编译：微科盟如风，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。
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导读
新的证据表明，母体菌群是婴儿中先驱微生物的一个主要储存库。然而，母婴肠道菌群在不同分类解决方案和不同队列代谢功能下的全球差异和相似特征，以及基于配对的母亲肠道菌群预测婴儿微生物的潜力仍不清楚。在这项研究中，我们分析了来自6个国家的8项研究中的376对母婴样本（468例母亲和1024例婴儿样本），观察到母亲肠道菌群在菌种和菌株水平上有更高的多样性，但其代谢功能却没有这种表现。有290种菌种在至少一个母婴配对组合中共享，其中26种（5种在菌株级别）在队列中被观察到。分娩方式和喂养方式进一步影响母婴共享菌种和菌株的分布。婴儿中母亲来源的菌种表现出类似的菌株异质性，但与其他来源的菌种相比，其代谢功能更强，表明共享菌群和非共享菌群在早期肠道菌群落中具有相当的稳定性和适应度，共享菌群在早期肠道菌群落中具有潜在的作用。预测模型对婴儿中的共享菌种和菌株发生率表现出中等程度的准确性。这些普遍的母婴共享菌种和菌株可被视为未来婴儿微生物组发展和益生菌探索研究工作的主要目标。
原名：Metagenomic analysis of mother-infant gut microbiome reveals global distinct and shared microbial signatures
译名：母婴肠道菌群宏基因组分析揭示了全球独特和共享的微生物特征
期刊：Gut Microbes
IF：10.245
发表时间：2021.5.7
通讯作者：Catherine Stanton
通讯作者单位：爱尔兰科克大学APC微生物组，爱尔兰Teagasc食品研究中心
纳入或排除研究的理由汇总在材料与方法和补充表中。本荟萃分析选择了8项对母亲和婴儿配对的粪便样本进行鸟枪测序的研究，以确定和描述母亲和婴儿之间肠道菌群的不同和共同特征，包括菌株水平的微生物分类群和代谢途径。这8项宏基因组研究在6个国家/地区进行，其中2项来自意大利，1 项来自卢森堡，3项来自北欧（1项来自瑞典，2项来自芬兰），1项来自美国，1项来自来自英国（表1）。在每个研究中除去非粪便样本（如果存在）和缺少母亲或婴儿样本的受试者后，共有376对匹配的母婴被纳入后续分析，包括婴儿从出生到12个月大的样本（n = 1024），以及怀孕、分娩和产后的母亲样本（n = 468）。所有纳入研究的宏基因组鸟枪测序数据都采用一致的生物信息学分析方法进行分类分析，即MetaPhlAn2和StrainPhlAn分别用于菌种和菌株分析，HUMAnN2用于功能分析（见材料和方法）。
比较这8项研究中母亲和婴儿之间的菌群相对丰度，可以发现在多样性和组成上都有不同的菌群落（图1）。观察到较高的丰度（blocked Wilcoxon检验，p < 0.001）和α-多样性（Shannon多样性指数和Simpson多样性指数；blocked Wilcoxon检验，p < 0.001）在母体中具有一致性（图1a）。这些差异随着婴儿肠道菌群向成人的方向发展而逐渐减少，直到一岁（图1b），这反映在基于“采样时间点”（材料和方法）的纵向母婴样本分层。Bray-Curtis 异质性的主坐标分析（PCoA）排序显示了母婴间存在分化，但母亲和婴儿之间的肠道菌群越来越趋同（adonis PERMANOVA 检验，p < 0.001，排列 = 1000）（图 1c）。在母亲粪便样本中，拟杆菌门Bacteroidetes和厚壁菌门
Firmicutes
