該研究通過(guò)田間試驗結合宏基因組、理化分析及結構方程模型，系統解析了?“稻?–?川芎輪作”?模式降低川芎鎘積累、提升活性成分的分子與微生態(tài)機制，為道地中藥材安全優(yōu)質(zhì)種植提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐與理論依據。百邁客生物為該研究提供了宏基因組測序服務(wù)。

研究背景

川芎，作為活血行氣、祛風(fēng)止痛的經(jīng)典中藥材，在中醫臨床及現代中成藥制劑中應用廣泛。然而，隨著(zhù)土壤環(huán)境污染問(wèn)題日益顯著(zhù)，川芎中鎘元素含量超標現象屢見(jiàn)不鮮，不僅嚴重影響藥材質(zhì)量與臨床用藥安全，也制約了川芎產(chǎn)業(yè)的可持續發(fā)展。在植物降鎘領(lǐng)域，現有研究多集中于施用改良劑、篩選低積累品種或利用植物修復等。探尋一種既能有效阻控鎘吸收，又能兼顧藥材產(chǎn)量、品質(zhì)與種植效益的農藝措施，成為產(chǎn)業(yè)與科研共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

對此，國錦琳教授團隊率先將研究視角聚焦于川芎道地產(chǎn)區廣泛沿用的水稻-川芎輪作（Rice-Chuanxiong?rotation,?RC）模式與傳統種植模式的差異，深入探究這一差異化種植方式背后的生態(tài)效應及其應用價(jià)值。

研究結果

該研究采用多學(xué)科整合方法開(kāi)展系統性探究：首先在四川鎘污染農田設置?“稻?–?川芎輪作（RC）”?與?“川芎連作（CC）”?對照試驗，追蹤川芎全生育期生長(cháng)指標；隨后通過(guò)HPLC測定活性成分、ICP-MS分析鎘含量、宏基因組解析根際微生物群落；結合土壤理化性質(zhì)檢測、酶活性分析，最終利用PLS-SEM模型構建?“微生物?–?功能?–?土壤性質(zhì)?–?鎘積累”?調控網(wǎng)絡(luò )。研究發(fā)現：

• 輪作顯著(zhù)提升川芎品質(zhì)與安全性，使川芎根莖鎘含量降低46%（遠低于藥典?1mg/kg?限值），活性成分藁本內酯A含量提升44%，且不影響根莖產(chǎn)量；
• 根際微環(huán)境重塑是關(guān)鍵，輪作顯著(zhù)富Geobacter、Nitrospira等7個(gè)功能屬，增強碳氮代謝等29條通路；
• 土壤理化性質(zhì)介導降鎘，輪作使土壤pH提升6%-16%、有機質(zhì)增加?13%-48%，通過(guò)吸附與絡(luò )合作用抑制鎘吸收；
• 調控機制明確，PLS-SEM模型證實(shí)，輪作通過(guò)招募特定微生物→強化碳氮代謝→提升土壤pH與有機質(zhì)→最終降低鎘積累，該路徑擬合度?0.6957；
• 輪作雖未降低土壤有效態(tài)鎘，但通過(guò)改變微生物功能與土壤性質(zhì)阻斷鎘向植株轉運；
• 根際微生物多樣性在收獲期顯著(zhù)高于連作，且脫氫酶、蔗糖酶等關(guān)鍵酶活性提升?541%-143%，進(jìn)一步佐證土壤健康改善；
• 輪作還降低了連作中富集的致病與促鎘積累微生物（如Ralstonia、Burkholderia），減少土傳病害風(fēng)險。

研究總結

該研究首次揭示了稻芎輪作（RC輪作）模式在降低川芎鎘富集方面的成效與核心機理。此模式不僅能大幅降低川芎的鎘含量，還能在保障川芎總產(chǎn)量的同時(shí)，顯著(zhù)推動(dòng)其有效成分的積累，達成“控鎘、增產(chǎn)、提質(zhì)”的三重目標。研究闡明其核心優(yōu)勢機制：稻芎輪作通過(guò)重構根際微生物群落，富集碳氮代謝相關(guān)的有益功能微生物，進(jìn)而提升土壤pH值與有機質(zhì)含量，觸發(fā)了“根際微生物→微生物功能→土壤性質(zhì)→植物鎘積累”的級聯(lián)調控效應，從源頭阻斷了鎘元素向川芎植株的遷移與富集。

