本研究证实细菌初始定植菌株的母体来源、系统发育分类与功能潜能均会影响其在婴幼儿体内的长期存留能力。本研究明确的、可支撑生命早期肠道微生物长期定植的功能性状将为开发合理的微生物组干预策略提供理论依据。结果部分本研究对23名足月儿与19名早产儿开展从出生至1周岁的长期随访共筛选402份婴幼儿及其母亲的粪便样本进行深度宏基因组测序总测序数据量达3.5万亿碱基对采用150 bp双端读长模式图S1。对测序读段进行从头组装后共得到7521个基因组草图分箱进一步以98%全基因组平均核苷酸一致性gANI为阈值进行去冗余最终获得1005个代表独特微生物“亚种”的基因组。本研究中“亚种”作为分类学层级定义为介于菌株与物种之间的分类单元图1STAR方法。本研究依托inStrain工具通过比对读段比对至同一亚种基因组的结果完成相同菌株的判定若两个样本中同一细菌分箱的基因组比对区域种群水平平均核苷酸一致性popANI高于99.999%即判定为同一菌株该阈值参考已发表的通用标准设定图1。本研究采用的严格“菌株”判定标准可精准区分近期菌株传递事件与共享近期演化历史但来源完全不同的近缘微生物类群。除婴幼儿与母体样本外本研究同步测序5份阴性试剂对照每块提取板设置1份。由于两个阴性对照孔中检出常见肠道物种本研究对所有提取板的孔间序列交叉污染情况开展全面评估最终确认该污染由对应两块提取板的孔间交叉污染导致STAR方法。考虑到菌株水平分析的严谨性要求本研究直接剔除这两块提取板上的全部样本涉及10名足月儿、10名早产儿的样本及12份母体样本。其余3块提取板未检出污染因此该批次的206份样本9名早产儿、13名足月儿及17份对应母体样本全部进入后续分析流程图S1。本研究已公开这22名婴幼儿及其母亲的样本元数据表S1与测序数据信息表S2。图1 | 基于Instrain流程从宏基因组组装基因组解析的菌株水平的传递1婴幼儿出生后第一年内大约11%的早期定植菌株持续存在婴幼儿粪便样本根据采集时的实际月龄被划分为7个时间窗口0、1、2、3、4、8、12月龄。出生后前2个月内定植的细菌菌株被归类为早期定植菌以99.999%的种群水平平均核苷酸一致性popANI作为菌株判定阈值进一步将其划分为“长期存留菌株持久性菌株”与“非长期存留菌株非持久性菌株”在8月龄后仍存在于婴幼儿肠道内的为持久性菌株未检出的为非持久性菌株STAR方法图2A。本研究发现在婴幼儿出生后首年的所有样本中检出的575个细菌亚种里关于“亚种”划分可见博主关于InStrain软件使用文章《技术避坑二创造属于你的参考数据库使用inStrain分析特异性菌株水平的传递》有274个占比47.7%属于早期定植菌。这274个亚种共包含560个独立菌株其中59个为持久性菌株501个为非持久性菌株图2A。持久性的存留时长中位数为9.6个月95%置信区间[CI]9.0~10.1个月非持久性菌株的存留时长中位数为0.4个月95%CI0.3~0.5个月。76%的非持久性菌株在2月龄后就无法被检出。值得注意的是非持久性菌株的相对丰度显著低于持久性菌株p1.6e-19Wilcoxon秩和检验。图2 | 一些细菌菌株从婴儿出生起直至接近1岁龄期间持续存在于其肠道中在足月儿出生后直至1岁时体内检出的早期定植菌占比显著高于早产儿p 0.032图2B。一结果没有被早产儿和足月儿的初始定殖群体的规模或多样性所混淆因为两组婴儿的早期定植菌总数量、早期定植菌的α多样性均无统计学差异p值分别为0.22和0.76Wilcoxon秩和检验。为筛选可能影响菌株存留的临床变量本研究采用广义线性模型GLM评估早产状态的作用STAR方法。我们发现部分临床因素即热量强化剂Prolacta绝大多数早产儿使用而足月儿均未使用与胎龄状态高度相关因此与足月儿/早产儿分组存在混杂效应图S2无法单独量化其对菌株存留的贡献。