肠道菌群有多少万亿_肠道菌群有多少万亿

mSystems: 中科院动物所王德华研究团队揭示野生动物及其肠道菌群响应周期性温度波动的生理适应机制

肠道菌群调节宿主应对环境温度波动时的产热可塑性

Gut Microbiota and Host Thermoregulation in Response to Ambient Temperature Fluctuations

Article，2020-10-20

mSystems, [IF 6.633]

DOI：https://doi.org/10.1128/mSystems.00514-20

原文链接：https://msystems.asm.org/content/5/5/e00514-20

共同第一作者：Saeid Khakisahneh，Xue-Ying Zhang（张学英）

通讯作者：De-Hua Wang（王德华，wangdh@ioz.ac.cn）

合作作者：Zahra Nouri

主要单位：

中国科学院动物研究所（State Key Laboratory of Integrated Pest Management, Institute of Zoology, Chinese Academy of Sciences, , Beijing, China）；

中国科学院生物互作卓越创新中心（CAS Center for Excellence in Biotic Interactions, University of Chinese Academy of Sciences, , Beijing, China）

摘要

表型可塑性是生物应对复杂多变环境的一种适应方式，可决定物种的适合度和地理分布范围。野生动物在自然环境中经常面临环境温度的周期性波动。随着全球气候变暖，极端气候事件频发，动物在夏季经常面临热浪的胁迫。面对周期性的低温或高温暴露，野生动物及其共生微生物如何适应这种变化的环境？低温或高温经历是否会提高动物应对环境变化的适应能力？在本研究中，作者对长爪沙鼠（Meriones unguiculatus）进行高温（37^oC）或低温（5^oC）驯化2周，然后转入常温（23^oC）2周，经过3个周期（共3个月）的驯化，发现周期性的温度驯化诱导食物摄入、静止代谢率、与代谢调节相关激素（例如血清甲状腺素）、体核温度等发生周期性波动，而且末次温度驯化时食物摄入等指标的变化幅度小于初次驯化的结果。肠道微生物群落的β多样性随3次温度驯化而发生变化；特定菌如丁酸弧菌属（Butyricimonas spp.）和瘤胃球菌属（Ruminococcus spp.）随高温驯化发生周期性变化，而颤螺旋菌属（Oscillospira spp.）仅对初次高温产生反应；这些特定菌的变化与代谢率等指标明显相关。进一步通过抗生素处理发现，降低肠道微生物后，这些动物面对低温胁迫时，因代谢和产热可塑性明显被抑制导致体温持续降低而死亡，而在高温条件下其存活则不受影响。抗生素处理的动物在低温下补充丙酸盐作为能量，就能维持相对较低而恒定的体温。结果表明经过周期性温度驯化，肠道菌群和宿主均表现出更强的适应能力，肠道菌群及其代谢产物的动态变化调节宿主应对温度波动时代谢和产热的可塑性。这项研究揭示了肠道菌群对宿主表型可塑性的调节作用，同时验证了低温可能是驱动肠道菌群与恒温动物共生的关键信号。研究结果对于理解肠道菌群与宿主的共生进化具有重要的理论意义。

引言

表型可塑性是生物应对复杂多变环境的一种适应，决定物种的适合度和分布范围。对于分布在温带和北极地区的小型哺乳动物，环境温度是诱导表型可塑性的重要信号。随着全球气候变暖，极端气候事件频发，动物在夏季经常面临热浪的胁迫。以往研究已发现小型哺乳动物可通过提高或降低代谢率以适应低温或高温环境。这些工作大多仅研究了单次温度驯化对动物代谢生理特征的影响，当野生小型哺乳动物面对低温或高温环境的周期性波动时，代谢产热的可塑性是否发生改变？低温或高温经历是否会提高动物应对环境变化的适应能力？