占多数（40.3%），而1岁以下婴儿的拟杆菌门Bacteroidetes较少[17.9%；blocked Wilcoxon检验，假阳性率（FDR） < 0.001]，厚壁菌门Firmicutes （26.4%；blocked Wilcoxon检验，FDR < 0.001），但放线菌门Actinobacteria丰度较高（母亲32.5% vs. 12.1%；blocked Wilcoxon检验，FDR < 0.001），变形菌门Proteobacteria （21.7% vs. 5.0%；blocked Wilcoxon检验，FDR < 0.001）。母亲和婴儿113（282个）属和352（814个）种的平均相对丰度之间存在差异（blocked Wilcoxon检验，FDR < 0.05）。在患病率至少为5%，平均相对丰度> 0.3%的不同属中，双歧杆菌Bifidobacterium、大肠杆菌Escherichia、肠球菌Enterococcus、乳酸杆菌Lactobacillus、梭状芽孢杆菌Clostridium和副杆菌Parabacteroides在婴儿的粪便中比母亲的多。拟杆菌属Bacteroides、真杆菌属Eubacterium、Alistipes属、Subdoligranulum属和瘤胃球菌属Ruminococcus在母亲菌群中占主导地位（图1d）。与微生物多样性类似，婴儿粪便菌群在6-12个月的年龄段观察到了加速的变化，这时观察到拟杆菌属Bacteroides增加，但双歧杆菌Bifidobacterium减少（图1e）。
图1. 母婴肠道菌群的多样性及组成。（a）母亲（n=468）和婴儿（n=1024）的物种α多样性（Shannon多样性指数）。（b）母亲和婴儿粪便按“采样时间点”分层，分别分为3类和6类。（c）基于Bray-Curtis物种差异性对纳入的8项研究的母亲和婴儿样本进行主坐标分析（PCoA）。母亲和婴儿肠道属水平的平均相对丰度比较（d），并按照“采样时间点”（e）进行分层。鉴于有证据表明母体菌群垂直传播给婴儿，以及母亲和婴儿之间早期和频繁的互动，我们接下来试图确定各研究中婴儿和其配对母亲共享的肠道菌群成员。与分娩时收集的母亲样本相比，仅5种（Butyricimonas synergistica， Leuconostoc mesenteroides， Leuconostoc pseudomesenteroides， Peptostreptococcus anaerobius，和Clostridium methylpentosum）在产后期（婴儿出生7天后取样）被进一步鉴定为母婴共有。因此，我们从六项研究中的一个子集中研究分娩时（从出生到婴儿出生7天）的母体微生物群，在分娩时收集母亲样本，最终收集342对母子样本，其中有4对双胞胎。我们首先比较了六项研究中婴儿与他们自己的母亲或无血缘关系的母亲之间的相似性。与无血缘关系的母婴组相比，有血缘关系的母婴组的肠道菌群相似性显著性（Wilcoxon检验，p < 0.001）更高（图2a）。在相关母子对中，无论相对丰度如何，至少一对母子中共有290个母子共享物种（补充表S4），并且随着婴儿年龄的增长，共享物种的数量增加（图2b）。根据 Ferretti 等人的研究结果，我们发现这种模式与物种和年龄有关，母亲的相对丰度明显低于婴儿。大肠杆菌Escherichia（Escherichia coli）、链球菌Streptococcus（Streptococcus salivarius和Streptococcus parasanguinis）、肠球菌Enterococcus（Enterococcus faecalis）和嗜血杆菌Haemophilus（Haemophilus parainfluenzae）的共有菌种在新生儿出生后第一周的含量尤其高；相反，柯林斯菌Collinsella（Collinsella aerofaciens）、克雷伯菌Klebsiella、双歧杆菌Bifidobacterium（B. catenulatum， Bifidobacterium adolescentis， B. longum， Bifidum， B. pseudocatenulatum和Bifidobacteribreve）、韦荣球菌（Veillonella parvula）、Parabacterioides（Parabacterioides merdae）的共享菌种通常在1-6个月的婴儿中富集（图2c）。此外，婴儿在出生1至6个月时，B. fragilis和Akkermansia muciniphila的共享物种也很丰富。在一岁时，除了乳酸杆菌属、梭菌属Clostridium bolteae，Blautia，Bacteroides（如Bacteroides thetaiotaomicron， Bacteroides cellulosilyticus， Bacteroides xylanisolvens， Bacteroides ovatus，和 Bacteroides vulgatus），以及Roseburia（Roseburia inulinivorans）在婴儿中的相对丰度更高。
