論文題目：基于微生物組學分析水產經濟動物病原菌特征及中草藥免疫防控應用
摘要：水產養殖在確保我國糧食、營養和金融的安全中扮演著“中堅角色”。然而,集約化養殖下,病害發生給遼寧省大菱鲆、海參和鯉魚等重要的水產經濟動物養殖帶來了巨大經濟損失?？股仡愃幬锸欠乐嗡a經濟動物病害發生的主要方式,但是抗生素藥物引起的耐藥性、藥物殘留問題,不符合當前無抗的水產養殖病害防控要求。在此背景下,為加強水產經濟動物疾病的防控,本文從“重點疾病的特征病原菌表征”、“計算機輔助中草藥藥物毒性預測”、“復方中草藥的免疫防控應用”三個角度出發,開展兩個部分的研究。第一部分,基于微生物組表征養殖大菱鲆突眼病眼部病原菌特征和養殖海參腐皮綜合癥皮膚病原菌特征,并基于集成學習策略構建有機化合物生殖毒性預測模型對中草藥毒性進行初步預測,為后期基于這些特征病原菌篩選安全有效的中草藥進行水產動物疾病的防控提供理論指導和技術指導。第二部分,以海參和鯉魚為主要研究對象,將已開發的適用于海參和鯉魚的兩種復方中草藥配方在遼寧省進行了應用推廣,為指導遼寧省海參和鯉魚的實際生產提供更實用的技術支撐和實踐依據。論文的具體研究結果如下:首次采用高通量16S r RNA基因測序對大菱鲆突眼病感染與其眼部微生態的關系進行研究以表征其眼部特征病原菌。研究結果顯示,健康大菱鲆和患病大菱鲆之間的眼部微生物群存在顯著差異,且患病大菱鲆比健康大菱鲆具有更低的微生物多樣性。作為特征屬的氣單胞菌屬（Aeromonas）存在于健康大菱鲆的眼部,其豐富度的增加可能與患病大菱鲆眼部微生物多樣性的降低和KEGG代謝功能異常有關。首次通過高通量16S r RNA基因測序對海參腐皮綜合癥感染與其皮膚微生態的關系進行研究以表征其皮膚特征病原菌。結果表明,患病海參的皮膚微生物多樣性顯著低于健康海參的皮膚微生物多樣性,且這種變化可能與細菌組成的變化有關。對兩組海參皮膚微生物群組成和功能通路的比較結果顯示,健康海參和患病海參的皮膚微生物組成存在顯著差異,Sulfitobacter、Roseovarius、Ruegeria、Vibrio、Tropicibacter和Leisingera等6個屬為患病海參皮膚的特征屬,其豐度的增加與微生物群落KEGG代謝通路的變化有關。以文獻中收集的1823個化合物作為數據集,采用隨機森林、支持向量機、極限梯度提等機器學習算法結合9種分子指紋,構建27個預測化合物生殖毒性的集成模型。其中最佳的集成模型為Ensembl-Top12模型,該模型在訓練集中的準確率和AUC值分別為86.33%±0.08%和0.937±0.001,在外部驗證集中的準確率和AUC值分別為84.38%和0.920。與已有模型相比,Eensembl-Top12模型具更高的預測性能。采用最佳集成模型Eensembl-Top12,以及本課題組已有的3個毒性預測模型,對前期已篩選好的6味中草藥的生殖毒性、致癌性、肝毒性和致突變進行預測,結果顯示4個模型均可用于中草藥毒性的初步評估。單味中草藥毒性預測結果顯示,本人前期采用四株海參腐皮綜合癥特征病原菌篩選的復方中草藥配方I基本安全無毒,可用于池塘養殖海參的免疫防控應用。將復方中草藥配方I在遼寧省大連市、葫蘆島市、錦州市、盤錦市、營口市和綏中縣等6個市縣的24個海參養殖場進行了應用,結果顯示復方中草藥配方I具有促進生長、提高非特異性免疫力、增強抗病力、改善養殖水質、改善海參體壁氨基酸含量、減少抗生素使用量等功能。目前,復方中草藥配方I共推廣應用無藥殘海參苗種繁育規模14.19萬立方米,平均增產24.53%,總體經濟效益提高了1.1億元。