《PLOS Computational Biology》：Unique ecology of co-occurring functionally and phylogenetically undescribed species in the infant oral microbiome
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本研究通过对24对母婴口腔微生物组进行宏基因组测序与分析，揭示了婴儿6月龄时口腔中两种先前未描述的链球菌和罗氏菌物种的广泛存在与显著共现。通过宏基因组组装基因组（MAGs）和基因组规模代谢模型（GEMs）研究，论文深入解析了其基因组特征、功能适应（如粘附素和碳水化合物活性酶CAZymes编码基因）及潜在的代谢互哺（如鸟氨酸、赖氨酸交换），为理解微生物相互作用如何塑造生命早期口腔定植提供了关键见解。
未描述的链球菌和罗氏菌物种在六月龄婴儿口腔微生物组中成为丰度成员
早期生命口腔微生物组的发育是一个复杂的群落构建过程，对长期健康具有深远影响。本研究利用鸟枪法宏基因组学，对来自24对母婴的纵向队列在产后1个月和6个月的口腔微生物组进行了分析。研究发现，在六月龄婴儿的口腔微生物组中，存在两种先前未描述的链球菌和罗氏菌物种，它们是最普遍、丰度最高且共现性最强的成员之一。这两种新物种被分别命名为StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2。在六月龄时，婴儿口腔的细菌物种丰富度（舌背平均43种，牙菌斑平均43种）相较于一月龄（平均19种）显著增加，且微生物组组成发生明显转变。新发现的RothiaAIMSoral2和StreptococcusAIMSoral1在舌背生物膜中尤为丰富和普遍。尽管牙齿萌出提供了新的生态位，但六月龄婴儿的牙菌斑组成在很大程度上与舌背生物膜相似。母婴间的菌株共享很少见，在整个队列中仅发现两起事件，且均发生在母亲与其一月龄婴儿之间。
StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2在婴儿口腔生态系统中显示出显著的共丰度**
为了阐明潜在的物种相互作用，研究人员利用SPIEC-EASI分别构建了舌背和牙菌斑样本的共丰度网络。在六月龄时，舌面和牙面都显示出更复杂的共丰度网络。分析特别关注了StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2的相互作用伙伴，揭示出这两种未描述物种在舌背上存在强烈的成对关联。StreptococcusAIMSoral1是RothiaAIMSoral2最强的关联伙伴，反之亦然。此外，尽管这两个物种与其他多个物种存在较弱的关联，但它们只共享一个显著的关联伙伴，即丰度低得多的Pauljenseniasp900541895。除了这些正相关，StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2都与炎症性肠病相关物种Campylobacter concisus存在负共丰度关联。StreptococcusAIMSoral1还与成人中与口腔炎症和牙周炎相关的Prevotella melaninogenica存在负相关。检测到的这个以未描述StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2之间强关联为中心的三物种模块，促使研究人员进一步研究它们的分类学身份和共现的功能基础。
基因组相关性分析揭示未描述的链球菌和罗氏菌为新物种
为了深入了解驱动未描述物种共丰度模式的功能基础，研究人员从母婴口腔样本中重建了宏基因组组装基因组（MAGs）。通过系统基因组学分析，StreptococcusAIMSoral1以高置信度被置于唾液链球菌组内。更有针对性的系统基因组学分析显示，StreptococcusAIMSoral1形成了一个独特的、得到良好支持的单系分支，代表了唾液链球菌组的一个姐妹分支。平均核苷酸同一性（ANI）分析证实StreptococcusAIMSoral1代表一个物种水平的实体，其簇内ANI为97.3%至98.6%，但与系统发育上邻近物种的ANI较低。Rothia的系统基因组学树将未描述的RothiaAIMSoral2置于一个单系分支中，与R. mucilaginosa_A和R. mucilaginosa密切相关。对于Rothia，ANI分析同样支持RothiaAIMSoral2是一个物种水平的实体，其簇内ANI为97.0%至99.9%，但与系统发育上邻近物种的ANI显著较低。从StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2及其近缘物种的基因组中提取的16S rRNA基因序列无法在物种水平上进行区分，仅能提供属水平信息。