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2. 母婴配对样本的共享微生物特征。（a）用Bray-Curtis差异法测定亲缘和非亲缘母子之间菌种水平组成特征的相似性。（b）母婴共同菌种数量随婴儿年龄的增长而增加，回归线呈红色。（c）母婴共享物种相对丰度的纵向变化，在所有“采样时间点”中，平均相对丰度> 0.1%，婴儿样本至少有5%的流行率。
（
d）横条表示按“采样时间点”分层的临床协变量所解释的方差比例（R2），这些协变量与模型中的母婴共享菌种有关，由PERMANOVA确定。（e）在调查的6项研究中，有26种核心的母婴共享菌种的丰度，平均相对丰度> 0.1%，在所有婴儿样本中至少有5%的流行率。
临床协变量对生命早期微生物群获得和发展的影响常有文献记载；然而，这些影响是否因微生物群的来源而变化，特别是对与母亲共享的微生物群的影响，仍不清楚。因此，我们量化了研究中可用的12个协变量（见材料和方法），按“采样时间点”分层，在物种水平上对母婴共享微生物群的整体组成影响。大多数临床协变量影响了出生后第一周共享物种的相对丰度（图2d；PERMANOVA，FDR < 0.05）。在出生后的第一年，分娩方式对共享微生物群的影响逐渐减少，随着婴儿年龄的增长，“研究”这一协变量逐渐主导了共享物种组成变化的贡献（图2d；PERMANOVA，FDR<0.05），这与TEDDY队列一致，其中地理位置与婴儿的整个微生物群的发育有关。在母婴共享的菌种中，有43个菌种的平均相对丰度大于0.1%，在所有婴儿样本中的流行率至少为5%。此外，在六项研究中，有26个共享菌种（23个分类的和3个未分类的）至少存在于一对母婴样本中（图2e）。其中拟杆菌属Bacteroides 8种，双歧杆菌属Bifidobacterium 4种。核心共享物种占整个婴儿微生物菌种库的3.6%（714个菌种中的26个），但在56%的所调查的婴儿样本中，这些物种代表了较高的丰度，占总微生物组的50%以上。我们进一步发现，核心共享菌种的流行程度不同，唾液杆菌S. salivarius（342个配对中的281个）是最流行的菌种，其次是长杆菌B. longum（342个配对的253个）和大肠杆菌E. coli（342个配对的242个）。在数量有限的47个配对中，共享了粪拟杆菌Bacteroides stercoris（图2e）。考虑到剖宫产分娩方式的潜在影响，我们从数据集中排除了任何剖宫产分娩的婴儿及其配对母亲。这导致了从26种共享微生物中删除了E. faecalis， Faecalibacterium prausnitzii， V. parvula，和 Subdoligranulum spp.。在探索剖宫产婴儿的子集时，我们发现共享的物种与研究有关，在六项剖宫产婴儿的研究中，只有两个物种（B. longum和E. coli）是共享的，而阴道分娩的婴儿在所有六项研究中与他们的母亲共享22个物种。肠道菌群对许多外在和内在因素具有高度可塑性，如饮食、药物和宿主免疫系统。母亲和婴儿的菌群之间的比较通常限于属和种的水平，尚未探索到菌种水平。根据目前对微生物菌株定义的共识，我们利用鸟枪宏基因组测序数据，通过使用StrainPhlAn对MetaPhlAn中所有检测到的物种的保守和独特的物种特定标记基因调用单核苷酸多态性（SNP），进行菌株水平分析。每一种优势菌种产生的标记基因SNP单体型称为SNP单倍型。在一部分研究中，通过比较SNP单倍型的序列，我们可以纵向比较不同物种间母亲和婴儿之间的菌株异质性（图3a）。我们发现，除了B. thetaiotaomicron、B. longum和Ruminococcus torques外，婴儿不同时间点取样的物种内的菌株相似性一直高于母亲（Wilcoxon检验，FDR < 0.05）。