越来越多的证据表明动物肠道中的微生物对宿主的代谢和免疫功能起着关键作用。许多环境因素，如季节、海拔、饮食等均能影响肠道微生物群落结构。肠道微生物多样性和相对丰度的改变能够影响宿主的消化率和能量获取。细菌的代谢产物如短链脂肪酸等，可作为旁分泌或内分泌因子，通过作用于细胞膜上的受体（如G蛋白偶联受体），激活特定的信号通路调节宿主的能量代谢、免疫等生理过程。在全球气候变化的背景下，野生动物及其共生微生物如何适应频繁的高温或低温暴露？肠道菌群是否有助于宿主动物的代谢可塑性？作者设计了周期性的温度变化模型，并利用抗生素处理的限菌动物检测其对不同温度的反应，验证肠道菌群帮助宿主动物应对环境温度波动时的代谢适应的假说。

结果

周期性高温和低温驯化过程中代谢表型的动态变化

作者对长爪沙鼠（Meriones unguiculatus）进行常温（23^oC）转低温（5^oC）或常温转高温（37^oC）（每个温度下经历2周）各3个周期的驯化（图1a），发现长爪沙鼠的体重随高温驯化表现出一定的波动，但并没有显著变化（图1b），表明在不同的环境温度下长爪沙鼠能够维持相对稳定的体重。摄食量随环境温度发生显著性变化（图1c），在低温下摄食量显著增加（首次增加60%，末次增加57%），在高温下显著降低（首次降低53%，末次增加38%），表明长爪沙鼠能够调整食物摄入量满足不同环境温度下的能量需求，而且经过多次的高温暴露，动物只需要适当调整就能适应高温胁迫。动物在低温下提高静止代谢率（RMR），在高温下降低RMR满足热量平衡（图1d）；但因高温下的散热限制，体核温度（T_b）在高温下升高了1.3^oC（图1e）；动物在多次低温暴露后，体核温度降低了0.7 ^oC，可以降低与外界环境的温度差，减少能量负担。与能量代谢调节相关的血清甲状腺素浓度（T3，T3/T4；图1f, g）随环境温度变化发生与RMR相似的变化模式。粪便中短链脂肪酸（肠道菌群的代谢产物），特别是丙酸的浓度随环境温度发生周期性波动（图1h）。这些结果表明小型哺乳动物面对环境温度波动，能够调整摄食量和代谢率满足能量和热量需求，并能重新调整体温调定点以适应变化的环境温度。

图1 长爪沙鼠在周期性温度驯化过程中代谢表型和代谢物的可塑性变化.

a. 实验设计图. b. 体重. c. 摄食量. d. 静止代谢率（RMR）. e. 体核温度（T_b）. f. 血清甲状腺激素T3. g. T3/T4比例. h. 粪便中丙酸盐浓度. C, 常温对照组; HC, 周期性高温组; LC, 周期性低温组.

周期性高温和低温驯化过程中肠道菌群多样性和结构发生动态变化

肠道微生物群落的α-多样性（个体内微生物群落差异）随环境温度发生微弱波动，但仅在最后一次驯化过程中表现出组间差异（图2a, b）。β-多样性（个体间微生物群落差异）在不同次的驯化过程中发生变化，最后一次温度驯化，低温组与常温组重合，而与高温组完全分开（图2c）。通过线性判别式分析（LEFSe）筛选出属级水平上的组间差异菌（LDA值大于2）（图2d），进化分支图展示了这些差异属之间的进化关系（图2e）。

图2 周期性温度驯化期间肠道微生物群落多样性和结构的动态变化.

a. 系统发育多样性分析. b. Chao1指数. c. 基于Bray-Curtis 距离的主坐标分析（PCoA）. d. 根据LEFSe分析，筛选出属级水平的差异菌（LDA值大于2）的分布柱状图. e. LEFSe分析筛选出属级水平的差异菌（LDA值大于2）的进化分支图. C, 常温对照组; HC, 周期性高温组; LC, 周期性低温组.

