基于糞便組學(xué)的野生哺乳動(dòng)物腸道微生態(tài)研究進(jìn)展

甄軍愛 楊亞昕 朱軼強(qiáng) 任義軍 陳玉清*

(1.南京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇省分子醫(yī)學(xué)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210023；2.江蘇省大豐麋鹿國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理處，大豐，224136)

野生動(dòng)物泛指生存在天然自由狀態(tài)下，或者來源于天然自由狀態(tài)經(jīng)過短期馴養(yǎng)、但還沒有產(chǎn)生進(jìn)化變異的動(dòng)物。2021年最新修訂的《野生動(dòng)物保護(hù)法》提出要保護(hù)、拯救珍貴瀕危野生動(dòng)物，以維護(hù)生物多樣性和生態(tài)平衡[1]。野生動(dòng)物作為國(guó)家珍稀自然資源，可以通過食物鏈維持生態(tài)平衡、維持物質(zhì)循環(huán)(如碳和氮循環(huán))，并促進(jìn)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和漁業(yè)的發(fā)展[2]。然而，由于受到生存環(huán)境的不可控性以及自身生理狀況的影響，野生動(dòng)物正面臨著不可預(yù)知的威脅，例如，進(jìn)食腐敗變質(zhì)的食物可導(dǎo)致動(dòng)物患消化系統(tǒng)疾病的概率增加，細(xì)菌或病毒感染可引起種群內(nèi)大范圍患病等[3-4]。此外，野生動(dòng)物也面臨著疾病跨物種傳播的威脅，如野生動(dòng)物與植物、家畜、人和不同野生動(dòng)物之間的跨物種疾病傳播，對(duì)人類公共健康和野生動(dòng)物保護(hù)都可能構(gòu)成極大威脅[5]。鑒于野生動(dòng)物對(duì)生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展的深遠(yuǎn)意義，加強(qiáng)珍稀野生動(dòng)物的基礎(chǔ)科學(xué)和疾病研究，將對(duì)野生動(dòng)物的種群保護(hù)、疾病監(jiān)控以及野生動(dòng)物與生態(tài)環(huán)境和諧共生等提供更科學(xué)的管理指導(dǎo)。

腸道微生態(tài)由腸道正常菌群及其所生活的環(huán)境共同構(gòu)成，包括腸道微生物群、腸道上皮細(xì)胞和黏膜免疫系統(tǒng)，與動(dòng)物個(gè)體健康密切相關(guān)[6]。腸道正常菌群是腸道微生態(tài)的核心，而腸道上皮細(xì)胞和黏膜免疫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能則對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響很大。腸道菌群最顯著的特征之一是穩(wěn)定性，如果失去平衡則會(huì)誘發(fā)各種腸內(nèi)外疾病[7]。佛羅里達(dá)大學(xué)曾發(fā)起一項(xiàng)名為“生物技術(shù)的生態(tài)、進(jìn)化和保護(hù)科學(xué)”(BEECS)的項(xiàng)目，旨在通過應(yīng)用生物技術(shù)工具來保護(hù)野生動(dòng)物[8]。大多數(shù)野生動(dòng)物活動(dòng)范圍廣泛，人類難以直接接觸，因此難以實(shí)現(xiàn)如家養(yǎng)動(dòng)物或動(dòng)物園動(dòng)物的樣品采集和追蹤研究，脫落的毛發(fā)、糞便等成為野生動(dòng)物研究的重要無損傷材料來源[9]。高通量組學(xué)作為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要內(nèi)容，近年來在人類腸道微生態(tài)與疾病的研究中取得了重大進(jìn)展。基于糞便樣本的組學(xué)技術(shù)已經(jīng)在野生哺乳動(dòng)物研究中得到一定應(yīng)用，顯示出組學(xué)在生態(tài)環(huán)境與野生哺乳動(dòng)物生理及疾病關(guān)系、種群發(fā)展等研究中的廣泛應(yīng)用前景。本研究對(duì)基于糞便的組學(xué)技術(shù)進(jìn)行了概括，重點(diǎn)總結(jié)了微生物組學(xué)和代謝組學(xué)在野生哺乳動(dòng)物研究中的應(yīng)用，以期能推動(dòng)組學(xué)技術(shù)在野生動(dòng)物研究中的發(fā)展，為野生動(dòng)物保護(hù)提供科學(xué)的管理方法。

1 基于糞便的組學(xué)技術(shù)

組學(xué)是對(duì)組成細(xì)胞、組織或生物體的分子進(jìn)行綜合評(píng)估，主要包括宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、脂類組學(xué)和微生物組學(xué)等。不同組學(xué)的研究材料不同，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)和脂類組學(xué)的樣本類型相對(duì)廣泛，血液、組織、細(xì)胞、糞便和腸道內(nèi)容物都可以作為其研究對(duì)象。糞便不僅含有腸道微生物和宿主細(xì)胞及其內(nèi)容物(如蛋白質(zhì)、肽、脂類和代謝物等)，還含有食物、消化產(chǎn)物和攝入的其他物質(zhì)(如藥物和環(huán)境無機(jī)物等)。因此，糞便是腸道微生態(tài)研究的重要樣本，并廣泛用于宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)等組學(xué)分析研究中。

1.1 宏基因組學(xué)