粘附和碳水化合物利用将StreptococcusAIMSoral1与其他婴儿相关物种区分开来**
为了理解StreptococcusAIMSoral1如何适应婴儿口腔在此发育阶段，研究人员进行了比较基因组学和代谢富集分析，以确定其区别于系统发育相关婴儿相关链球菌物种的功能特征。粘附潜力评估显示，StreptococcusAIMSoral1的粘附素库与S. salivarius和S. lactarius高度相似，包括富含fimA脂蛋白基因。碳水化合物活性酶（CAZymes）分析显示，StreptococcusAIMSoral1携带显著更高拷贝数的八种糖基转移酶（GTs）。StreptococcusAIMSoral1显示出独特的CAZyme富集模式，与S. salivarius共享几种糖苷水解酶（GHs），同时相比S. salivarius编码显著更高拷贝数的GH8、GH36和GT2_Glyco_trans_2_3基因，表明其具有不同的碳水化合物利用策略。总体而言，StreptococcusAIMSoral1和S. salivarius参与碳水化合物代谢的基因少于其他婴儿相关物种。代谢富集分析显示，StreptococcusAIMSoral1和S. salivarius在氨基酸代谢相关基因上显著富集。值得注意的是，只有StreptococcusAIMSoral1和S. salivarius编码了从谷氨酸开始的完整精氨酸生物合成途径，谷氨酸是三羧酸循环的下游代谢物，也是母乳/配方奶的主要成分。
碳水化合物利用和脂肪酸生物合成将RothiaAIMSoral2与其他R. mucilaginosa物种区分开来**
研究人员比较了RothiaAIMSoral2与婴儿相关罗氏菌物种的基因组特征，以揭示支持其在六月龄婴儿口腔中占主导地位的代谢适应。所有婴儿相关罗氏菌物种都携带编码CBM50结构域（也称为LysM）的基因。在凝集素探索数据库中未发现罗氏菌凝集素的匹配项，表明其宿主表面粘附潜力有限。进一步的CAZyme分析显示，RothiaAIMSoral2富含编码GT2、GT4和GT11等酶的基因。此外，RothiaAIMSoral2携带显著更高拷贝数的编码氧化还原活性酶的基因，这些酶与CAZymes协同作用。研究人员进一步研究了婴儿相关罗氏菌物种中参与硝酸盐-亚硝酸盐-一氧化氮（NO3-NO2-NO）肠唾液途径的基因。虽然所有研究的罗氏菌物种都携带参与NO3呼吸反硝化生成NO以及部分细胞内氨（NH3）产生的基因，但与RothiaAIMSoral2相比，R. mucilaginosa和/或 R. mucilaginosa_A中几种途径组分（硝酸盐/亚硝酸盐还原酶）的拷贝数略高。值得注意的是，脂肪酸生物合成起始的关键过程在RothiaAIMSoral2中显著富集。
StreptococcusAIMSoral1对RothiaAIMSoral2的代谢互补性高于其他链球菌物种**
为了研究StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2在六月龄时的共丰度是否与它们的代谢相互依赖性相对应，研究人员利用PhyloMInt工具为婴儿相关链球菌和罗氏菌物种重建了基因组规模代谢模型（GEMs），并比较了它们与其他婴儿相关同属物种的代谢互补性。总体而言，链球菌和罗氏菌物种之间的代谢互补性关系是不对称的。值得注意的是，StreptococcusAIMSoral1与所有罗氏菌物种的代谢互补性显著高于其他链球菌物种。StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2之间的代谢互补性与肠道微生物组中一个特征明确的合作对的数值一致，表明存在潜在的代谢相互作用。利用PhyloMInt PTM工具，研究人员预测了RothiaAIMSoral2和StreptococcusAIMSoral1之间存在多种潜在的代谢相互作用。
口腔细菌共丰度网络模块中基因组规模的代谢相互作用预测