在属级水平上，18个代表性属的相对丰度随不同温度驯化时间发生明显的波动（图3a）。布劳特氏菌属（Blautia）和乳杆菌属（Lactobacillus）相对丰度在第1次和第2次高温暴露中明显升高（图3b），但第3次驯化时维持稳定；丁酸弧菌属（Butyricimonas）和瘤胃球菌属（Ruminococcaceae）的相对丰度在三次高温暴露中均明显升高；颤螺旋菌属（Oscillospira）相对丰度仅在第1次高温暴露时明显升高；罗斯氏菌属（Roseburia）相对丰度仅在第3次冷暴露的动物中明显升高（图3b）。表明肠道微生物群落中一些特定细菌对环境温度变化或因环境温度变化导致动物摄食量的改变非常敏感，而且随多次温度驯化，表现出适应性。

图3 周期性温度驯化期间属级水平特征菌相对比例的动态变化.

a. 在属级水平，18个代表性属的相对丰度随不同温度驯化时间的波动模式. b. 布劳特氏菌属（Blautia）、丁酸弧菌属（Butyricimonas）、乳杆菌属（Lactobacillus）、颤螺旋菌属（Oscillospira）、罗斯氏菌属（Roseburia）和瘤胃球菌属（Ruminococcaceae）相对丰度的变化. C, 常温对照组; HC, 周期性高温组; LC, 周期性低温组.

采用Pearson相关分析，分析不同温度组属级水平的特征菌与代谢表型的关系（图4a, b, c）。在周期性的高温驯化动物，丁酸弧菌属（Butyricimonas）、乳酸菌属（Lactobacillus）和颤螺旋菌属（Oscillospira）相对丰度与T3/T4比例显著负相关，Parabaceroides与摄食量显著负相关（图4b）。在周期性的低温驯化动物，粪球菌属（Coprococcus）、低嗜盐细菌属（Dehalobacterium）、脱硫弧菌属（Desulfovibrio）、颤螺旋菌属（Oscillospira）和瘤胃球菌属（Ruminococcaceae）与RMR明显正相关，瘤胃球菌属与摄食量也明显正相关（图4c）。肠道菌群相对丰度的变化会引起代谢产物的相应变化，参与宿主动物的能量代谢调节。

图4 属级水平的特征菌与宿主生理指标的相关关系热图.

a. 常温对照组（C group）; b. 周期性高温组（HC group）; 周期性低温组（LC group）。

抗生素处理的限菌动物应对高温或低温暴露时代谢表型的变化

将长爪沙鼠进行抗生素处理降低肠道微生物多样性和丰度（限菌动物），并将其分别暴露于高温（37^oC）或低温（5^oC）环境下驯化2周，对另一组低温暴露的动物补充丙酸盐（Propionate，一种肠道细菌的代谢产物）（图5a），检测限菌动物对高温或低温的耐受性。抗生素处理导致动物体重明显降低并逐渐维持稳定（图5b），摄食量明显降低，高温暴露的动物摄食量进一步降低，而低温暴露动物摄食量明显升高（图5c）。抗生素处理导致动物RMR、最大非颤抖性产热（NST_max）和调节性非颤抖性产热（NST_reg）均明显降低（图5d），高温暴露引起NST_max和NST_reg进一步降低，而低温暴露组虽然NST_max和NST_reg有一定升高，但仍低于正常对照组，导致体温持续降低而死亡；低温组补充丙酸盐后体温维持相对稳定（图5e）。限菌动物在不同环境温度下存活率均降低，在低温环境下尤其明显（图5f）。表明限菌动物因不能充分消化食物，不能获取足够能量以满足低温下的产热需求，因此不能维持体温而影响存活。

图5 抗生素处理的长爪沙鼠在不同温度下的能量代谢、体温和存活率。

a. 实验设计图. b. 体重变化. c. 摄食量. d. 静止代谢率（RMR）、最大非颤抖性产热（NST_max）和调节性非颤抖性产热（NST_reg）. e. 体核温度. f. 存活率. Ab, 抗生素处理常温组; Ab-H, 抗生素处理高温暴露组; Ab-L, 抗生素处理低温暴露组; Ab-L_prop, 抗生素处理低温暴露并补充丙酸盐组。

