魏辅文院士团队近期取得脊椎动物肠道微生物研究新进展

  在长期演化过程中肠道微生物与宿主形成密切联系,在宿主营养代谢、免疫、健康、适应性演化等方面发挥重要作用,同时,也相应地受到宿主食性、系统发育关系等因素的影响。然而,关于脊椎动物肠道微生物多样性及其影响因素缺乏系统性评估,肠道微生物对野生脊椎动物生理代谢的调控作用及其分子机制也尚不清楚。针对以上科学问题,js6666金沙安全下载魏辅文院士团队近期取得了以下两方面进展:

  1、保护宏基因组学研究揭示大熊猫如何适应高纤维低脂食物

  众所周知,竹子是一类高纤维和低营养的食物。竹叶和竹笋中脂质含量均非常低。脂质是动物机体生长发育、繁殖等生命活动必不可少的重要营养物质。然而,大熊猫是如何适应高纤维低脂食物?其肠道微生物的季节性波动如何驱动宿主生理功能与食物资源同步的呢?

  为解决上述科学问题,魏辅文院士团队联合陆军军医大学魏泓教授首次利用粪菌移植方法和无菌小鼠,分别构建了大熊猫食叶季肠菌和食笋季肠菌定植的小鼠模型,结合宏基因组、宏蛋白组、代谢组和转录组等多组学方法,发现了大熊猫肠道中存在一种关键的细菌——丁酸梭菌Clostridium butyricum,且在食笋季显著富集,丁酸盐的浓度也相应的高于食叶季。丁酸盐可作用于宿主外周组织(如肝脏),以同步其代谢生物节律,进而增强磷脂的合成代谢功能,补偿机体对脂类物质的生理需求。进一步丁酸盐饲喂小鼠实验,证实了丁酸盐——生物节律核心基因——磷脂代谢的因果关系。

  综上所述,大熊猫肠道微生物的代谢产物丁酸盐可同步化宿主外周组织的生物节律,进而赋予宿主生理代谢的可塑性以适应食物营养的季节性动态,增加机体的适合度(图1)。该研究首次建立了珍稀动物粪菌移植小鼠研究模型,探讨了大熊猫对高纤维低脂类食物的适应性演化的分子机制,为非模式动物与其肠道微生物的互作机制研究提供了重要参考,同时也将非模式动物肠道微生物与宿主表型之间的关联分析推向了因果关系解析。

  该研究成果以“Seasonal shift of the gut microbiome synchronizes host peripheral circadian rhythm for physiological adaptation to a low-fat diet in the giant panda”为题于2022年1月18日在《Cell Reports》期刊在线发表。js6666金沙安全下载助理研究员黄广平、已毕业博士研究生王乐、陆军军医大学李健博士为共同第一作者,js6666金沙安全下载魏辅文院士和陆军军医大学魏泓教授为共同通讯作者。

  2、全球脊椎动物肠道微生物多样性和抗性组格局及其影响因素

  在全球环境变化的背景下,气候变化应对和生物多样性保护是当今社会面临的两大迫切需求。据统计,超过28%的脊椎动物面临灭绝的威胁。脊椎动物的生存很大程度上依赖它们的表型可塑性。除了遗传和表观遗传因素以外,越来越多的证据表明,肠道微生物是驱动宿主表型可塑性的关键因素。近年来,脊椎动物肠道微生物研究已成为热点,相应的数据呈现爆炸式增长。然而,大多数研究只集中在单一或少数物种或类群上,很少对全球脊椎动物的肠道微生物多样性及其影响因素进行综合性评估。再加上,抗生素的广泛使用诱导了耐药性产生。但目前,脊椎动物肠道微生物抗性组也缺乏全球性评估。

  魏辅文院士团队从公共数据库中提取了全球脊椎动物肠道微生物16S rRNA V4区测序数据,经过严格的质控过滤,最终获得452种脊椎动物(包括哺乳纲、爬行纲、两栖纲、鸟纲和辐鳍鱼纲等)2202条序列,并收集了迄今为止最为全面的样品信息,包括样品采集地、栖息地类型、环境因子(温度和降雨)、宿主食性、系统发育关系、濒危等级、野生圈养状态等因素(图2)。

  该研究比较了不同脊椎动物类群肠道微生物α多样性和β多样性,并结合多元回归矩阵(MRM)分析显示,食性与α多样性相关性最强,即对其变异的解释度最高,而其他因素无显著相关性。宿主系统发育关系、食性、濒危等级、地理分布和环境因子均与β多样性显著相关,其中宿主系统发育关系对其变异的解释度最高,其次是濒危等级,表明宿主与肠道微生物的共演化关系及其对脊椎动物保护的重要意义。

  研究进一步收集了全球圈养脊椎动物的宏基因组数据进行抗性组分析,结果发现,圈养脊椎动物肠道宏基因组丰度较高的抗生素耐药基因涉及对β-内酰胺、氨基糖苷和四环素抗性,这三类药物也是全球用量较高的兽用抗生素。与野生类群相比,尽管圈养脊椎动物宿主系统发育关系、食性、濒危等级和采样地存在差异,但其肠道微生物多样性水平和抗性组结构均无显著差异,表明圈养状态弱化了不同因素对肠道微生物多样性和抗性组的影响。

  综上所述,该研究揭示了全球脊椎动物肠道微生物多样性水平和抗性组特征及其影响因素,为理解脊椎动物如何响应环境变化提供了新的视角,也为未来通过合理调控肠道微生物多样性和科学指导抗生素使用以增加脊椎动物的适应性提供了科学依据。

  该研究成果以“Global landscape of gut microbiome diversity and antibiotic resistomes across vertebrates”为题于2022年5月23日在《Science of The Total Environment》期刊在线发表。js6666金沙安全下载助理研究员黄广平、博士研究生曲清悦和王勐为共同第一作者,js6666金沙安全下载魏辅文院士为通讯作者。

  以上两项研究得到了国家自然科学基金项目和金沙下载js6666B类战略性先导项目的资助。

  文章链接:

  https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.110203

  https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156178

图1 大熊猫肠道微生物的代谢产物丁酸盐可同步化宿主外周组织的生物节律,进而赋予宿主生理代谢可塑性,增加机体的适合度

图2 全球脊椎动物肠道微生物组成概况

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