NSR：山东大学王德华等团队合作揭示了啮齿动物的肠道微生物群落结构反映宿主的系统进化关系

宿主系统发育和环境都与哺乳动物肠道微生物群和宿主代谢特征的形成有关。然而，很少有研究同时评估系统发育相关的微生物组装和宿主代谢可塑性以及它们在短期和进化时间尺度上的关系。

2023年7月28日，山东大学王德华、中国科学院深圳先进技术研究院John R Speakma及中国科学院动物研究所张学英共同通讯在National Science Review在线发表题为“Phylogenetic signal in gut microbial community rather than in rodent metabolic traits”的研究论文，该研究表明7种啮齿类动物的肠道微生物枝状图分支顺序与系统发育关系几乎一致，并且这种系统共生模式在各种实验室操作后都是完整的。

实验室饲养、饲料或空气温度(T_a)驯化引起肠道微生物群落的改变，但不能在塑造微生物群落的过程中超越宿主的系统发育。模拟热浪使这些物种的核心微生物群多样性降低了26%，并导致沙漠物种的微生物群与宿主代谢表型之间存在不可比拟的关系。此外，不同时期不同物种间代谢性状的相似性与系统发育距离无关。这些数据表明，肠道微生物组合与宿主系统发育具有很强的一致性，并可能受到环境变量的影响，而宿主代谢特征似乎与系统发育无关。

哺乳动物在不同的环境下依靠调节代谢率来维持其核心体温的相对稳定。经典生态学代谢理论认为，代谢率与体重成正比，呈异速生长关系，尤其受气温(T_a)的影响。虽然体型和代谢率的多样性主要由遗传决定，但哺乳动物表现出代谢可塑性，并受到不同环境的热约束。T_a诱导代谢率的可塑性已被认为是决定种群在变暖世界中灭绝或生存的关键因素。因此，阐明代谢表型的复杂进化机制，使哺乳动物能够适应如此多变、广泛的热环境，对于理解生物多样性分布和预测对气候变暖的反应，特别是对极端温度(如热浪)的反应，具有重要意义。

越来越多的证据表明，哺乳动物的代谢特征是肠道微生物群与其宿主相互作用的结果。最近，在不同的动物类群中发现了一种系统共生模式，即肠道微生物群落可能反映相关宿主物种的系统发育，因此近亲物种可能含有相似的微生物。一种可能的解释系统发育关系的机制是原始微生物群从母亲和密切接触的亲属中垂直传播。除了垂直传播外，实际上还有其他一些机制可以解释宿主系统发育及其肠道菌群特征之间的共变。重要的是，肠道微生物群的大多数(种内)变异都可以通过环境因素来解释，如饮食、T_a和社会互动。肠道菌群可以在个体之间或环境中水平传播。肠道菌群组成的改变伴随着细菌代谢物和神经递质的变化，这可能会调节宿主的生理和行为。因此，一般认为宿主-微生物的关联有助于在可变环境中最大限度地提高宿主的适应性。

不同条件下宿主系统发育与肠道微生物树形图的关系（图源自National Science Review ）

在具有广泛系统发育分支的人类和动物模型中进行的一些研究表明，自然条件下肠道微生物组的遗传决定因素，而其他研究则没有发现这一证据。此外，环境诱导的肠道菌群的变化决定了宿主的表型和适合度，尽管有证据表明宿主的代谢变化是基因变异的结果。因此，宿主系统发育(遗传)和环境变量在影响肠道微生物组装和宿主代谢可塑性方面的相对贡献仍然存在争议。此外，评估功能意义和生理机制的研究通常集中在实验室动物模型或仅针对单一野生物种，因此，如果没有种间比较，几乎不可能预测肠道微生物群和宿主代谢可塑性对变化环境的反应的一般或特定模式。更重要的是，很少有研究同时评估系统发育相关的微生物组装和宿主代谢特征以及它们在短期和进化时间尺度上的关系。

总之，该研究通过现场采样和实验室操作相结合，从短期和进化时间尺度上提供了系统发育和环境对肠道微生物群落和啮齿动物代谢表型的相对贡献的证据。肠道微生物树形图的分支顺序与宿主物种的系统发育关系基本一致，不受环境影响；而宿主代谢特征与系统发育脱钩。模拟热浪导致啮齿类动物核心微生物数量大幅减少，荒漠物种对热浪的反应表现出较少的代谢可塑性，但肠道微生物群多样性的损失更多。这些发现加深了人们对微生物与其动物宿主之间关系的理解，并表明啮齿类动物肠道微生物群的不同变化保留了系统发育信号，但代谢生理学暗示了独立于宿主系统发育的功能趋同。

山东大学生命科学学院的王德华教授、中国科学院动物研究所张学英副研究员和中国科学院深圳先进技术研究院的John R. Speakman院士为文章的共同通讯作者。张学英副研究员和Saeid Khakisahneh博士为文章的共同第一作者。中国科学院动物研究所翟巍巍研究员、刘伟副研究员、程继龙博士和张欣怡博士研究生参与了本项研究。该研究得到了国家自然科学基金委项目和中国科学院B类先导科技专项培育项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad209