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肠道中的“蝴蝶效应”—非优势肠道菌柠檬酸杆菌促进鱼体的能量贮存


      “一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风”,这便是经典的“蝴蝶效应”,用以说明初始条件十分微小的变化经过不断放大,对其未来状态会造成极其巨大的差别。在社会活动、大气环流等复杂的非线性系统中,“蝴蝶效应”已被发现是非常常见的现象。

      肠道菌群以及肠道菌群与宿主的互作是一个复杂的生态系统,但大量研究者往往重点关注肠道优势菌的功能和作用,并将某种菌在肠道菌群中是否具有优势地位作为其是否发挥重要功能的主要判据之一。那么,作为一个复杂系统,非优势菌在肠道菌群生态中是否也会发挥“蝴蝶效应”而显著影响菌群功能呢?近日,lovebet体育杜震宇教授、张美玲教授课题组在国际微生态权威期刊mSystems(IF 6.5)上刊文报道,一种在罗非鱼肠道内的非优势菌(柠檬酸杆菌)可以通过影响鱼肠道的整体菌群从而影响罗非鱼的能量收支平衡和脂肪沉积,从而证实非优势菌群在肠道微生态平衡中的重要性。

      在大自然中,有效的能量获取与储存机制对于动物的生存至关重要,而脂肪作为能量储备的“粮草”,可以增加动物体在食物短缺期间的存活率。从这个角度来说,从饮食中获取更多的能量并以脂肪的形式储存在体内,是大部分动物在自然环境中的一种生存适应策略。

      近年来的研究发现,哺乳动物的肠道微生物与宿主的营养代谢密切相关。与正常小鼠相比,无菌小鼠从食物中获取的能量效率非常低。但是,肠道菌群参与宿主能量储存这一现象是哺乳动物独有的还是一种在进化上保守的跨物种生物学特征?近年来并无定论。相比于哺乳动物,鱼类进化地位低,生活环境和陆生动物迥然不同,其肠道微生物的组成与哺乳动物也大不相同。若也能在鱼类中发现肠道菌促进宿主能量储存的证据,无疑具有重要的生物学普遍意义。

      在近年的研究中,LOVEBET体育APP水生动物营养与环境健康实验室杜震宇、张美玲课题组首先从罗非鱼肠道中分离到一株能够利用大豆油作为主要碳源的细菌(S1)。16S rRNA基因测序结果显示,该细菌属于弗氏柠檬酸杆菌。进一步研究表明:高脂饲料饲喂可以在罗非鱼肠道中提高弗氏柠檬酸杆菌属的丰度,但是高通量测序结果却表明即使在高脂饲料饲喂组,该菌属在罗非鱼肠道中也并不是优势细菌。然而,更深入的研究发现,就是这样一个看似丰度不高的微生物,却可以在鱼肠道中掀起一场大风暴,最终影响鱼体的能量收支与脂肪沉积。具体研究过程与主要结果如下:


1.S1菌从哪里来?

课题组以高脂饲料饲喂尼罗罗非鱼8周,之后在罗非鱼肠道微生物的底物特异性筛选中发现一株可以显著降解油脂的细菌,通过系统进化分析,该菌(S1)属于柠檬酸杆菌属(见图1)。

图1 S1进化地位分析

2.S1菌在鱼肠道中的丰度如何?

      为了研究该菌的生物学效应,课题组将它以一定浓度添加到对照饲料和高脂饲料中(CON组:对照饲料投喂;CONB组:对照饲料+ S1细菌;HF组:高脂饲料;HFB组:高脂饲料+ S1细菌),饲喂罗非鱼8周。然后对四个处理组罗非鱼肠道中的柠檬酸杆菌丰度进行定量分析,结果表明:高脂饲料组的柠檬酸杆菌的种群水平较对照组显著增加,说明高脂饮食有助于提高柠檬酸杆菌属细菌在体内的丰度(图2)。此外,与HF组相比,S1菌株的添加显著地增加了HFB组柠檬酸杆菌属的丰度。但是,进一步的高通量测序结果却显示,该菌在鱼肠道中并不是优势菌群。(图2, 图3)

图2 柠檬酸杆菌属在对照、对照加菌、高脂和高脂加菌组中的绝对定量

图3 罗非鱼肠道微生物的组成情况


3.S1菌会让摄入高脂饲料的罗非鱼更胖吗?