即便如此在控制胎龄状态、种族、性别、喂养模式、断奶时间、辅食首次引入时间、分娩方式、2月龄后抗生素使用等变量后我们仍证实足月儿身份对婴幼儿体内初始菌株的存留占比存在显著的正向影响p0.00024泊松分布GLM。在纳入所有婴幼儿样本分析后发现Bacteroides与Bifidobacterium属的菌株存留率显著高于其他菌属q值分别为7.8e-15与8.6e-05Fisher’s exact test图2C。在物种水平上普通拟杆菌Bacteroides vulgatus与 单形拟杆菌Bacteroides uniformis的菌株存留概率显著高于其他细菌物种q值分别为6.0e-6与1.6e-03Fisher’s exact test。同时Veillonella 与Clostridium 属的菌株存留概率显著低于其他菌属q值均为0.023Fisher’s exact test。上述观测结果引出了一个问题早产儿与足月儿的长期存留菌株、非长期存留菌株是否存在差异。我们发现足月儿体内的长期存留菌株中普通拟杆菌Bacteroides vulgatus与 短双歧杆菌Bifidobacterium breve显著富集q值分别为6.0e-06与0.0011Fisher’s exact test而早产儿体内的长期存留菌株中Bacteroides uniformis与大肠杆菌Escherichia coli的占比显著更高q值分别为0.016与0.022Fisher’s exact test图2D。2母亲来源的菌株更有可能在婴儿肠道微生物组中持续存在为了阐明母亲来源的肠道菌株对婴儿肠道微生物组发育的影响我们统计了婴儿及其母亲之间的菌株共享数量。在这项研究中“垂直传递”是指由于没有从其他身体部位采集样本细菌菌株直接从母亲的肠道微生物群传递给婴儿。在这项研究中的22名婴儿中我们收集了其中17名婴儿的母亲粪便样本。在这17名婴儿中12名足月婴儿中有9名和5名早产儿中有3名从母亲那里遗传了菌株。在所检查的17对母婴中共有12对检测到50种母亲来源的细菌菌株占所有已鉴定母亲菌株的4.4%图3A。图3 | 母源性肠道细菌菌株更可能在婴儿肠道中成为持续驻留的细菌与未传递给婴儿的菌株相比经垂直传递的菌株在母体肠道微生物组中的丰度显著更高p 2.4×10⁻¹⁶Wilcoxon秩和检验图3B。相应地在所有时间窗口内与没有被传递were not passed on to的菌株相比婴儿肠道微生物组中从母亲获得的菌株丰度也更高q 0.001Wilcoxon秩和检验。无论孕周或分娩方式如何在母亲传递的菌株中拟杆菌门Bacteroidetes显著富集而厚壁菌门Firmicutes显著减少q值分别为2.4×10⁻⁹和2.4×10⁻¹³Fisher精确检验图3A和图3C。在属水平上与其它细菌属相比婴儿从母亲获得拟杆菌属Bacteroides和 Parasutterella 的可能性更大q值分别为2.0×10⁻⁸和0.028Fisher精确检验图3A和图3D。在该队列中均匀拟杆菌B. uniformis和普通拟杆菌B. vulgatus是最常见的母体传播菌种q值分别为3.7×10⁻⁵和0.0015Fisher精确检验。研究发现与来自其他来源的菌株相比经母亲传播的菌株在婴儿肠道微生物组中更有可能成为持续存在的菌群这表明从母体肠道微生物组中获得的菌株可能更适应婴儿肠道环境p 4.0×10⁻¹¹Fisher精确检验图3A和图3E。这些母体出纳第的持续存在菌群主要为拟杆菌门Bacteroidetes而在母体粪便样本中未检测到的持续存在菌群则多为厚壁菌门Firmicutes和放线菌门Actinobacteria。