R. torques、E. coli和C. aerofaciens等物种在母亲和婴儿中表现出广泛的菌株多样性，但在SNP单倍型比较中，菌株的平均标记基因相似度为98.98%，95%置信区间 [95% CI] =[98.80%；99.16%]。大部分属于细菌属和双歧杆菌属的被调查物种在受试者中具有非常高的菌株相似性，在婴儿内部的比较中，其各自的标记基因相似性平均为99. 90%，95%置信区间95%CI=[99.89%；99.92%]和99.67%，95%置信区间95%CI=[99.61%；99.73%]；在母亲内部比较中，其各自的标记基因相似性平均为99.87%，95%置信区间95%CI=[99.86%；99.89%]和99.80%，95%置信区间95%CI=[99.76%；99.83%]。
图3.母婴肠道传播菌种的菌株水平分析。（a）基于标记基因的所有配对比较（每个物种的优势菌株），并分层到母亲内部和婴儿内部的比较，每个物种的SNP单倍型相似性。（b）共享菌株的数量随着婴儿年龄的增长而增加，由回归线（红色）表示。（c）按“采样时间点”分层的母婴共享菌株的动态流行率。
为了提供母婴菌群垂直传播的有力证据，我们进一步探讨了宏基因组测序数据，以便在菌株水平上确定母婴共享物种。在六项研究中，共有103个菌种被母婴双方共享，其中有母亲的分娩样本。这占共享菌种总数的35.5%（103/290）。在这6项研究中，每一项研究中至少有一对母婴证实了属于26种的5株拟杆菌（Bacteroides uniformis， B. vulgatus， B. longum， Parabacteroides disasonis，P. merdae）。与共享菌种的模式类似，共享菌株的数量随着婴儿年龄的增长而逐渐增加，从新生儿出生时平均每个受试者2.93株（95% CI = [1.95；3.91]）增加到一岁时的6.59株（95% CI = [5.86；7.32] ）（图3b）。在每个相应时期中，至少有10％的样品中存在这些共有的菌株，其中来自拟杆菌属Bacteroides的菌株是早期生命中最普遍和持久的定居者，其次是双歧杆菌Bifidobacterium（图3c）。随着婴儿在出生后第一年的年龄增长，长杆菌B. longum菌株的比例增加，其次是均匀杆菌B. uniformis、粗杆菌B. vulgatus、大肠杆菌E. coli和卵杆菌B. ovatus菌株（图3c）。除了母体肠道是婴儿最可能的微生物群来源之一，因为其具有可比性的微生物生态系统（在此称为共享物种），婴儿肠道早期定居者的来源是多方面的，包括母亲的口腔和皮肤，以及周围环境（在此称为非共享物种）。通过对StrainPhlAn的标记基因应用SNP调用方法，我们通过比较纵向婴儿样本中共享或不共享物种内的SNP单倍型序列来计算菌株的相似度。结果表明，每组物种都有很高的菌株相似性，除了多雷氏菌B. dorei和前庭链球菌Streptococcus vestibularis外，共享和非共享物种之间没有发现显著差异。然而，这些非共享菌株在代谢途径中表现出丰度的降低，特别是蛋白源氨基酸的生物合成、嘌呤核苷酸的生物合成、维生素的生物合成、细胞壁的生物合成和辅酶A的生物合成。在我们的分类学分析中，可以使用鸟枪宏基因组数据直接分析母亲和婴儿之间的微生物功能。这为微生物在生命早期的功能传递和成熟提供了深刻的见解。在所有纳入的母婴粪便样本中，我们共确定了518条涉及111种功能的代谢途径（如MetaCyc代谢途径层次分类所述）。令人惊讶的是，除了功能丰度之外，母亲和婴儿的汇总样本的α多样性是可比的。此外，PCoA表明，婴儿的代谢途径比母亲的代谢途径变化更大（adonis PERMANOVA 检验， p < 0.001， permutations = 1000）。与母亲相比，从出生到1岁的婴儿在维生素和磷脂生物合成等代谢功能方面的丰度较低，但在嘌呤核苷酸、蛋白源氨基酸、脂肪酸和发酵成短链脂肪酸的生物合成等方面的丰度较高（图4a）。
图
