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马德华团队揭示洞穴金线鲃属鱼类肠道微生物进化奥秘
 

2022年3月14日,lol职业比赛下注平台马德华(Madhava)课题组,在微生物学领域期刊《Frontiers in Microbiology》正式发表题为“Adapting to novel environments together: evolutionary and ecological correlates of the bacterial microbiome of the world’s largest cavefish diversification (Cyprinidae,Sinocyclocheilus)”的研究论文。该研究发现金线鲃属鱼类拥有组成多样化的肠道微生物群,这种新奇性是其应对不同自然环境而产生的一种宿主适应。

动物的胃肠道中存在着数量庞大的微生物群落,它们与宿主之间形成了一种微妙的共生关系,影响着宿主的许多重要方面,如免疫功能、营养吸收、发育和行为。同时,肠道菌群的组成是一种动态平衡,会主要受到来自宿主方面、饮食以及环境这三大类的影响。金线鲃属鱼类拥有世界上最大的洞穴鱼类多样性,其广泛的地理分布、多样的形态差异以及特殊的生活环境被研究人员认为是一个新兴的进化模式系统。然而我们对这种鱼类如何应对黑暗环境中匮乏的能量来源仍知之甚少,从其肠道菌群着手也许能为这一问题的解决提供部分见解。以往对鱼类肠道微生物的研究往往是破坏式采样,即解剖得到鱼的全肠或部分肠道。但这种采样方式限制了去了解肠道菌群动态变化的可能,更不适用于数量稀少、具有保护意义的洞穴鱼类。因此,Madhava团队对圈养前后金线鲃的排泄物进行采样,并使用16s高通量测序技术处理样本,以探讨金线鲃肠道菌群与其宿主进化、生态以及生活环境的相关性。

在这项研究中,马德华团队花费两年多时间在广西、贵州和云南多地对金线鲃的野外种群进行实地调查,共采集到包括4种系统发育分支(A-D)和3种生境(穴居型、半穴居型和地表型)在内的24个物种(如图1所示),同时采集了13个洞穴的水样并对水中微生物进行提取。采集过粪便样本的个体被带回实验室进行人工饲养,待6个月后对其进行二次采样。随后,对微生物16S rRNA基因的高变区(V3-V4区)进行扩增子测序分析。

研究结果显示,金线鲃属鱼类的优势肠道细菌为变形菌门(Proteobacteria)、梭杆菌门(Fusobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和疣微菌门(Verrucomicrobia),相对丰度分别为57.4%、31.6%、6.1%、2.7%和0.4%。24种金线鲃共同拥有10个ASV(微生物测序分析中引入的分类操作单元),因此它们被认为是金线鲃属鱼类的核心微生物,可能与该属鱼类能够成功地适应洞穴环境有关。结合物种的系统发育信息来看,属于同一系统发育分支内的物种拥有丰度相似的肠道菌群,而属于不同系统发育分支的物种拥有丰度差异较大的肠道菌群,同时这些差异主要体现在变形菌门和梭杆菌门的含量不同(图2)。微生物β多样性分析结果表明,系统发育分支B与系统发育分支C两组之间的肠道菌群较为相似,它们均与系统发育分支A和D组有显著性差异。以往有部分研究指出物种的系统发育关系与其肠道微生物群的相似性关系完全一致或显著相关,并称这种关系为“系统发育共生”。但并没有在金线鲃物种层面上发现这种关系的显著性,而发现其存在于系统发育分支的层级上。从生境角度来看,完全穴居型物种们拥有独特的肠道菌群。有趣的是,部分地表型物种拥有与半穴居物种相似的肠道菌群,该团队通过结合实地考察和地理地貌信息,认为这部分地表型物种区别于生活在云南地区的永久型地表型物种,因而称它们为季节性地表物种。


图1.金线鲃的系统发育关系、肠道菌群组成以及代表性物种图片


研究还发现,金线鲃的肠道菌群部分来源于洞穴水中微生物的定殖。不同洞穴中水理化性质(例如:温度,酸碱度和溶解氧浓度)的不同也一定程度的影响着金线鲃肠道微生物群的组成。在实验室条件下饲养显著地降低了金线鲃属鱼类肠道菌群地多样性,并且圈养前后肠道菌群结构也发生了显著性变化。从细菌门分类水平来看,主要是变形菌门和厚壁菌门数量的下降,以及梭杆菌门和拟杆菌门数量的上升。

由于人类活动造成的金线鲃栖息地的破坏,导致了该属鱼类种群数量急剧下降甚至部分物种灭绝。本研究通过研究金线鲃圈养前后肠道菌群的组成,不仅探讨了其肠道菌群与其宿主进化、生态以及生活环境的相关性,也为今后可能建立的人工繁育基地累积了理论基础。硕士研究生周世鹏为该论文第一作者,马德华为该论文通讯作者。本研究得到广西大学为马德华教授提供的启动资金和广西研究生创新项目(#YCBZ2021008)的支持。

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