重要的是我们在婴儿出生后的第一年内持续检测到新菌株从母体传播至婴儿肠道微生物组这表明垂直传播不仅限于分娩期或产后阶段图3A。3无亲缘关系的婴儿之间的共享细菌菌株很少除分析菌株存留特征与母亲菌株传递规律外本研究还排查了队列中不同婴幼儿之间的菌株共享情况。在所有婴幼儿两两配对的231组对比中有18组配对至少共享1株细菌菌株图4A。绝大多数婴幼儿配对的共享菌株数不超过2株但7号与133号足月儿的共享菌株数达到11株图4。本研究的去污染分析已证实该结果并非样本间交叉污染导致。后续通过查阅医疗记录验证本研究提出的假设成立这两名婴幼儿为亲兄弟姐妹7号的出生时间比133号早2年。下一部分将对这对兄弟姐妹及其母亲的肠道微生物组开展更深入的详细分析本研究队列中其余婴幼儿均无血缘关系。排除这对兄弟姐妹的配对对比后早产儿之间的菌株共享概率远高于足月儿之间的菌株共享概率p4.6e-04费希尔精确检验图4A。早产儿之间的绝大多数菌株共享事件都发生在其出院前的住院阶段提示医院环境是这类共享菌株的潜在来源。丁酸梭菌Clostridium butyricum是早产儿群体中共享范围最广的物种经两两对比验证有1株C. butyricum菌株被5名无血缘关联的早产儿共同携带。图4 | 有血缘关系的一对兄弟姐妹间共享的菌株数显著多于无血缘关系婴儿之间的共享菌株数4一对兄弟姐妹在出生的第一年里共有许多菌株为进一步探究这对兄弟姐妹肠道微生物组的菌株共享特征本研究详细分析了7号与133号两名足月儿的肠道菌群以及他们母亲间隔2年采集的两份粪便样本图4B-4D。两名兄弟姐妹均为剖宫产分娩断奶前全程接受纯母乳喂养。在出生后第一年内与年长的兄弟姐妹相比年幼者的变形菌门Proteobacteria与疣微菌门Verrucomicrobia亚种数量更少拟杆菌门Bacteroidetes的丰度更高。本研究推测与第一胎分娩时相比母亲在第二胎分娩前后的肠道微生物组发生的变化可解释两名兄弟姐妹之间观测到的菌群组成差异。实际统计结果显示与第一胎分娩时相比母亲在第二胎分娩前后的肠道微生物组中拟杆菌门的丰度几乎提升了一倍变形菌门的丰度降至原先的六分之一左右且完全未检出疣微菌门图4B。两名兄弟姐妹共享的11株细菌分别占年长婴幼儿肠道微生物组总量的20%、年幼婴幼儿肠道菌群总量的50%图4C。值得注意的是这11株共享菌株中仅1株B. breve并非母体来源且在两名婴幼儿出生后首年的绝大多数时间内都持续存留其余10株共享菌株中有5株仅在年幼婴幼儿体内被归类为长期存留菌株图4D。本研究队列中其余任意婴幼儿配对均未共享任何长期存留菌株。由于绝大多数共享菌株在年长婴幼儿体内属于晚期定植菌但在年幼婴幼儿体内属于早期定植菌且这类菌株大多未在母亲的肠道微生物组中被检出本研究提出假设这类菌株大概率是从更年长的兄弟姐妹传递至年幼的兄弟姐妹体内图4D。从同一名母亲处采集的两份粪便样本也为排查同时存在于两份样本中的细菌菌株提供了条件。母亲第一份、第二份粪便样本中分别检出99个、94个亚种其中12个亚种以拟杆菌门类群为主的popANI ≥ 99.999%。这12株菌株在母亲第一胎分娩时的肠道微生物组中占比为20%在2年后的肠道微生物组中占比达到50%图S3A。这12株菌株中1株B. uniformis与1株Megasphaera massiliensis被两名婴幼儿同时获取且这两株菌株均在年幼婴幼儿体内属于长期存留菌株。剩余10株母体菌株中有2株在年幼婴幼儿1岁时被检出另有1株在年长婴幼儿1岁时被检出图S3B。5多种碳水化合物活性酶与双歧杆菌和大肠杆菌的持久性有关本研究进一步探究早期定植菌的特定功能是否与菌株存留相关。