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虾养殖和竞争性排除病原体

榛树刀 本·坦普顿 博士 安克·兰格 博士 大卫·巴斯 博士 查尔斯·泰勒博士

益生菌的选择,增强抗病能力的应用

竞争性排除病原体
更好地了解竞争排斥机制及其在改善益生菌选择和应用中的应用是改进虾类水产养殖有效微生物管理策略的关键。 Darryl Jory摄影。

益生菌-适量提供给宿主健康有益的活微生物-越来越成为流行的抗生素替代品,以促进虾类养殖的生长并预防疾病。尽管对它们的确切作用机理的认识有限,但有充分的证据表明它们能够通过竞争性排除病原细菌,增强虾的免疫反应和抗病毒作用以及对虾消化的营养和酶促作用而提供益生菌作用。

尽管对虾的研究大多数集中在大约20属细菌上,但已证明对虾具有益生菌作用。 芽孢杆菌 和乳酸菌(LAB),例如 乳杆菌 ,主要是因为它们的普遍性以及作为益生菌在哺乳动物和家禽中的成功应用。益生菌可以与饲料一起口服(包括用活食物载体进行生物包封,例如卤虫),以纯化的培养物或孢子的形式直接注入水中,或在发酵的生长培养基中施用。

益生菌通常是从虾肠及其周围水或环境沉积物中分离出来的。但是,它们也已从水果废液滤液,凝乳,发酵大豆和酱菜以及其他物种的肠道中分离出来。例如,对于后者,虾益生菌 乳杆菌 已经从鸡和鱼的消化道中分离出了许多物种。商业益生菌治疗,其中主要包含LAB和 芽孢杆菌 spp。,也已经测试了它们对虾的益生作用。

考虑到抗菌素耐药性的上升(如果目前的趋势持续下去,预计到2050年将导致1000万人死亡; 米德等。 2020年),从此类调查中获得的潜在见解远远超出了虾类水产养殖中的益生菌领域,因为这些益生菌物种产生的尚未被鉴定的抗菌物质,使其成为新型抗菌疗法生物勘探的理想候选者。

本文–摘自 原始出版物 (Knipe,H。等人,2020年。《益生菌与虾水产养殖中病原体的竞争性排斥》。 水产养殖的评论,Vol 12(3):1-29)–讨论了我们当前对竞争排斥机制的理解及其在改善益生菌选择和应用中的应用,在有效微生物管理发展中选择和应用益生菌的未来方向虾养殖的策略。

竞争性排除致病菌

竞争排斥是指在同一生态位中同时存在的细菌物种通过两种竞争策略竞争有限的资源(营养和空间):开发和干扰竞争。剥削竞争是间接的,其特点是资源消耗迅速(限制向竞争者的供应和对增长的投资),而当一种生物体直接损害另一种生物体时,例如通过生产抗菌化合物,就会发生干扰竞争。

与竞争者相比,剥削竞争包括提高养分获取和利用速度的机制。营养物质的捕获可以通过分解复杂大分子的细胞外分子的分泌来改善,从而使营养更容易获得。这些细胞外排泄分子包括访问不溶铁的酶和化合物。

这些机制可被视为合作特征,因为生产的“公共物品”是所有人都能获得的,并可能使人口受益。并非该种群中的所有成员都必须在化合物的生产中投入资源,并且用于产生营养物质的细菌生产材料容易受到其他物种之间和种内竞争的影响,后者可以节省资源并将其投资于增长。

微生物利用养分的效率和速度可以提供另一个竞争优势。资源的优化分配可以使增长率最大化。例如,根据底物的可用性在新陈代谢策略之间进行切换(例如,从产生更高能量的呼吸过程到发酵),即使葡萄糖的可用量过多,也可以最大程度地提高生长速度。在许多快速增长的细菌和真菌物种中都观察到了这种现象,称为“溢出代谢”。