鉴于StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2在六月龄舌微生物组中的强共丰度及其与Pauljenseniasp900541895共享的网络连接，研究人员利用GEMs预测了这些物种之间潜在的营养物质交换，假设代谢相互作用促进了包含StreptococcusAIMSoral1、RothiaAIMSoral2和Pauljenseniasp900541895的共丰度模块。分析揭示了网络内不对称的代谢依赖性。StreptococcusAIMSoral1对RothiaAIMSoral2和Pauljenseniasp900541895表现出较高的代谢互补性。相比之下，RothiaAIMSoral2对StreptococcusAIMSoral1和Pauljenseniasp900541895表现出较低的代谢互补性，而Pauljenseniasp900541895对StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2表现出中等水平的代谢互补性。这种不对称模式，结合预测的代谢物方向性，表明RothiaAIMSoral2和Pauljenseniasp900541895都可能提供支持StreptococcusAIMSoral1代谢的代谢物。GEMs预测了物种水平的独特代谢物产生和利用模式。在共丰度模块内，预测StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2通过15种代谢物相互作用，其中9种由RothiaAIMSoral2产生并被StreptococcusAIMSoral1利用，6种由StreptococcusAIMSoral1产生并被RothiaAIMSoral2利用。其中包括关键氨基酸，如富含氮的赖氨酸和鸟氨酸。为了验证预测的代谢交换，研究人员系统地鉴定了这三种物种间显示产生-利用互补性的代谢物的膜转运蛋白。该分析发现了支持预测代谢交换的编码转运蛋白基因。对于关键氨基酸如赖氨酸、鸟氨酸、丝氨酸和谷氨酸，在产生物种中发现了输出蛋白，在消耗物种中发现了输入蛋白，为营养物的定向流动提供了基因组支持。同样，金属离子交换也得到了跨物种适当摄取和输出系统存在的支持。
讨论
本研究的发现突出了链球菌属的早期优势以及随时间推移细菌丰富度的增加，包括罗氏菌属的出现。这些属在物种水平上的变化，导致了StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2成为婴儿口腔微生物组的主要成员。这些属水平的转变可能反映了对断奶期间饮食变化和牙齿萌出结构变化的适应。代谢模型支持StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2之间潜在的合作关系。在共丰度模块内，代谢互补性模式因参考物种而异。这种不对称模式，结合预测的代谢物交换方向性，表明RothiaAIMSoral2可能主要向StreptococcusAIMSoral1提供代谢物。预测在StreptococcusAIMSoral1和RothiaAIMSoral2之间交换的分子包括富含氮的氨基酸和无机离子，推测主要从RothiaAIMSoral2转移到StreptococcusAIMSoral1。基因组证据支持了这些预测，所有三个物种都编码了必要的膜转运蛋白。这些代谢交换可能构成它们在婴儿口腔微生物组中共丰度的基础。鉴定具有特殊功能特征的新链球菌和罗氏菌物种，对于理解早期口腔微生物组发育和健康结果具有重要意义。RothiaAIMSoral2和Pauljenseniasp900541895都向StreptococcusAIMSoral1提供氨基酸，包括赖氨酸、鸟氨酸和谷氨酸，后两者参与精氨酸生物合成。StreptococcusAIMSoral1产生的精氨酸可能调节口腔pH值，因为其他细菌对精氨酸的分解代谢会产生氨，可能提供pH缓冲能力，有助于降低龋齿风险。类似地，RothiaAIMSoral2具有通过硝酸盐还原产生氨的能力，表明其在pH缓冲和维持口腔环境平衡中的作用。此外，网络内谷氨酸和赖氨酸的交换可能通过多胺代谢影响pH调节，加强了这些物种之间的代谢相互依赖性。基因组解析宏基因组学是识别微生物组功能要素的有力工具，并为了解链球菌和罗氏菌物种在早期口腔微生物组发育过程中的潜在生态相互作用提供了见解。识别新物种及其代谢相互作用对于理解生命早期口腔微生物组的组装和健康具有重要意义。