具体而言本研究对比了出生后前2个月内存留菌株与非存留菌株的基因组成以识别可赋予早期定植菌存留优势的功能性状STAR方法表1、S3、S4及S5。由于代谢多种碳水化合物的能力被认为对肠道内存活至关重要本研究假设存留菌株基因组中碳水化合物活性酶CAZymes的丰度将高于非存留菌株。为验证该假设本研究对编码CAZymes的基因进行注释并比较存留菌株与非存留菌株基因组中CAZymes的多样性STAR方法。总体而言存留菌株Np59的 CAZymes 香农多样性显著高于非存留​​​​​​​菌株Nnp501p4.1e-07Wilcoxon秩和检验。但本研究中的存留菌株以Bacteroides与Bifidobacterium为主已知这两个属的基因组密集编码聚糖代谢基因。为排除潜在的分类学偏差本研究将CAZymes 多样性的比较范围限定为同一属或同一物种内的存留菌株与非存留菌株且要求每组比较至少包含3株存留菌株与3株非存留菌株以保证统计效力。在满足上述标准的5个属Escherichia、Bifidobacterium、Klebsiella、Streptococcus与Bacteroides中EscherichiaNp3Nnp25与BifidobacteriumNp12Nnp18的存留菌株 CAZymes 香农多样性均显著高于对应的非存留菌株p值分别为0.030与0.014双侧置换检验图5A。物种水平上仅E. coliNp3Nnp25通过筛选标准其存留菌株的 CAZymes 香农多样性显著高于非存留菌株p 0.030双侧置换检验。图5 | 部分细菌属的存留菌株中检出多种碳水化合物活性酶本研究还比较了存留菌株与非存留菌株基因组中CAZymes的编码密度STAR方法发现Bifidobacterium存留菌株的基因组中分配给CAZymes的比例显著高于Bifidobacterium非存留菌株p0.047双侧置换检验图5B。该差异主要由糖基转移酶GTs与碳水化合物酯酶CEs的编码比例更高所致p值分别为0.012与0.012双侧置换检验图5C。此外本研究分析了基因组中CAZymes编码基因数量与检出的独特CAZyme类型数量之间的关系。总体而言存留菌株与非存留菌株均表现出CAZymes编码基因数量与独特CAZyme数量之间的正相关斯皮尔曼相关系数r分别为0.96与0.97p值分别为1.86e-33与8.20e-200图5D。值得注意的是Bifidobacterium存留菌株的CAZymes编码基因与独特CAZyme的比值高于同属非存留菌株p0.00076威尔科克森秩和检验提示这类菌株通常比非存留菌株编码更多特定CAZyme家族的重复拷贝。本研究进一步筛选在Bifidobacterium与Escherichia的存留菌株或非存留菌株中显著富集的特定CAZymesSTAR方法因为这两个属在存留菌株与非存留菌株之间的CAZymes多样性差异最显著。两个属的非存留菌株中均未检出任何富集的CAZymes。在Bifidobacterium早期定植菌检出的109个CAZymes中有6个在存留菌株中显著富集q0.05费希尔精确检验且均预测参与膳食多糖的降解表S3。在Escherichia中检出的63个CAZymes中有8个在存留菌株中显著富集q0.05费希尔精确检验。多数在Escherichia 存留菌株中富集的CAZymes如GH33与PL22参与小分子代谢包括黏蛋白的糖副产物降解以及由群落其他成员执行的膳食多糖降解表S4。值得注意的是预测参与生物膜形成的CAZyme GH153以及预测参与荚膜多糖合成的糖基转移酶GT107也在Escherichia 存留菌株中富集提示Escherichia 存留菌株可能携带其他有助于其在肠道中稳定定植的性状。