通过对无人居住的生态位进行快速殖民,或与已经建立的种群竞争,可以实现对空间的开发竞争。结合特定表面特征的化合物和受体的产生可为无人居住的壁ches定殖提供竞争优势,并防止入侵者转移。此外,附着力虽然会降低迁移率,但对于生物膜的形成(表面附着的微生物群落)至关重要。

粘附细胞在生物膜中的扩张还可以帮助从种群中去除非粘附细胞。通过共享资源并提高对抗菌剂的耐受性,相同基因型的细胞聚集也可以提供另一个竞争优势。但是,在这些生物膜中存在激烈的竞争,在这种竞争中,养分在局部区域受到限制。另一方面,为了与生物膜形成竞争,许多物种产生的分子可以主动刺激其他物种的扩散(而不会杀死它们)。或者,某些物种会破坏生物膜的形成。

干扰竞争通常涉及抗菌素的产生,并且有大量实验证据支持以下假设:抗生素主要用作武器。可能有些物种进化为仅将某些抗菌剂用作武器,而另一些具有多种功能。

即使根据对虾水产养殖中大多数益生菌在体外拮抗虾中细菌病原体的能力进行筛选和选择以进行进一步测试,但从已报道的研究中可以清楚地看到,有关这种生长抑制发生机理的信息有限。另外,虾益生菌将能量投资到干扰机制(产生细胞外抗菌剂)中,意味着它们可能是新型抗菌疗法生物勘探的有用靶标。

选择虾益生菌的注意事项

虾类水产养殖中使用的大多数益生菌似乎都是有竞争力的生命战略家,因为他们经常根据产生细胞外抗菌素的能力进行选择。由于虾类水产养殖的典型做法,池塘会受到化学处理,天气事件和疾病的干扰,因此这些益生菌可能并不总是最有效的选择。取而代之的是,某些环境条件和破坏可能会促进ruderal(在高强度干扰和低强度压力的情况下会繁荣的物种)生命战略家的扩散。

为了弥补这一点,可能有必要进行频繁的治疗,以在微生物群落内以所需的丰度建立益生菌(竞争性生命战略家)并达到所需的效果。反过来,这可能会影响系统的微生物群落结构,并进一步有利于投资于开采机制的命策略家。益生菌治疗的不当使用可能潜在地导致有利于病原体入侵的疾病,例如通过使用与本地有益物种竞争或改变社区整体结构或功能的物种。

因此,需要阐明潜在的益生菌和致病物种的生长效率和竞争策略所依据的机制,并了解它们的最佳环境条件,以开发预防和治疗疾病的最有效的微生物管理策略。例如,对处理进行定制,使其包含可以使用多种机制竞争性排除特定病原体的物种或菌株,将增加成功排除病原体的可能性,尤其是当病原体对某种机制产生抗药性或出现新的(或机会性)时)致病性入侵。

Patin等。 (2016年)设计了一种工作流程,旨在通过使用一系列简单的抑制分析来确定是采用干扰竞争还是利用开发竞争。尽管未来的研究应考虑体外模型(拮抗作用机制)在多大程度上准确反映其与病原体相互作用的程度,但应用此工作流程可为评估益生菌在体内可能采用的竞争策略提供一种简单且经济高效的方法,和其他竞争对手,在体内。在考虑适用于特定条件的益生菌的类型(即所需特性)时,进行区分非常重要;例如,在病原体入侵之前或在应对诸如疾病之类的环境干扰时,提高抗病能力。

从理论上讲,竞争性生命策略师将更适合于预防性治疗,因为他们被选择在不受干扰的环境中使用,而鲁eral性生命策略师将被最佳地用于降低疾病的严重性,因为他们被选择用于受干扰的环境中。这也突出了应用生态学理论开发有效的益生菌以预防虾类水产养殖疾病的重要性。

基于有限方法(例如无细胞提取物或扩散分析)的潜在益生菌鉴定由于细胞外代谢物的抗微生物(和可扩散)特性,可以选择基于干扰的竞争策略。潜在益生菌的培养条件可能不会刺激抑制性化合物的产生或增加该化合物的活性。