與現有技術(shù)相比，稻芎輪作模式無(wú)需額外投入化學(xué)材料、不產(chǎn)生環(huán)境副作用、易于在產(chǎn)區集成推廣，是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟可行且效益顯著(zhù)的生態(tài)農藝解決方案。該研究成果的發(fā)表，標志著(zhù)在解決中藥材重金屬超標問(wèn)題上取得了重要進(jìn)展，為川芎乃至其他根莖類(lèi)中藥材的綠色、安全、規范化生產(chǎn)提供了堅實(shí)的科學(xué)依據和極具前景的實(shí)踐模式，對保障中藥材質(zhì)量安全、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展、保護耕地生態(tài)具有重要現實(shí)意義。

以上內容來(lái)源于成都中醫藥大學(xué)，侵刪

研究成果以“Microbial?ecosystem?and?ecological?driving?forces?in?the?deepest?ocean?sediments”為題發(fā)表在《Cell》雜志上。百邁客生物為該研究提供了測序服務(wù)。

Microbial ecosystem and ecological driving forces in the deepest ocean sediments

研究背景

深淵區（水深超6,000米，或根據聯(lián)合國教科文組織定義為水深超過(guò)6500米）占海洋垂直深度的45%，以極端高壓（110兆帕）、低溫（接近冰點(diǎn)）、黑暗及有機質(zhì)稀缺為特征。盡管環(huán)境嚴酷，這里卻孕育了獨特的生物群落，如凝膠狀魚(yú)類(lèi)、端足類(lèi)甲殼動(dòng)物及依賴(lài)化能合成的微生物。這些生物通過(guò)基因和代謝途徑的適應性進(jìn)化，成為研究生命極限的范本。

從1960年起，人類(lèi)對深淵的探索歷程一直伴隨著(zhù)巨大的代價(jià)和犧牲，也為現代深淵研究奠定了基礎。直至中國“奮斗者號”全海深載人潛水器的出現（2020年創(chuàng )下10,909米下潛紀錄），深淵科考進(jìn)入新階段。其220公斤有效載荷、高速水聲通信系統及高國產(chǎn)化率，顯著(zhù)提升了采樣精度與效率。

研究?jì)热菁敖Y果

構建海洋最深生態(tài)系統圖景

上海交通大學(xué)肖湘團隊，作為全球深海高壓微生物領(lǐng)域極少數至今在研的科學(xué)團隊，與中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所等國內多家科研單位共同參加了“奮斗者”號載人潛水器TS21航次，探索了馬里亞納海溝、雅浦海溝和菲律賓海盆6000-11000米水深區域，其中雅浦海溝最深點(diǎn)為人類(lèi)首次探索，采集了包括水體、沉積物、宏生物、巖石等千余份樣本。

通過(guò)對采集的1，648份沉積物樣本進(jìn)行宏基因組測序，研究人員鑒定7,564個(gè)原核微生物物種，其中89.4%為未報道的新物種，這說(shuō)明深淵微生物具有超乎想象的物種新穎性，盡管深淵調查區域的面積不足全球海洋的億分之一，其物種多樣性與已知的全球海洋微生物多樣性相當，說(shuō)明在最深海域超高壓下微生物異常繁榮。

為解釋深淵微生物的異常繁榮，肖湘團隊構建了一種新的基于宏基因組的生態(tài)分析流程，將環(huán)境生態(tài)驅動(dòng)過(guò)程與微生物基因組特征和代謝偏好結合起來(lái)，發(fā)現深淵微生物通過(guò)“精簡(jiǎn)型”和“多能型”兩種截然不同的深淵環(huán)境適應策略，支撐了高新穎性的微生物生態(tài)系統。