6表面黏附与铁获取能力共同促进了E. coli的长期驻留E. coli 是Escherichia 属中唯一被归类为早期定植菌的物种。为筛选碳水化合物代谢以外、可能促进E. coli在婴幼儿肠道中存留的其他功能本研究利用KEGG、Pfam、转运蛋白分类TC及E. coli毒力相关基因EcVG数据库对比了出生后前2个月内存留型与非存留型E. coli菌株的基因组成STAR方法。本研究检出的3株E. coli 存留菌株均来自早产儿。其中1株存留菌株检自一名曾两次发生坏死性小肠结肠炎NEC并存活的早产儿且该E. coli菌株首次检出的时间点恰逢NEC复发图S4。另外2株存留菌株分别检自两名早产儿且均在晚发型败血症LOS发病前就已存在图S4。这两名婴幼儿在确诊当日均采集了血培养结果均检出E. coli表S1。尽管此前有研究报道部分婴幼儿的LOS由E. coli从肠道易位至血液所致但由于未对血培养样本进行测序本研究无法通过对比肠道与血液中的E. coli菌株来验证该结论。在所分析的KEGG直系同源基因KOs、Pfam、TC标识符TCIDs及毒力因子VFs中存留型E. coli菌株显著富集了119个KOs、140个Pfams、37个TCIDs及72个VFsq0.05费希尔精确检验表1及S5。值得注意的是有4个KOs、19个Pfams、4个TCIDs及18个VFs同时存在于全部3株存留菌株中且在全部25株非存留菌株中均未检出这些基因主要与表面黏附相关基因有关。例如CdiA与抗原43已被证实可增强细胞间聚集和/或生物膜形成。存留型E. coli菌株独有的另一项功能为毒素colibactin的生物合成相关基因位于一段54 kb的基因组岛上。本研究发现该19基因簇中的14个基因仅在存留菌株中显著富集由此进一步在存留菌株中搜索完整的colibactin生物合成基因簇。通过reads比对至从头组装的E. coli代表性基因组进行基因簇检测结果证实全部存留菌株均携带完整的colibactin生物合成基因簇而全部非存留菌株均未携带STAR方法。本研究还鉴定出在存留菌株中显著富集但并非独有的功能基因。其中大量基因参与表面黏附如VI型分泌系统与生物膜合成。此外尿道致病性E. coli colicin样蛋白Usp也显著富集该蛋白被推测可作为针对其他E. coli菌株的细菌素同时也被证实可损伤哺乳动物细胞。其他富集的性状还包括糖与氨基酸代谢如果胶相关代谢、D-丝氨酸解毒与代谢及铁获取如锰/铁转运蛋白与铁载体合成表1及S5。本研究发现全部3株E. coli存留菌株均独有相邻排列的铁载体yersiniabactin与基因毒素colibactin生物合成基因簇STAR方法图S5。colibactin与yersiniabactin生物合成基因簇的共定位现象已在胞外致病菌株与肠道共生分离株中均有发现。这两个基因簇已被证实可通过colibactin基因簇中的clbA基因实现功能互联该基因同时参与铁载体的生物合成。该基因组结构如何影响E. coli在早产儿肠道中的存留及早期疾病的发生仍有待进一步探究。本研究通过比较基因组学分析验证了在E. coli非存留菌株中看似缺失或相对罕见的基因并非因基因组片段缺失而被遗漏STAR方法。结果如预期所示本研究在原本共线的区域中检出了涉及富集/缺失基因的插入/缺失事件。例如本研究发现编码类大肠杆菌素蛋白Usp及其相关免疫蛋白的基因以及编码VI型分泌系统的大片段区域在存留菌株与非存留菌株E. coli基因组的原本共线区域中均存在缺失图S6。总体而言本研究发现E. coli 存留菌株编码的毒力基因占比显著高于非存留菌株p0.0032双侧置换检验。由于这些基因中大量参与表面黏附与铁获取本研究通过测量这些功能在E. coli早期定植菌基因组中的编码密度评估了这两项功能的重要性STAR方法表S6。