人类进化过程中微生物的快速变化
人类是包含万亿微生物的生态系统,但是因为缺乏对非洲猿微生态系统的了解,对这套微生态系统的进化史尚不清楚。我们按顺序排列了成百上千的黑猩猩,倭黑猩猩、大猩猩的肠道菌群,发现了一条途径重建当代人类的肠道菌群如何从这些古老的种群中分离出来。在非洲猿多元化的过程中微生物组成的变化是缓慢的像钟表一样的速度,但是人类的微生物以更快的速度偏离原始状态。相对于野生猿类的微生物,人类饮食开始以动物性食物为主后就失去了祖先的微生物多样性。与社会中的个人相比野生猿个体定植了多门类,类,家族,属和种的细菌。这些结果表明,人类从大猩猩分离的过程中经历了一个肠道菌群耗减的过程。
人类体内的微生物由宿主的遗传、环境、生活方式决定,因此,人类独特的进化史及文化史转变了自身与微生物的联系。除了很多研究人类因地域和文华因素形成微生物种群的研究,人类在从一个物种进化到另一个物种、人类种群一个接一个的变迁中微生物种群的变化却并不清楚,缺乏原始人类种群的微生物种群的知识。
要想弄清楚人类进化史中微生物种群组成的变化情况,就要研究清楚外类群如非洲猿的微生物种群是怎样系统进化至人类微生物种群的。前期的关于人类和非洲猿肠道微生物种群的研究仅限于每种宿主的个别个体,没有发现区别宿主种属的精确的微生态方面的不同。对比黑猩猩,倭黑猩猩,大猩猩和人类之间微生物种群的不同时考虑到宿主进化过程中的相关性,有助于发现在宿主多元化过程中微生物种群的变化情况。
在此我们应用系统发育的方法识别进化至现存物种homo和大猩猩的的物种的微生物种群的变化,这项研究表明不同文化和地域背景的人类的微生物种群从野生猿转变的过程中是不成比例的。特别是,与原始人相比,人类的肠道微生物密度更低。
结果:
样本来源:我们收集了来自坦桑尼亚的上百只大黑猩猩的粪便(n=160),还有来自刚果民主共和国的(n=70)的倭黑猩猩的粪便,和来自喀麦隆的野生大猩猩的粪便(n=186)。图s1表示了样本采集区域,表1表示了样本和相应的信息。因为我们对标本的试验方法进行了标准化,所以我们可以编辑从如此大猿类种群和相应的人群获得的信息,这些人群包括:美国的城市生活人群,马拉维的乡村人群,委内瑞拉南亚马逊雨林的工业前生活方式人群,欧洲城市生活人群,坦桑尼亚的狩猎-采集的生活方式人群。
核心的猿类微生物的一致共生模式。
所有的人类和非洲猿种群都有一些列核心菌属,覆盖了大多数的个体样本(图2)。还有,每个人群中普氏菌和拟杆菌的相对丰度呈负相关,而拟杆菌的相对丰度与瘤胃球菌和对位拟杆菌呈正相关。
意义:
人类的生活方式深深影响着定植的微生物群落,这就是微生物,然而,人类微生物怎样从野生原始人微生物转化而来却并不清楚。为建立人类从猿类进化后肠道菌群是怎样变化的,我们归类了成百只大猩猩,倭黑猩猩,黑猩猩微生物组合定植情况,微生物种群的变化稳定的促进了非洲猿种群的变化,但在人类的微生物种群因为戏剧性的丢失了很多原始微生物多样性而加速发生变化。这些结果表明,从人类从猿类分化出来后人类的微生物种群发生了实质性的变化。
宿主进化过程中微生物组成的变化。
比较猿类不同种群的肠道菌群有助于了解原始人进化过程中肠道菌群的系统发育框架体系(图1)。我们推断在非洲猿发展史上不同族群微生物族群的转换最保守的解释了现存的宿主身上存在的微生物种群的不同。如果发现在对向血统或姐妹血统还有外部血统的样本中发现它们之间的微生物相对丰度有两倍的不同且这种不同以假设的校正的p<0.001基础上就可以说明它们的微生物种群发生了变化。对于进化至人类的那一支,只有它们在每个人类样本中都发现了才计入微生物种群组成变化中。
我们确定了35例从猿进化至现存物种的微生物相对丰度的变化,这其中17例在人类中也从homo和大猩猩进化而来后也存在。几种人类微生物组成的不同与宿主的营养有关。细菌的相对丰度与饮食中富含动物脂肪和动物蛋白正相关,将人类的肠道微生物种群丰度增加了5倍。相反,促进降解复杂的植物纤维产生并利用其终产物甲烷的古生菌在人类中间已经减少了5倍以上。相似的,在野生猿类中主要用来降解植物纤维的纤维菌的相对丰度在人类中也大幅减少。
非洲猿微生物像时钟一样的变化
尽管在宿主物种的生活方式和生态差异显著,在微生物群的组成应以较时钟像类人猿多元化过程中速度的变化(图2a)。除了宿主间生活方式和经济的不同,在猿多样化的进化过程中微生物种群也发生着钟表一样缓慢的变化(图2a)。每对野生猿种群之间肠道菌群的差异的平均水平的柯蒂斯相异(bcd)不同,与种群之间的进化距离是种线性相关(p<10-6)。化石和遗传的证据表明,非洲猿用了500-1300万年完成了从黑猩猩-人的分离,而人类与大猩猩的之间的进化分离则用了1200-1300万年。
除了非洲猿自然的像钟摆一样的慢慢的进化至多样化,美国人群的肠道微生物改变速率更快,且比之前设想的根据进化年代不同而产生的人、大猩猩、大猩猩各个族群的肠道微生态变化更加复杂。基因基因bcd的分析,美国人群的肠道微生物与马拉维人群的肠道微生物之间的差异大于马拉维人与倭黑猩猩之间差异(p<10-13)。美国人群和野生猿类的肠道微生物在主要的两个相对应的轴做成对β多样性在种群(表2)和97%可操作空间水平都是显著不同的(表3)。
区分不同人群的肠道微生物的改变。
对比野生猿类和人类的肠道微生物的变化可以初步解释形成现今人类族群之间微生物的不同包括区分美国人群的微生物。
人类微生物祖先多样性的减少。
对比取自不同物种和族群不同个体的成百份标本的16sv4序列使我们可以从分类学尺度确认整体微生物多样性的情况。我们发现与野生猿
人类进化过程中微生物的快速变化
本文2019-10-11 17:07:06发表“医学论文”栏目。
本文链接:https://www.wenmi123.com/article/316228.html
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