圖1.深淵微生物的超高新穎性和多樣性及其生態(tài)成因

構建全球深淵微生物數據庫

“溟淵計劃”構建的全球深淵微生物數據庫，總數據量與過(guò)去十年海洋微生物積累的總數據量相當，研究發(fā)現的深淵微生物出人意料的超高新穎性和多樣性，展現了深淵生命的新資源潛能，可能幫助人類(lèi)解決當前面臨的常規環(huán)境生物資源枯竭的困境。

“溟淵計劃”微生物數據集將依托國產(chǎn)數據庫向全球開(kāi)放共享，呼吁國內外研究學(xué)者協(xié)力攻堅深淵環(huán)境與生命的重大科學(xué)問(wèn)題，拓展人類(lèi)對深部生命的認知邊界。

圖2.全球深淵微生物數據庫

該研究專(zhuān)題報道了深淵研究的重大進(jìn)展，樣本分析顯示出較高的分類(lèi)新穎性，為我們呈現了一個(gè)海洋深處極度繁榮的生態(tài)系統。重點(diǎn)研究了深淵生態(tài)系統，包括深淵微生物、深淵無(wú)脊椎動(dòng)物（鉤蝦）和深淵脊椎動(dòng)物（魚(yú)類(lèi)）的特征與環(huán)境適應，從而描繪了深淵特殊的食物鏈：從微生物到鉤蝦再到魚(yú)類(lèi)。發(fā)現了深淵存在跨越物種邊界的深淵環(huán)境“共適應”策略。

以上內容來(lái)源于上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，侵刪

2022年8月19日北京中醫藥大學(xué)與電子科技大學(xué)合作，在國際期刊JCR Q1區《Frontiers in Pharmacology》(IF:5.988)在線(xiàn)發(fā)表了題為“Revealing the Mechanism of Huazhi Rougan Granule in the Treatment of Nonalcoholic Fatty Liver Through Intestinal Flora Based on 16S rRNA, Metagenomic Sequencing and Network Pharmacology”研究成果。該研究通過(guò)宏基因組測序，16S rRNA基因測序、網(wǎng)絡(luò )藥理學(xué)和分子對接等手段，探討了HRG（化滯柔肝顆粒）通過(guò)腸道菌群治療非酒精性脂肪肝(NAFL)的作用機制。百邁客為該研究提供了16S rRNA基因測序和宏基因組測序和部分分析工作。

研究背景

非酒精性脂肪肝(NAFL)的發(fā)病率呈逐年上升趨勢，越來(lái)越多的證據表明腸道菌群在NAFL中起著(zhù)致病作用?；岣晤w粒是臨床上常用的治療NAFL的藥物。據報道，它可以降脂保肝，但還沒(méi)有研究證實(shí)該藥物的作用是否與腸道菌群有關(guān)。因此，研究者從腸道菌群的角度，研究其作用是否與腸道菌群調節有關(guān)，以進(jìn)一步探討其治療NAFL的機制。

技術(shù)路線(xiàn)

主要結果

1.高脂飼料引起的小鼠體內脂質(zhì)蓄積

如圖1所示，與BC組相比，模型組大鼠肝臟脂肪堆積增多，肝臟體積增大，顏色變白，邊緣變鈍。給藥后，各組大鼠肝臟紅化程度均有不同程度的改善，尤以TH組為佳。HE和油紅O染色結果顯示，模型組大鼠肝組織內可見(jiàn)較多的球狀變性肝細胞和較多的紅色脂肪，而給藥組較少。MC組病理程度重，TH組輕，TL組與PC組之間無(wú)顯著(zhù)差異。因此，HRG可改善HFD誘導的肝臟脂肪堆積和體重增加，并且可能以劑量依賴(lài)的方式改善肝臟損傷。

圖1.HRG對小鼠肝臟形態(tài)、肝組織病理學(xué)的影響

2.血清分析

與空白組比較，模型組大鼠肝酶、血脂指標升高，其中TC、HDL-C、LDL-C、AKP、ALT、AST差異有統計學(xué)意義,而甘油三酯則無(wú)顯著(zhù)差異。給藥后肝酶和血脂均低于模型組。丙氨酸氨基轉移酶(ALT)、谷草轉氨酶(AST)和高密度脂蛋白膽固醇(HDL-C)在MC組和給藥組之間有顯著(zhù)差異。各給藥組間TC、ALT、HDLc差異無(wú)統計學(xué)意義。HRG組與PC組比較，AKP、AST、TG、LDL-C差異有統計學(xué)意義。