4.婴儿与其母亲共享的肠道菌群功能能力。（a）母亲和婴儿之间有差异的菌群代谢功能的动态变化（FDR<0.05），在所有 "采样时间点 "的母亲和婴儿样本中，平均相对丰度> 1%，患病率至少5%。（b）婴儿和母亲共享的代谢途径的数量（76.6%）平均是物种（16.8%）的四倍（Wilcoxon检验，p < 0.001）。（c）按 "采样时间点 "分层的母亲和婴儿共享的代谢途径，母亲和婴儿之间至少有一个时间点存在显著差异（Wilcoxon检验，FDR<0.05）。
我们进一步分析了各年龄段母亲和婴儿共享的功能通路，结果显示母亲和婴儿共享的代谢通路数量（76.6%，95%CI=[75.5%；77.7%]）平均是物种的4倍（16.8%，95%CI=[15.9%；17.7%]， Wilcoxon检验，p <00.001）（图4b），与以前的研究一致。母亲和婴儿之间不同的共享代谢菌群代谢途径大多属于嘌呤核苷酸的生物合成和蛋白源氨基酸的生物合成（图4c）。在蛋白源氨基酸的生物合成途径中，新生儿粪便微生物群中L-精氨酸的生物合成（I、II和IV）与出生时母体微生物群相当。L-精氨酸生物合成途径的相对丰度持续增加，直到一岁，导致丰度高于母亲，这与L-赖氨酸（III，VI）生物合成的情况相反。此外，婴儿在糖核苷酸生物合成途径（UDP-N-乙酰-D-半乳糖胺生物合成I）中也很丰富。然而，婴儿微生物群显示出较高的叶酸生物合成潜力，而显示出较低的淀粉降解、细胞壁生物合成和磷脂生物合成的潜力，这与以前的观察一致。随着婴儿年龄的增长，淀粉降解途径的丰度增加，表明早期的微生物群适应于植物来源的糖类的引入和代谢。我们根据所调查的特征的可用性，从8项纳入研究的子集中提取了母体特征[即孕前母体体重指数（BMI）、产前母体抗生素、产中母体抗生素和母亲年龄]，并研究了它们对婴儿肠道菌群的影响。结果显示，与正常BMI母亲所生的婴儿相比，超重或肥胖（OWOB）母亲所生的婴儿的肠道菌群的丰度降低（Wilcoxon检验，p < .05）。在分娩期间接受抗生素治疗的母亲所生的婴儿中，也观察到了同样的模式，即α多样性较低（Wilcoxon检验，p < .05；丰度和Shannon多样性指数）。此外，母亲在分娩时接触抗生素或母亲年龄超过30岁，婴儿肠道菌群中双歧杆菌Bifidobacterium的丰度下降，但梭状芽孢杆菌Enterobactercloacae增加。在母亲怀孕期间使用或不使用抗生素的情况下，婴儿肠道菌群的α多样性没有发现差异，但母亲怀孕期间接触抗生素导致Bilophila和Megasphaera属的丰度增加。
分娩方式被认为是早期肠道微生物获得和发展的一个重要驱动因素，特别是在生命的第一年。与阴道分娩相比，剖宫产导致的肠道菌群的范围和改变仍有争议，这部分是由于采样时间点、队列规模和测序策略的不同导致的。我们用鸟枪宏基因组测序数据的大型组合数据集进行的分析显示，阴道分娩的婴儿的肠道菌群富含（MaAsLin，FDR<0.25）拟杆菌属Bacteroides、埃希氏菌属Escherichia和副细菌属Parabacteroides，以及B. longum和B. adolescentis的菌种（图5a）。此外，这些属的相对丰度在婴儿出生后的第一年是动态变化的，即阴道分娩和剖宫产分娩的婴儿在3个月内的微生物谱差异最大，随后在婴儿出生后的第一年逐渐减少。这也体现在分娩方式对整个属微生物组成的影响逐渐降低（Bray-Curtis差异）（即R2从第1周的0.075下降到1岁的0.043）。在胎粪中，菌群落结构（Bray-Curtis异质性）没有显著差异（adonis PERMANOVA检验，FDR = 0.06，permutations = 1000），这与以前的研究一致。
图5.分娩方式和喂养方式对母婴共享肠道菌群的影响。（a）按“采样点时间”和分娩方式（剖宫产vs.阴道）分层的婴儿菌属平均相对丰度的纵向变化。（b）按分娩方式分层的母亲和婴儿共享菌种和菌株数量的纵向变化（共享菌种p < 00.001，共享菌株p < 00.001）。
（c）按“采样时间点”和分娩方式分层的母婴共享菌株动态流行率（%）。（d）森林图显示了受分娩方式和喂养方式（纯母乳vs非纯母乳）影响的共享属系数（分娩或喂养方式的MaAsLin， FDR < 0.25）。（e）比较阴道分娩和剖宫产分娩婴儿的代谢功能，所有婴儿样本的平均相对丰度> . 1% （MaAsLin， FDR < 0.25）。