结果显示E. coli 存留菌株分配给表面黏附与铁获取的基因组占比均显著高于非存留菌株p值分别为0.013与0.00030双侧置换检验提示这两项功能对E. coli在婴幼儿肠道中的存留尤为关键。7足月儿与早产儿早期差异显著的肠道微生物组成在1岁时已基本趋同为探究足月儿与早产儿早期肠道微生物组组装过程在群落层面的差异本研究采用UniFrac距离衡量两组婴幼儿的β多样性STAR方法。考虑各分类单元相对丰度的加权UniFrac显示早产儿与足月儿的肠道微生物组在1至3月龄期间发生分化。在此阶段早产儿肠道微生物组中不成比例地富集了医院环境中常见的细菌包括ESKAPEEnterococcus faecium、Staphylococcus aureus、Klebsiella pneumoniae、Acinetobacter baumannii、Pseudomonas aeruginosa与Enterobacter属病原体图6A。然而早产儿与足月儿肠道微生物组的趋同始于3月龄并在4至8月龄期间加速p2.0e-04威尔科克森秩和检验。总体而言加权UniFrac表明足月儿与早产儿的微生物组在1岁时已基本趋同p0.0024威尔科克森秩和检验图6B及S7A。排除相对丰度影响的非加权UniFrac显示早产儿与足月儿的肠道微生物组在1至8月龄期间趋于相似p0.0059威尔科克森秩和检验但8月龄后迅速分化。综合来看非加权UniFrac提示早产儿与足月儿的微生物组在1岁时变得更加不同p0.014威尔科克森秩和检验图6B及S7A。为评估两种UniFrac指标得出的相反结论本研究还采用Bray-Curtis距离检验足月儿与早产儿肠道微生物组的趋同性STAR方法图S7B。与加权UniFrac结果一致Bray-Curtis距离显示足月儿与早产儿的肠道微生物组成在1岁时已基本趋同p1.7e-31威尔科克森秩和检验。为进一步探究婴幼儿肠道微生物组的成熟过程本研究衡量了婴幼儿与母亲肠道微生物组之间的β多样性。加权与非加权UniFrac距离均显示婴幼儿与母亲之间的微生物组呈逐步趋同趋势图6C及S7A。本研究进一步通过主成分分析PCA在母亲微生物组组成的背景下考察早产儿与足月儿肠道微生物组的发育轨迹STAR方法。通过追踪相邻采样时间点间的组成变化在PCA中可视化了每名婴幼儿的组装轨迹图6D。早产儿、足月儿及其母亲的肠道微生物组在PCA空间中形成各自独立的簇置换多元方差分析[PERMANOVA]p0.001图S7C。但随时间推移所有婴幼儿的肠道微生物组均向母亲样本所在的PCA区域移动。事实上实际月龄对足月儿与早产儿肠道微生物组的变化均具有显著驱动作用PERMANOVAp值分别为0.040与0.001。值得注意的是早产儿微生物组的发育轨迹与足月儿不同这可能是因为其初始肠道微生物组与母亲肠道微生物组的差异大于足月儿。事实上比较每名婴幼儿相邻粪便宏基因组的Jaccard相异度显示早产儿早期与晚期肠道微生物组之间的变化显著大于足月儿p0.0092威尔科克森秩和检验。为进一步探究婴幼儿肠道微生物组的成熟过程本研究衡量了婴幼儿与母亲肠道微生物组之间的β多样性。加权与非加权UniFrac距离均显示婴幼儿与母亲之间的微生物组呈逐步趋同趋势图6C及S7A。本研究进一步通过主成分分析PCA在母亲微生物组组成的背景下考察早产儿与足月儿肠道微生物组的发育轨迹STAR方法。通过追踪相邻采样时间点间的组成变化本研究在PCA中可视化了每名婴幼儿的组装轨迹图6D。早产儿、足月儿及其母亲的肠道微生物组在PCA空间中形成各自独立的簇置换多元方差分析[PERMANOVA]p0.001图S7C。