TM組和TH組降低AKP效果優(yōu)于TL組，TG組降低AKP效果優(yōu)于TM組。PC組降低AKP的效果優(yōu)于TL組，但差于TM組和TH組。PC組降低低密度脂蛋白膽固醇的效果優(yōu)于TM組和TH組，表明高脂飼料可導致大鼠血脂和肝酶代謝異常，高脂高脂顆?？筛纳聘咧笫笱x和肝酶活性。與陽(yáng)性藥物相比，HRG在改善高密度脂蛋白膽固醇、甘油三酯、堿性磷酸酶方面具有優(yōu)勢，且改善程度可能呈劑量依賴(lài)性。各組間器官指數無(wú)顯著(zhù)差異，HRG對小鼠生化指標和器官指數的影響如圖2所示。

圖2.HRG對小鼠生化指標及器官指標的影響

3.微生物多樣性分析

對糞便樣本進(jìn)行16s rRNA基因測序分析，在門(mén)、綱、目、科和屬的水平上對微生物群進(jìn)行了鑒定和分析，最終共鑒定到17門(mén)、26綱、56目、86科、187屬。主要物種為厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)，其次是放線(xiàn)菌門(mén)、疣微菌門(mén)和變形菌門(mén)。此外，物種主要分布在uncultured_bacterium_f_Muribaculacea屬和lachnospiraceae NK4A136 group，其次是uncultured_bacterium_f_Lachnospirae、Lactobacillus和Akkermansia。

在門(mén)水平（圖 3A、B），MC 組的厚壁菌門(mén)、變形菌門(mén)和放線(xiàn)菌門(mén)的水平高于 BC 組，而擬桿菌門(mén)和疣微菌門(mén)的水平較低。與BC組相比，給藥組厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén)水平降低，尤其是TH組；放線(xiàn)菌在 TH 和 TM 組中減少，在 TM 組中最顯著(zhù)，但在 PC 和 TL 組中增加。擬桿菌在 TH 和 TM 組中顯著(zhù)高于 MC 組，Verrucomicrobia 在 TH 和 TM 組中增加最顯著(zhù)。與BC組相比，MC組在屬水平上乳酸桿菌和脫硫弧菌的比例更高。相比之下，Akkermansia 和 Ruminococcaceae UGG-014 所占比例較低。給藥后乳桿菌（TH組下降多）和脫硫弧菌（TH組下降多）減少，Akkermansia（TH組增加多）和瘤胃球菌UGG-014（PC組增加多）增加。給藥后乳桿菌和脫硫弧菌減少，阿克曼氏菌增多，尤其是TH組； Ruminococcaceae UGG-014 增加，特別是在 PC 組。因此，初步推測HRG可增加擬桿菌門(mén)、疣微菌門(mén)、未培養菌f Lachnospiceae和Akkermansia，減少厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén)、乳酸桿菌和脫硫弧菌。HRG可通過(guò)改變NAFL小鼠腸道菌群結構改善NAFL。

圖3 I物種組成分析

腸道菌群聚類(lèi)顯示BC組和MC組樣本微生物群落差異明顯，給藥組、BC組和MC組微生物群落差異顯著(zhù)。此外，Bray-Curtis PCoA 證實(shí)了這些發(fā)現（圖 3J）Curtis PCoA 證實(shí)了這些發(fā)現（圖 3J）。 PC1（15.21%）能較好地區分BC和MC組、MC和TM、TH組微生物群落。這些數據進(jìn)一步表明BC和MC組在微生物群落結構上存在較大差異，并且HRG施用組和對照組在微生物群落結構上存在較大差異。