此外，剖宫产婴儿的菌种数（平均 10.1， 95% CI = [8.88；11.3]）和菌株（2.42， 95% CI = [2.03；2.80]）低于阴道分娩的婴儿（菌种: 16.1， 95% CI = [15.1；17.1]， Wilcoxon 检验p < 0.001；菌株: 4.40， 95% CI = [4.12；4.68]， Wilcoxon 检验p < 0.001；图 5b）。尽管剖宫产婴儿的胎粪样本量相对较小，但从纵向来看，我们观察到母体菌群菌株的传递主要发生在阴道分娩的婴儿身上（平均10.1，95%CI=[8.24；11.9]），其发生率（Wilcoxon检验，p <00.001）高于出生后第一年的剖宫产婴儿（3.43，95%CI=[2.11；4.75]），（图5c）。在一岁时，阴道分娩的婴儿和剖宫产的婴儿之间的母婴菌群传播的发生率越来越具有可比性，尽管仍有显著的差异（Wilcoxon检验，p < 0.001）。关于婴儿体内共有菌种的相对丰度，拟杆菌属Bacteroides（Bacteroides caccae、B. dorei、B. fragilis和B. vulgatus）、双歧杆菌B. adolescentis、B. longum、C. aerofaciens、大肠杆菌E. coli和Parabacteroides（P. distasonis和P. merdae）等物种在剖宫产婴儿中的丰度有所下降，但巴氏梭菌Clostridium bartlettii、副流感嗜血杆菌H.parainfluenzae、粘毛罗斯菌Rothia mucilaginosa、S. parasanguinis菌和韦荣球菌Veillonella的种类增加（MaAsLin， FDR < 0.25）（图5d）。在功能水平上，阴道分娩和剖宫产婴儿在出生后第一年的重要代谢功能不同，包括嘌呤和嘧啶核苷酸的生物合成、丙酮酸的发酵和发酵成短链脂肪酸（剖宫产婴儿更高，MaAsLin，FDR<0. 25），以及维生素、细胞壁、糖和醌的生物合成（阴道分娩的婴儿更高，MaAsLin，FDR < 0.25）（图5e）。为了解决母体肠道菌群是否可用于预测婴儿与其母亲共享的菌种出现的假设，我们进行了a leave-one-study-out（LOSO）分析，用随机森林分类器对26个母婴共享菌种的核心集（见材料和方法）进行了无偏和有力的评估。我们观察到11个物种的曲线下面积（AUC）得分至少为0.70，24个物种的平均范围为0.96至0.53之间（图6a）。当来自6项研究的集合样本被随机分成训练集和验证集（分别为70%和30%）时，所有物种的预测性能得到很大改善，5次重复的平均AUC值从0.98到0.69。在菌株层面上，我们对六项研究中的五种菌种应用了同样的方法，即随机森林和LOSO，以回答定植在婴儿肠道中的菌种是否可以从其母亲那里预测出来。六项研究的平均AUC值被证明高于0.5，其中P. distasonis为0.53，B. longum为0.75（图6b）。考虑到分娩方式对婴儿体内微生物组成的影响，根据分娩方式对样本进行分层，并用 LOSO 方法对随机森林分类器进行再训练。从阴道分娩的母亲获得的AUC分数与集合样本相当，而通过剖宫产的母亲的肠菌群的预测性能下降（Wilcoxon检验，p < 0.01；图6c）。
图6.基于母体肠道菌群的婴儿肠道共享菌种发生的预测性能评估。（a）曲线下面积（AUC）矩阵由随机森林模型和a leave-one-study-out（LOSO）方法获得，核心集为6项研究的26个共享菌种。（b）用LOSO方法对6项研究中的5个菌株进行随机森林模型得到的AUC矩阵。
（c）当样本按分娩方式分层时，AUC对预测性能的影响。（d）通过LOSO方法对长双歧杆菌