但随时间推移所有婴幼儿的肠道微生物组均向母亲样本所在的PCA区域移动。事实上实际月龄对足月儿与早产儿肠道微生物组的变化均具有显著驱动作用PERMANOVAp值分别为0.040与0.001。值得注意的是早产儿微生物组的发育轨迹与足月儿不同这可能是因为其初始肠道微生物组与母亲肠道微生物组的差异大于足月儿。事实上比较每名婴幼儿相邻粪便宏基因组的Jaccard相异度显示早产儿早期与晚期肠道微生物组之间的变化显著大于足月儿p0.0092威尔科克森秩和检验。讨论部分本研究从菌株水平上探究了早产儿与足月儿肠道微生物组的生态演替发现11%的早期定植菌株在出生后首年内持续存在。我们的研究使用基因组解析的宏基因组学来严格鉴定早期肠道微生物组中所有门的持久性细菌菌株并研究与菌株持久性相关的因素。此前研究已证实持久性菌株的存在但多数研究依赖基于分离培养的策略这类方法可能对可培养谱系与菌株存在偏向。若干基于宏基因组学的研究报道了在婴幼儿肠道中检出随时间持续存在的菌株但这些研究主要聚焦于菌株来源即母亲传播对菌株命运的影响依赖公共参考基因组且在定义菌株时未考虑全基因组信息因而可能无法区分遗传差异仅能通过全基因组比较才可分辨的近缘但流行病学上无关联的菌株。本研究表明初始肠道微生物组的大部分为短暂定植菌仅有小部分早期定植菌存留至1岁。这与成人肠道微生物组的报道结果形成对比。婴幼儿肠道微生物组中的高菌株更替率并不令人意外。近无菌婴幼儿肠道的初始微生物定植在很大程度上取决于其所暴露的环境。非存留菌丰度显著低于存留菌的观测结果提示部分早期定植菌的短暂存在部分归因于生态漂变等中性过程因为低丰度生物因随机因素更易被漂变驱动至灭绝。部分早期定植菌的短暂性也可能反映其对肠道环境的适应性较差而该环境由宿主免疫系统及部分早期定植菌包括存留菌共同塑造。尽管存留菌仅占早期定植菌的一小部分但其有潜力塑造发育中微生物组的轨迹。通过优先效应存留菌可通过生态位抢占和/或修饰对晚期到达的菌株产生抑制和/或促进作用。尽管非存留早期定植菌也可施加优先效应但鉴于其短暂存在与存留菌相比其对婴幼儿肠道微生物组组装的影响可能较小。此外存留菌的稳定定植暗示其与免疫系统存在密切互作。早期生命的微生物定植对免疫系统发育至关重要。存留菌有可能直接影响免疫系统的成熟进而进一步塑造婴幼儿肠道微生物组的组装。因此早期生命肠道微生物组中存留早期定植菌的重要性促使本研究鉴定这类菌株并探究其存留的驱动因素。本研究鉴定出一项似乎决定早期定植菌能否归入出生后首年仍存留的小部分菌株的重要因素。通过分析围产期采集的母亲粪便样本本研究确定来源于母亲肠道的菌株即Bacteroides比无法传递的菌株更有可能存留。本研究拓展了此前在较短时间跨度内开展的母亲传播研究——该研究采用共识SNP调用与基因层面方法的组合鉴定母婴共享菌株拓展了仅依赖丰度 abundant的 物种稀有SNP分析的研究以及拓展了仅利用物种特异性标记基因上的SNP差异定义相同菌株的研究。母亲传播菌株的持续存留可能源于母亲的持续传递因为本研究证实母亲传递可以贯穿出生后至第一年。母亲菌株的存留也可能反映其对婴儿肠道的适应性包括肠道相关营养物质的代谢及与婴幼儿免疫系统的互作。研究的局限性本研究在开展组间比较时统计效能不足以全面评估所有混杂因素。例如本研究无法独立评估Prolacta添加、出生体重、出生后住院时长及早期抗生素使用2月龄前等变量对菌株存留的影响因为上述多数因素与早产密切相关。此外鉴于本研究中存活的NEC及LOS早产儿比例较高部分与早产相关的发现包括存留E. coli菌株可能不适用于健康早产儿。为进一步拓展本研究的观察结果并阐明富集毒力因子的存留E. coli菌株与早产之间的关系未来需要开展纵向研究纳入规模更大且组间更均衡的早产儿队列。