進(jìn)一步通過(guò)LEfSe分析尋找表明組間差異biomarker。結果表明，在門(mén)水平上差異物種為擬桿菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和疣微菌門(mén)在是顯著(zhù)差異物種。在屬水平上，差異物種為雙歧桿菌、擬桿菌、Alloprevotella、Lactobacillus、Lachnospiraceae_NK4A136_group、Dubosiella、Faecalibaculum和Akkermansiaceae。AFL小鼠和HRG組的優(yōu)勢菌群主要為厚壁菌門(mén)、變形菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)和擬桿菌門(mén)。在屬水平上，差異物種主要為Adlercreutzia和Ruminococcaceae_UCG-013、Sphingomonas等。表明HRG可能通過(guò)改變厚壁菌門(mén)、變形菌門(mén)、放線(xiàn)菌門(mén)和擬桿菌門(mén)的菌群來(lái)改善NAFL。

對腸道菌群豐度和血清指標參數進(jìn)行 RDA 分析，結果表明，AKP、HDL-C、TC、TG與物種分布高度相關(guān)，且呈同向分布。在屬水平上，它們與Faecalibaculum、Desulfovibrio、Dubosiella和Lactobacillus呈正相關(guān)，與Bacteroides、Akkermansia和Alloprevotella呈負相關(guān)。在門(mén)水平上，AKP、HDL-C和TG與物種分布高度相關(guān)，與厚壁菌門(mén)和放線(xiàn)菌門(mén)呈正相關(guān)，與Epsilonbacteraeota和Verrucomicrobia呈負相關(guān)。 Acidobacteria 和 Proteobacteria 與 AKP 和 HDLC 呈負相關(guān)，與 TG 呈正相關(guān)。擬桿菌與HDL-C呈正相關(guān)，與AKP、TG呈負相關(guān)。結果表明，這些菌落豐度的變化與NAFL小鼠給藥前后腸道菌群的結構變化密切相關(guān)。

圖3 beta多樣性分析，LEfSe分析和RDA分析

3.網(wǎng)絡(luò )藥理學(xué)

通過(guò)對藥材中重復成分的篩選和去除，得到249個(gè)有效成分。將上述化合物用于靶標預測、校正和重復靶標的刪除，共獲得1186個(gè)靶標的標準基因名稱(chēng)。HRG的“草藥-化合物靶點(diǎn)”網(wǎng)絡(luò )如圖4A所示(黃色節點(diǎn)代表藥物靶點(diǎn)，綠色節點(diǎn)代表化合物，紅色節點(diǎn)代表草藥)，在20個(gè)節點(diǎn)中，高度值的14個(gè)化合物被選為關(guān)鍵化合物(表3)。NAFL的PPI網(wǎng)絡(luò )如圖4B所示，IFD的PPI網(wǎng)絡(luò )如圖4C所示。
將與NAFL相關(guān)的靶點(diǎn)、與IFD相關(guān)的靶點(diǎn)、與化合物對應的靶點(diǎn)同時(shí)合并，得到了HRG通過(guò)腸道菌群治療NAFL的靶點(diǎn)(圖4D)。對合并后的網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行模塊分析和細胞Hubba分析。模塊分析顯示模塊1(圖4E，Score=7.2)和模塊2(圖4F，Score=7.0)，而cell Hubba分析顯示前10個(gè)目標(圖4G)。最終獲得了10個(gè)潛在的治療靶點(diǎn)：CXCL10、CXCL8、ICAM1、IFNG、IL10、IL1B、IL2、IL4、IL6、TNF。圖4A-F中的節點(diǎn)大小與度值呈正相關(guān)。圖4B-F中的節點(diǎn)顏色與度值呈正相關(guān)。

圖4.網(wǎng)絡(luò )構建和關(guān)聯(lián)分析。

(A)HRG藥材靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。(B)與NAFL有關(guān)的PPI網(wǎng)絡(luò )。(C)與IFD有關(guān)的PPI網(wǎng)絡(luò )。(D)HRG-IFD-NAFL合并目標的PPI網(wǎng)絡(luò )。(E)模塊1(F)模塊2(G)Hub基因。(H)草藥-關(guān)鍵化合物-潛在靶向途徑網(wǎng)絡(luò )。(I)關(guān)鍵靶點(diǎn)可能導致的關(guān)鍵生物進(jìn)展圖例。