單味中草藥毒性預測結果顯示,前期篩選的復方中草藥配方II基本安全無毒,可用于池塘養殖鯉魚的免疫防控應用。復方中草藥配方II對基于大菱鲆突眼病和其它魚類常見疾病的四株特征病原菌的抑菌效果顯示,該配方對這四株病原菌具有良好的抑制效果。將該復方中草藥配方II初步投喂50畝鯉魚池塘的結果顯示,復方中草藥配方II顯著提高了鯉魚的生長性能和飼料利用率,將鯉魚的存活率提高了7.59%,增重率提高了22.94%,餌料系數降低了1.59%。此外,復方中草藥配方II還顯著提高了鯉魚血清中酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、超氧化物歧化酶和溶菌酶等非特異性免疫酶的活力。復方中草藥配方II的應用面積擴大至300畝后,平均增產15.3%,經濟效益增加了35萬元。綜上所述,本文完成了如下工作:（1）首次基于微生物組學分析揭示了大菱鲆突眼病與眼部微生物之間的關系;（2）首次基于微生物組學分析揭示了海參腐皮綜合癥與皮膚微生物之間的關系;（3）開發了具有更高預測性能的化合物生殖毒性預測模型,并將其用于中草藥毒性的初步評估;（4）將已開發的適用于海參工廠化育苗的復方中草藥配方I和適用于淡水魚養殖的復方中草藥配方II首次在遼寧省進行了大規模的推廣應用,并取得良好經濟效益。
關鍵詞：微生物組學;水產經濟動物;特征病原菌;毒性預測模型;復方中草藥;水產應用
學科專業：生物衛生統計學
摘要
ABSTRACT
緒論
0.1 選題背景及研究意義
0.1.1 選題背景
0.1.2 研究意義
0.2 研究思路與主要內容
0.2.1 研究思路
0.2.2 主要內容
0.3 主要創新點和尚待研究的問題
0.3.1 主要創新點
0.3.2 尚待研究的問題
第一篇 基于微生物組學分析水產經濟動物大菱鲆和海參的病原菌特征及用于中草藥生殖毒性初步預測的集成模型構建
第1章 文獻綜述
1.1 微生物組學及其應用
1.1.1 微生物組學概述
1.1.2 微生物組學分析策略
1.1.3 微生物組學常用統計分析方法
1.1.4 微生物組學在水產動物疾病中的應用
1.2 機器學習及其應用
1.2.1 機器學習方法概況
1.2.2 機器學習在微生物組學研究的應用
1.2.3 機器學習在化合物毒性預測中的應用
第2章 基于微生物組學分析突眼病感染大菱鲆眼部的病原菌特征
2.1 引言
2.2 材料與方法
2.2.1 實驗設計與樣本采集
2.2.2 高通量16S rRNA基因測序
2.2.3 序列數據處理
2.2.4 數據分析和統計
2.3 結果與分析
2.3.1 大菱鲆眼部微生物群的分布情況
2.3.2 大菱鲆眼部微生物群的多樣性差異
2.3.3 大菱鲆眼部微生物群的組成差異
2.3.4 大菱鲆眼部微生物群的功能差異
2.4 討論
2.4.1 大菱鲆突眼病發生對眼部微生物群多樣性的影響
2.4.2 大菱鲆突眼病發生對眼部微生物群組成的影響
2.4.3 大菱鲆突眼病發生對眼部微生物群功能的影響
2.5 結論
第3章 基于微生物組學分析腐皮綜合癥感染海參的皮膚病原菌特征
3.1 引言
3.2 材料與方法
3.2.1 實驗設計與樣本采集
3.2.2 高通量16S rRNA基因測序
3.2.3 序列數據處理
3.2.4 數據分析和統計
3.3 結果與分析
3.3.1 海參皮膚微生物群的分布情況
3.3.2 海參皮膚微生物群的多樣性差異
3.3.3 海參皮膚微生物群的組成差異
3.3.4 海參皮膚微生物群的功能差異
3.4 討論
3.4.1 海參腐皮綜合癥發生對皮膚微生物群的影響