Bifidobacterium longum模型中GINI的平均下降反映出预测特征的重要性（e）用LOSO方法对第一次随机森林模型训练中发现的排名靠前的特征重新训练，得到的预测性能随着微生物物种数量的增加而增加。为了评估得到与使用全套特征所取得的预测性能值相当的菌群特征的数量，根据以前使用LOSO方法的随机森林分类器的GINI平均减少量，选择排名靠前的特征，然后为每个物种的新随机森林分类器重新训练，计算AUC值。我们发现，在大多数情况下，平均超过26个物种的稳定AUC值只用了10个物种就达到了（图6e），强调了顶级特征的高预测能力。然后，我们试图探索每个共享菌种的模型中顶级特征的概况和确切贡献。结果表明，每个随机森林分类器所对应的GINI平均下降量排名最高的预测物种是21个母体肠道菌种，如B. longum（图6d），除了B. ovatus、B. uniformis、F. prausnitzii、R. torques和Subdoligranulum spp.。
由于16S rRNA基因分析所提供的分类分辨率，婴儿肠道微生物群与其匹配的母亲的直接比较会受到限制，在较高的分类分辨率下，样本量从几个到几十个不等，以及微生物代谢功能方面易受到忽视。在本研究中，我们应用荟萃分析方法分析了来自6个国家的8项研究的376个配对的母婴组合的整个宏基因组测序数据。这使我们能够在菌种、菌株和功能水平上确定和描述各队列中母婴肠道菌群的全球不同和相同的特征。尽管各种临床协变量（如母亲的BMI、母亲和婴儿的抗生素干预、分娩方式）存在差异，但我们在各队列中确定了一套核心的共享菌种。与非共享菌种相比，共享菌种具有相似的菌株异质性，但具有更高的功能能力，这表明共享菌种在早期定植中具有关键作用。我们发现，与母亲相比，婴儿体内的嘌呤核苷酸、蛋白源氨基酸和叶酸的生物合成特别丰富。此外，使用不同的机器学习方法，根据婴儿的母体肠道菌群预测共享菌种和菌株的出现被证明是相对准确的。
除了三个月大时母亲和婴儿之间的显著差异外，我们发现，随着婴儿的成长，这些差异在菌群多样性和组成方面都明显减少，直到1岁。大约6至12个月时，拟杆菌Bacteroides（B. ovatus和B. uniformis）、真杆菌Eubacterium（Eubacterium rectale）和粪杆菌（F. prausnitzii）的相对丰度增加，双歧杆菌Bifidobacterium（B. longum、B. pseudocatenulatum和B. bifidum）和大肠杆菌Escherichia（E. coli）的数量减少，这可能是由于从纯母乳喂养到部分和/或完全固体食物的转变。然而，这些发现是基于相对丰度，但这些菌种的绝对变化仍然不清楚。个人生物标志物的发现可能对研究之间的差异性和宿主本身的微生物转变很敏感，部分原因是饮食和宿主的健康状况。在整个研究中，我们确定了一组26个母婴共享的物种（B. uniformis、B. vulgatus、B. longum、P. distasonis、P. merdae在菌株水平上确认的物种），具有较高的流行率和相对丰度。如果考虑到分娩方式，剖宫产婴儿的母婴共享物种的数量要比阴道分娩的婴儿少得多，这反映了剖宫产婴儿的微生物群的不同来源，如产妇皮肤和医院环境。考虑到其他微生物来源（如阴道、口腔和母乳）对婴儿肠道菌群的潜在贡献，我们无法在目前的研究中量化母体肠道菌群的贡献程度。例如，阴道菌群经常被报道传播至婴儿的肠道微生物群，这是那些通过阴道分娩的婴儿的典型特征。我们利用所包括研究的纵向性质观察到，婴儿肠道菌株在大多数特定物种中表现出比母亲在怀孕和哺乳期取样的稳定性更高。这一结果表明，母亲的菌株发生变化的几率很高，扩大了现有的证据，即肠道微生物谱在怀孕期间发生了巨大的变化。众所周知，由于B. longum的基因组中存在特定的基因，B. longum成员是母乳低聚糖（HMO）的主要利用者之一。然而，在母乳喂养期间被发现含有HMO利用基因的大多数B. longum菌株在停止母乳喂养后不再携带这些基因。我们的结果和之前的观察证实了早期生命中肠道微生物群的菌株特异性功能适应假说。此外，我们发现R. torques菌株在母亲和婴儿中都表现出最高的多样性，这在以前是没有报道过的。R. torques似乎与婴儿的母乳喂养和一些疾病有关，如自闭症谱系障碍和肌萎缩性侧索硬化症。这些观察结果表明，R. torques的菌株容易受到外在因素的影响，这一点被我们在婴儿和成人的菌株水平上的结果进一步证实。然而，R. torques在不同环境中的菌种转移机制仍有待于确定。在更高的分类分辨率下确认菌群母婴垂直传递是可取的，但仍然面临挑战。