基于文化的益生菌选择方法的局限性,结合当前对益生菌种类抑制细菌生长的能力的关注 弧菌 物种,可能会忽略许多推定的益生菌物种对虾养殖的能力。致病性 弧菌 毫无疑问,这些物种是潜在益生菌拮抗的重要目标,它基于有限数量的特定病原体的体外生长抑制进行筛选(即 弧菌 )可能会在无意间使现有的虾类益生菌的类型(即竞争策略)两极分化。

因此,密切关注表征益生菌在体外抑制这些病原体生长的潜在机制,再加上我们对它们在体内的作用的日益了解,将使我们能够更好地评估和开发我们的筛选和选择方法。益生菌处理能够改变虾肠中的微生物群落结构,并赋予对诸如 副溶血弧菌.

益生菌专门针对 弧菌 spp。通过降低益生菌无法抑制的其他物种的入侵,可能会增加患病的风险,方法是降低该社区其他成员提供拮抗特性的可能性。从理论上讲,此类益生菌刺激虾的免疫反应应减轻其中一些影响。但是,具有这种作用的益生菌能够增强对多种病原体的抗性尚待测试。

目前的趋势是鉴定新的益生菌,我们建议应重点研究互补的,与文化无关的潜在益生菌鉴定和表征方法。随着测序方法的可负担性增加,益生菌物种的全基因组测序将有助于我们了解益生菌作用的潜在机制,并使我们能够对此类物种的适用性做出更明智的决定。

此外,宏基因组学[直接从环境样品中回收遗传物质的研究],转录组学[包括将字符串列表(“读物”)分配给对象(基因组中的“转录本”的定量科学)]和超转录组学[在自然环境中研究微生物基因表达的科学]研究,再加上蛋白质组学,将有助于对虾水产养殖中益生菌治疗方法进行更彻底的研究,评估和开发。

结论和未来展望

通常根据对虾水产养殖中益生菌竞争性排除病原体的能力进行筛选和选择以进行体内测试。很少有研究试图确定抑制细菌生长的潜在机制。但是,它们共同说明了理解潜在的生物体(被膜包围的有机分子的聚集,以非生物方式融合成生物的相似物)的重要性–病原体的相互作用,确定菌株的特定特征,而不是从相关菌株甚至物种中推断。在评估益生菌物种用于人类食用动物的安全性和适用性时,考虑到这一点尤为重要,应考虑研究益生菌治疗对病原体毒力的潜在影响。

互补测序方法的应用,如益生菌物种的全基因组测序将有助于这一评估。用于筛选虾类水产养殖中益生菌的拮抗试验使用的病原体数量有限(即 弧菌 )并优先选择基于干扰的机制,这可能会忽略许多物种的益生菌潜力,并可能增加病原体入侵的风险。为解决此问题,未来的工作应集中于扩大益生菌筛选方法(包括开发非培养方法),以包括更多利用基于剥削的机制和具有不同发病机理的病原体的物种。

调整治疗方法,使其包含可以通过多种机制竞争性排除特定病原体的物种或菌株,将增加成功排除病原体的可能性;特别是当病原体变得耐药或出现新的(或机会性)病原体入侵时。益生菌处理对虾肠道菌群和抗病能力的影响也应予以彻底考虑,以避免减少其他具有生态重要性的物种的数量。应特别考虑鉴定和测试可以预防疾病发作且对微生物群落结构和功能影响有限的益生菌。

另外,可以通过考虑益生菌物种的竞争性生命策略来提高治疗效率。未来的研究应通过验证体内使用的竞争策略并设计病原体挑战试验来对此进行研究,这些试验比较在疾病或其他此类环境不稳定性发生之前和发作之前施用益生菌对虾肠道微生物组和抗病性的影响。

原始出版物中提供了参考。


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