限菌动物在常温和高温下的可消化能降低（图6a），在不同温度下消化率均明显降低（图6b）。与能量代谢和产热调节相关的血清甲状腺素（T3，T4）含量（图6c, d）在限菌动物明显降低，低温下T3含量（与正常对照Control相比）并没有增加。脂肪组织分泌的瘦素（leptin），与能量摄入负相关，限菌动物在低温下血清瘦素浓度降低（图6e），有利于促进食物摄入。胃饥饿素（ghrelin）是胃肠分泌的激素之一，有促进食欲的作用。无论在什么温度下，限菌动物的血清胃饥饿素含量均明显降低（图6f）。表明肠道菌群多样性降低会抑制甲状腺素、胃饥饿素等激素的分泌，影响宿主的能量摄入和产热能力。

图6 抗生素处理的长爪沙鼠在不同温度下的能量摄入和血清激素的变化.

a. 可消化能（DEI）. b. 消化率. c-f. 血清甲状腺素T3, T4, 瘦素（leptin）, 胃饥饿素（ghrelin）浓度. Ab, 抗生素处理常温组; Ab-H, 抗生素处理高温暴露组; Ab-L, 抗生素处理低温暴露组; Ab-L_prop, 抗生素处理低温暴露并补充丙酸盐组.

讨论

本研究验证了肠道菌群能够帮助宿主面对环境温度波动时调整代谢和产热表型可塑性，以提高个体适合度。动物经过周期性的温度驯化，肠道菌群和宿主均表现出更强的适应能力。抗生素处理的限菌动物由于胃肠激素分泌的降低抑制了动物的食欲，因消化率降低不能充分消化摄入的食物，导致能量缺乏、体重降低；因甲状腺激素分泌降低，代谢和产热也明显降低，因而体温降低，即使在常温环境下动物仅能维持平均34.2^oC的体温（正常沙鼠体温平均36.8^oC），在高温下动物能够维持能量平衡，而在低温下因不能增加产热导致动物死亡。补充丙酸盐作为能量后，限菌动物在低温下就能够增加一定的产热维持相对较低的体温、维持生存。本研究揭示了肠道菌群对宿主代谢和产热表型可塑性的调节作用，同时验证了低温可能是驱动肠道菌群与恒温动物共生的关键信号。研究结果对于理解肠道菌群与宿主的共生进化具有重要的理论意义。

致谢：该研究主要受到国家自然科学基金（ 和）的资助。

共同第一作者简介

共同第一作者：Saeid Khakisahneh，中国科学院动物研究所国际学生（2016-2020）。主要研究长爪沙鼠（Meriones unguiculatus）的肠道菌群、甲状腺激素与体温调节。

共同第一作者：张学英，中国科学院动物研究所副研究员。主要研究小型哺乳动物对环境变化的生理和行为适应，揭示生理和行为适应的神经内分泌及微生态生理机制。在国际学术期刊Microbiome, The ISME Journal, mSystems, Hormones and Behavior, Obesity, Journal of Comparative Physiology B等发表SCI论文30余篇。

通讯作者简介

通讯作者：王德华，中国科学院动物研究所研究员，国家杰出青年基金获得者，中国科学院特聘研究员，中国科学院动物研究所农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室副主任。主要研究领域是动物生理生态学，关注野生动物对变化环境的生理适应调节、分子产热和体重调节、取食行为的神经内分泌机理和生态免疫学等。兼任《兽类学报》主编，国际SCI 期刊 Journal of Animal Ecology 副主编，Hormones and Behavior、Journal of Experimental Biology、Journal of Thermal Biology、Journal of Experimental Zoology A、Integrative Zoology等国际期刊的编委。在国内外核心期刊发表论文160余篇，其中SCI收录90余篇，参与编写著作多部。

作者主页：http://sourcedb.ioz.cas.cn/zw/zjrc/200907/t20090716_2088459.html

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