利用10個(gè)關(guān)鍵治療靶點(diǎn)、14個(gè)關(guān)鍵化合物和相關(guān)通路，通過(guò)Cytoscape構建了“藥草-關(guān)鍵化合物-潛在靶點(diǎn)-通路”的網(wǎng)絡(luò )圖（圖4H）。排名前三的化合物被選為潛在化合物（槲皮素、木犀草素、山柰酚）。選擇前三個(gè)信號通路作為關(guān)鍵通路。繪制了 HRG 通過(guò)腸道菌群治療 NAFL 的通路機制（圖 4I）。將10個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)與3個(gè)潛在化合物進(jìn)行分子對接，共獲得18對對接結果（表4），使用 Pymol 可視化結果（圖 5）。

圖5. 分子對接模式圖

4.宏基因組測序

通過(guò)宏基因組測序研究基因功能，基于KEGG(圖6A、B)、GO(圖6C)、EGNOG(圖6D)、CARD(圖6E)和CAZY(圖6F)數據庫進(jìn)行了功能注釋?zhuān)沧⑨尩搅?055個(gè)KO(KEGG Ontology)和2104個(gè)EC(Ease)。結果表明，相應的復制、推薦、修復和一般功能預測功能基因只占較高的比例。細胞壁/膜/被膜的生物發(fā)生和碳水化合物的運輸和代謝位居第二。CARD數據庫的標注結果表明，四環(huán)素類(lèi)和多藥耐藥對應的耐藥基因相對含量較高，其次為氟喹諾酮類(lèi)和氨基糖苷類(lèi)。CAZy數據庫的注釋結果表明，糖苷水解酶(GH)、糖基轉移酶(GT)和非催化糖結合模塊(CBM)是前三位的碳水化合物酶。

圖6G-L顯示了在每個(gè)組和樣本的不同水平上的KEGG通路的組成。與空白組和模型組相比，模型組3個(gè)層級通路的豐度均有不同程度的增加。推測HRG可能通過(guò)增加與代謝調節相關(guān)的代謝途徑來(lái)改善NAFL。

進(jìn)一步用MetagenomeSeq分析檢測第 3層級 KEGG的豐度差異(p<0.05)，豐度差異圖如圖6M-X所示。結果表明，MC組蛋白酶體豐度顯著(zhù)高于BC組，MC組倍半萜和三萜生物合成顯著(zhù)低于BC組。與MC組相比，PC組改變了這一趨勢。與BC組相比，HRG組降解苯甲酸氟化物和降解甲苯的豐度更高。與MC組相比，HRG組豐度較高的代謝途徑包括氨基苯甲酸降解、類(lèi)胡蘿卜素生物合成等。因此，HRG可能通過(guò)代謝和細胞過(guò)程改善NAFL，代謝相關(guān)途徑在其中起重要作用。氨基苯甲酸的降解、類(lèi)固醇的生物合成、倍半萜和三萜的生物合成是重要的代謝途徑。

圖5.宏基因組測序結果。 （Ⅰ：功能注釋分析。Ⅱ：KEGG通路組成和豐度直方圖。Ⅲ：metagenomeSeq差異通路豐度熱圖）。

總結

綜上所述，HRG可能通過(guò)改變微生物多樣性、結構和功能來(lái)改善高脂飲食誘導的NAFL。還有可能通過(guò)調節腸道相關(guān)的代謝途徑、炎癥反應和免疫反應來(lái)改善NAFL相關(guān)的脂肪堆積和肝臟損傷。這些結果有力地表明，HRG可能通過(guò)預防腸道菌群失調來(lái)減輕NAFL。此外，HRG可通過(guò)腸道菌群治療多種成分、多代謝途徑、多靶點(diǎn)的NAFL。本研究為NAFL的治療提供了新的思路，證實(shí)了腸道菌群與NAFL之間的關(guān)系，提示HRG具有良好的治療效果。

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