3.4.2 海參腐皮綜合癥發生對皮膚微生物組成的影響
3.4.3 海參腐皮綜合癥發生對皮膚微生物群功能的影響
3.5 結論
第4章 化合物生殖毒性集成預測模型開發及其在中草藥毒性評估中的初步應用
4.1 引言
4.2 材料與方法
4.2.1 實驗數據集
4.2.2 分子指紋計算
4.2.3 特征選擇
4.2.4 模型構建
4.2.5 模型評估
4.2.6 模型應用域分析
4.2.7 模型對中草藥毒性的預測評估
4.3 結果和討論
4.3.1 特征選擇結果
4.3.2 模型的預測性能
4.3.3 最佳模型的應用域
4.3.4 最佳模型與已有模型的比較
4.3.5 最佳模型對化合物分類的結果分析
4.3.6 化合物指紋特征相關的生殖毒性
4.3.7 模型對中草藥多個毒性的預測結果
4.4 結論
本篇小結
第二篇 兩種復方中草藥配方對水產經濟動物海參和鯉魚的免疫防控應用研究
第5章 文獻綜述
5.1 水產經濟動物養殖面臨的問題與挑戰
5.2 水產養殖用中草藥種類及活性成分
5.3 中草藥對水產動物生長性能的影響
5.4 中草藥對水產動物免疫和抗病力的影響
5.4.1 評估水產動物非特異性能力的免疫因子
5.4.2 單味中草藥對水產動物免疫和抗病力的影響
5.4.3 復方中草藥對水產動物免疫和抗病力的影響
5.5 中草藥對水產動物營養品質的影響
5.6 中草藥在水產養殖中的應用問題
第6章 海參用復方中草藥配方I對海參生長、免疫功能和抗病能力的影響及推廣應用
6.1 引言
6.2 材料與方法
6.2.1 復方中草藥配方I的抑菌試驗
6.2.2 實驗和應用推廣地點
6.2.3 投飼管理與實驗設計
6.2.4 樣本收集與制備
6.2.5 生長性能測定
6.2.6 非特異性免疫力測定
6.2.7 養殖水質的監測
6.2.8 抗病力測定
6.2.9 體壁氨基酸含量測定
6.2.10 抗生素殘留量測定
6.2.11 數據處理
6.3 結果與分析
6.3.1 復方中草藥配方I的抑菌效果
6.3.2 復方中草藥配方I最佳投喂比例的探索
6.3.3 復方中草藥配方I對海參生長性能的影響
6.3.4 復方中草藥配方I對海參非特異性免疫力的影響
6.3.5 復方中草藥配方I對海參養殖水質的影響
6.3.6 復方中草藥配方I對海參抗病力的影響
6.3.7 復方中草藥配方I在遼寧省海參養殖場的應用及經濟效益分析
6.3.8 復方中草藥配方I對養殖海參體壁氨基酸組成的影響
6.3.9 復方中草藥配方I應用后養殖海參的抗生素殘留情況
6.4 討論
6.4.1 復方中草藥配方I在海參養殖中的作用
6.4.2 復方中草藥配方I對遼寧省海參養殖中的應用意義
6.5 結論
第7章 淡水魚用復方中草藥配方II對池塘養殖鯉魚生長和免疫功能的影響及應用初探
7.1 引言
7.2 材料與方法
7.2.1 復方中草藥配方II的抑菌試驗
7.2.2 應用地點與實驗設計
7.2.3 投飼管理
7.2.4 樣本收集與制備
7.2.5 生長性能測定
7.2.6 非特異性免疫力測定
7.2.7 數據處理
7.3 結果與分析
7.3.1 復方中草藥配方II的抑菌效果
7.3.2 復方中草藥配方II對鯉魚生長性能指標的影響
7.3.3 復方中草藥配方II對鯉魚非特異免疫指標的影響
7.3.4 復方中草藥配方II投喂后鯉魚生長性能與免疫性能的關系
7.3.5 復方中草藥配方II在養殖場的應用
7.4 討論
7.4.1 復方中草藥配方II在鯉魚養殖中的作用
7.4.2 復方中草藥配方II在沈陽市初步應用的意義
7.5 結論
本篇小結
參考文獻
致謝