      课题组发现,HFB组与其他组相比,体脂含量显著增加。同时,结果表明,高脂摄入可以造成罗非鱼肝脂含量的显著增加,但是S1细菌的添加并没有进一步造成肝脏脂含量的显著差异。然而,当高脂饲料与S1细菌联合施用时,鱼体的腹腔脂肪增多,脂肪细胞也更大,表明S1菌促进了鱼类对饲料脂肪的获取,并将其储存于腹腔脂肪组织中(图4)。

图4 S1添加增加罗非鱼腹腔脂肪沉积和脂肪细胞体积

4.S1菌为什么会让高脂饲喂的罗非鱼更胖?

      课题组通过油脂灌喂实验发现, 高脂饮食中添加S1细菌会提高脂转运相关基因mgat2和Apob的表达水平,并最终增加肠道对食物甘油三酯的吸收和转运效率(图5)。进一步的FITC标记葡聚糖-尤斯室测定表明,无论是在体实验还是肠道细胞实验,S1细菌的添加还增加了罗非鱼的肠道通透性(图6)。这些说明,增加罗非鱼肠道对摄入脂肪的吸收率是S1细菌促进鱼体脂肪沉积的主要原因。

图5 S1 添加增加鱼体甘油三酯的吸收和转运的效率

图6 罗非鱼肠道通透性检测

5.高脂加S1菌组的代谢表型是S1的直接效应还是由整体菌群变化引起?

      高通量测序结果表明,即便在饲料中加入S1菌进行投喂,该菌也并不能成为罗非鱼肠道的优势菌种,但它却显著改变了鱼肠道的整体微生物组成。因此,课题组推测高脂加菌组所导致的罗非鱼脂肪沉积表型是由于S1引发的整体菌群变化所引起的。为了验证这一假说,课题组将不同处理的罗非鱼肠道微生物移植至无菌斑马鱼肠道中,并检测无菌斑马鱼脂肪沉积情况(图7),结果发现高脂加菌组的肠道菌群的确增加了无菌斑马鱼的腹腔脂肪沉积,从而证实其通过肠道整体菌群的调节来促进脂肪沉积的微生态学机制。

图7 无菌斑马鱼接种S1以及罗非鱼肠道微生物以后,腹腔脂肪染色结果


划重点!

1.筛选出的S1细菌属于柠檬酸杆菌属,并非鱼类肠道优势菌属;

2.高脂饮食有助于柠檬酸杆菌属细菌在鱼肠道内的增殖;

3.高脂摄入与S1细菌的单独和联合作用均会影响鱼肠道微生物的组成;

4.高脂饲料中添加S1细菌会促进罗非鱼肠道对甘油三酯的吸收和转运效率,增加肠道通透性,加剧摄入脂肪在腹腔中的积累;

5.将饲喂高脂饲料+S1细菌的罗非鱼肠道微生物接种至无菌斑马鱼后,可以促进无菌斑马鱼积累更多的腹腔脂肪,重现罗非鱼的代谢表型。


      本研究系统地分析了一株鱼肠道微生物对于鱼体脂肪沉积的影响,首次发现肠道菌群在高脂饲料诱发鱼类脂肪沉积中的促进作用,从而证实肠道菌群调控宿主能量储存是一种的跨物种的保守机制。此外,该项研究还打破了肠道菌群研究中关注优势菌属的传统观念,提示研究人员在研究肠道菌群对宿主能量代谢的影响时,非优势菌引发的“蝴蝶效应”不容忽视。

      本工作由杜震宇、张美玲教授设计开展并完成论文撰写,实验工作由孙玉红、盛怡、李淼、谭芳四位硕士在2014-2019五年间接力完成。该工作得到“蓝色粮仓”国家重点研发项目(2018YFD0900400)和国家自然科学基金面上项目(31672668)的支持。


论文引用信息:

Zhang ML, Li M, Sheng Y, Tan F, Chen LQ, Cann I, Du ZY (2020) Citrobacter spp. increase energy harvest by modulating intestinal microbiota in fish: nondominant species play important functions. mSystems 5:e00303-20. DOI:10.1128/mSystems.00303-20.


论文下载网址:

https://msystems.asm.org/content/5/3/e00303-20