Amplicon clustering methods and the detection of core microbiota in honey bee gut

Abstract

Recent years decline in honey bee populations has lead to an increased interest in the study of their microbiota. In humans, a disturbance in the healthy gut microbiota is linked to several diseases, and because the host-adapted microbiota in the honey bee gut resembles that of mammals, it is assumed that bee gut microbiota also affects the health of bees. This leads us to the study of the core microbiota present in honey bee gut. Gaining knowledge about the core microbiota can help us understand what makes a healthy honey bee.

One route to acquire knowledge about the microbiota is by amplicon sequencing of the 16S rRNA gene. After sequencing, it is common to apply a clustering step to the data. Clustering methods can have a high impact on the results; the main focus in this thesis has therefore been to look at the effects of clustering methods in the study of amplicon reads. Three clustering methods and a control method were used to group amplicon sequences to compare the differences of the clustering results and their ability to detect core microbes.

The results show considerable differences between methods, both in cluster composition and in the detection of core microbiota. One of the clustering methods were not able to detect any core clusters (i.e., clusters part of every sample), and overlooked unique sequences present in a large number of samples.

Two methods did detect core microbiota, consistent with the core genera detected in previous studies. Besides, there were only detected minor differences in the core microbiota composition between different sampling factors such as time of year or gut part.

Results from this study clearly illustrate the importance of method when clustering amplicon reads. Depending on the choice of method, a study could end up with opposite conclusions regarding core microbiota.

Honningbiepopulasjonen har vært nedadgåede de siste årene, dette har ført til økt interesse rundt det å studere mikrobiotaen deres. Hos mennesker er forstyrrelser i den friske tarm-mikrobiotaen koblet til utviklingen av flere sykdommer. Og siden den vertstilpassede mikrobiotaen i tarmen hos bier viser likhetstrekk med den tilhørende pattedyr, kan det antas at tarm-mikrobiotaen hos bier også påvirker helsen deres. Dette gjør det interessant å studere kjerne-mikrobiotaen i tarmen hos bier. Økt kunnskap rundt kjerne-mikrobiotaen kan hjelpe oss å forstå hva som gjør friske bier friske.

Kunnskap om mikrobiota kan tilegnes på flere måter, og en av dem er ved amplicon-sekvensering av 16S rRNA genet. Det er vanlig å anvende clustringsmetoder på slike data etter sekvensering. Slike clustringsmetoder kan ha stor effekt på resultatene, og hovedfokuset i denne oppgaven har derfor vært å se på effekten av clustringsmetode i amplicon-sekvensstudier. For å gruppere amplicon-sekvenser ble det brukt tre clustringsmetoder og en kontrollmetode, og resultatene fra disse ble brukt til å sammenligne effekt av metode på sammensetning av cluster og metodenes evne til å finne kjerne-mikrobiota.

Resultatene viser betraktelige forskjeller mellom metodene, både når det gjelder sammensetning av cluster og hvordan de finner kjerne-mikrobiota. En av clustringsmetodene viste svært dårlig evne til å gjenkjenne kjernecluster (cluster som er i alle prøver), og overså også unike sekvenser som var tilstede i en stor andel av prøvene.

To av metodene fant kjerne-mikrobiota som stemte overens med funn gjort i tidligere studier. I tillegg til dette ble det undersøkt om det var noen effekt av faktorer i forbindelse med prøvetakingen, for eksempel tid på året eller tarmdel. Resultatene viste bare små forskjeller mellom disse faktorene.

Denne oppgaven illustrerer viktigheten av metode ved clustring av amplicon-sekvenser. En studie kan potensielt ende opp med motsigende konklusjoner vedrørende kjerne-mikrobiota, avhengig av hvilken metode som er valgt.