我们对每个菌种的标记基因采用了单核苷酸变异株的分析方法，在总共103个菌种中证实了微生物母婴垂直传递的证据，这扩大了样本量有限的个别研究的数量。此外，我们证实了双歧杆菌Bifidobacterium spp.、拟杆菌Bacteroides spp.和大肠杆菌E. coli在出生第一年的传播频率要高得多，这与之前的研究一致。尽管来自母亲肠道的菌株在婴儿中可能更具生态适应性，但我们的结果表明，与来自母亲肠道的菌株相比，来自其他来源的相同菌株也表现出相当的稳定性和适应性。这表明，早期微生物的获得是可控的，而不是偶然发生的。就具体的功能特征而言，与其他来源的菌株相比，传递的菌株对婴儿的各种功能贡献更大。同时，正如我们从共享和非共享菌株中观察到的那样，基于不同来源的不同微生物代谢功能的临床意义还有待确定。嘌呤核苷酸、蛋白源氨基酸和叶酸的生物合成在婴儿中更为活跃；而母亲的淀粉降解和磷脂生物合成的丰富程度更高。这些差异真实地反映了母亲和婴儿之间肠道菌群的功能能力的区别，这可能是由于微生物对不同的饮食成分和生命阶段的摄入的适应。然而，与分类学特征相比，微生物代谢途径的相似性更高，这在不相关的受试者和人类微生物组计划中可观察到。除了提供进一步的证据表明母体特征（包括怀孕前的BMI和分娩时的抗生素干预）和分娩方式是影响生命第一年肠道微生物群发育轨迹的关键因素外，我们的荟萃分析还强调了分娩方式如何影响微生物母婴共享物种的程度和垂直传播菌株的数量，这一点仍是未知的。我们发现，剖宫产减少了来自拟杆菌Bacteroides，双歧杆菌Bifidobacterium，和副拟杆细菌Parabacteroides的共有菌种的丰度；而通常与早产有关的共有菌种（如副流感杆菌H. parainfluenzae、粘液杆菌R. mucilaginosa和Veillonella属Veillonella spp.）在生命的第一年有所增加。在菌种层面，母亲对婴儿的微生物传播在阴道分娩的新生儿中纵向更普遍。尽管由于早期微生物定居者对免疫系统的影响，剖宫产婴儿的微生物群与不良健康结果的风险增加可能存在关联，但这些改变的微生物群与不良健康结果之间的因果关系仍有待确定。另外，与剖宫产相关的母婴共享菌种是否对与肠道菌群营养不良有关的慢性疾病的世代传播有影响，也应得到证实。此外，我们的结果表明，产后纯母乳喂养可以部分缓解这种干扰。基于肠道微生物群对宿主健康状况的预测，人们已经针对一些疾病进行了研究，如哮喘和结直肠癌。然而，到目前为止，对婴儿肠道微生物群的预测还没有得到解决，如果可能的话，这可能会指导我们为母亲和婴儿设计特定的益生菌补充。鉴于母体菌群是婴儿肠道菌群的一个主要来源，我们首先尝试开发具有不同算法的机器学习模型，以预测当前研究中确定的婴儿中 26 种母婴共有菌种的核心集的出现情况。在整个研究中，对于共有菌种的核心集，在随机森林的情况下，其结果准确性中等，平均AUC值为0.69。重要的是，使用另一种机器学习方法实现了高度相似的性能（梯度提升的平均 AUC 值为 0.72）。同样明显的是，用LOSO方法生成的这些模型在各研究之间没有严重的偏差，尽管每个研究的样本量不同。事实证明，使用与共享物种相同的方式也能在一定程度上预测微生物的母婴垂直传播。此外，我们发现大多数随机森林分类器的主要贡献者是母体和婴儿共享的菌种，这表明现有母体物种在其婴儿中共享的可能性很高，而与丰度无关。为孕妇补充益生菌已被用于预防和控制怀孕期间的微生物群失调，以及对婴儿特别是剖宫产的婴儿，他们在最初几个月的肠道微生物群中缺乏拟杆菌Bacteroides进行调整。我们的发现将有助于未来的益生菌干预研究和下一代益生菌的开发，并强调了根据母体肠道菌群预测生命早期共享菌种和菌株发生的可能性。我们的荟萃分析是对所有可用的宏基因组测序数据集与母婴配对样本集合的综合分析，结果揭示了从菌种、菌株到代谢功能水平的全球不同和相同的微生物特征，这些发现可能成为未来母婴肠道菌群研究的基础。跨研究共享物种的核心集可能会被探索为下一代婴儿益生菌，特别是剖宫产出生的婴儿，它们在生命早期菌群的获得和发展中的生态作用需要通过大规模、长期的队列研究进一步解决。共享和非共享菌种之间的差异对婴儿健康结果的临床意义仍有待充分了解。
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