除動(dòng)物細(xì)胞基因組外，動(dòng)物腸道、皮膚和黏膜環(huán)境均定居大量微生物(包括細(xì)菌、真菌、病毒和寄生蟲等)，其遺傳信息的總和稱“微生物組”，也稱為“宏基因組”(metagenome)[10]。宏基因組主要包括全宏基因組和16S rRNA或18S rRNA擴(kuò)增子。全宏基因組通過獲取微生物群體的全部基因組信息，全面揭示微生物的物種、基因組成和功能。16S rRNA基因約為1 500 bp，有9個(gè)可變區(qū)(V1—V9區(qū))，不同的可變區(qū)序列可用于不同環(huán)境中的微生物類群區(qū)分，其中27F/338R(V1—V2)、27F/534R(V1—V3)、341F/785R(V3—V4)、515F/806R(V4)、515F/944R(V4—V5)、939F/1378R(V6—V8)和1115F/1492R(V7—V9)等引物常用于糞便樣品細(xì)菌16S rRNA的擴(kuò)增[11]。

設(shè)計(jì)更通用的16S rRNA基因引物集以盡可能覆蓋微生物群落的研究正在開展中[12]。18S rRNA為真核生物基因，其高變區(qū)為V4和V9，引物對(duì)1391F/EukBr和563F/1132R常被用于V4—V5以及V9區(qū)的擴(kuò)增測(cè)序。基于18S rRNA高變區(qū)的測(cè)序分析，為獲得腸道真菌和寄生蟲組成的信息提供了方法[13]。

1.2 宏蛋白質(zhì)組學(xué)

宏蛋白質(zhì)組(metaproteomics)是微生物群落的蛋白質(zhì)組，指在特定時(shí)間檢測(cè)微生物群落全部的蛋白質(zhì)組成，因此，可以將腸道菌群等微生物群落蛋白的差異表達(dá)與菌群功能聯(lián)系起來，以準(zhǔn)確詮釋菌群功能[14]。宏蛋白質(zhì)組學(xué)綜合應(yīng)用二維電泳或二維液相色譜的分離技術(shù)，結(jié)合各種質(zhì)譜(MS)鑒定技術(shù)開展研究，能有效彌補(bǔ)宏基因組學(xué)不能鑒定微生物表達(dá)產(chǎn)物、不能區(qū)分活躍的、休眠的或死亡的微生物群等不足[15]。宏蛋白質(zhì)組學(xué)與宏基因組學(xué)結(jié)合，能更深入了解腸道微生物群落的功能。糞便、黏液和腸道活檢樣本可用于胃腸道微生物的宏蛋白質(zhì)組分析。由于糞便直接接觸發(fā)炎的腸道，糞便宏蛋白質(zhì)組常用于評(píng)估動(dòng)物腸道炎癥疾病，增加其診斷效用[16]。此外，由于糞便蛋白質(zhì)可能來自宿主細(xì)胞的滲漏、分泌或剝落，或來自微生物群，這些蛋白質(zhì)/多肽對(duì)于某些腸道疾病可能是重要的生物標(biāo)志物[17-18]。因此，糞便樣品的宏蛋白質(zhì)組學(xué)分析可揭示潛在的與宿主動(dòng)物生理或疾病相關(guān)的生物標(biāo)志物，揭示疾病相關(guān)的信號(hào)通路以及參與的微生物類群。

1.3 代謝組學(xué)

代謝組學(xué)(metabolomics)是對(duì)研究生物樣本中的代謝物進(jìn)行全面檢測(cè)和定量測(cè)定，以及生物體受到某種刺激時(shí)引起代謝物發(fā)生的動(dòng)態(tài)變化分析。研究對(duì)象通常是相對(duì)分子質(zhì)量小于1 000的小分子物質(zhì)，包括氨基酸、糖、酮、核苷酸、脂肪酸、有機(jī)酸、共生微生物代謝物和外源性小分子(包括藥物、食品添加劑和農(nóng)藥)，能提供生物體在取樣時(shí)生理或代謝狀態(tài)的重要信息[19]。核磁共振和質(zhì)譜是代謝組學(xué)研究中最常用的分析鑒定技術(shù)。質(zhì)譜通常與色譜技術(shù)聯(lián)用，如GC-MS、LC-MS、CE-MS和SFC-MS等，通過色譜分離提高了質(zhì)譜檢測(cè)的靈敏度[20]。代謝組學(xué)分析方法包括靶向、非靶向和代謝指紋分析[21]。靶向代謝組學(xué)主要對(duì)已知代謝物進(jìn)行多重分析，包括使用標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)待測(cè)物質(zhì)進(jìn)行絕對(duì)定性定量分析，其不足在于物質(zhì)的覆蓋率有限。非靶向代謝組學(xué)是對(duì)整個(gè)代謝組(代謝物已知或未知)進(jìn)行系統(tǒng)、全面地分析，盡可能多地采集代謝物信息，因此具有較為廣泛的物質(zhì)覆蓋率，但最大的缺點(diǎn)是大多數(shù)峰值無法識(shí)別，會(huì)產(chǎn)生假陽性信號(hào)。代謝指紋分析并未鑒定每一種代謝產(chǎn)物，而是將代謝產(chǎn)物的總體特征作為特定代謝狀態(tài)的獨(dú)特模式或指紋[22]。鑒于野生動(dòng)物代謝庫資源的研究基礎(chǔ)不足，目前非靶向代謝組學(xué)在野生動(dòng)物代謝物研究方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2 微生物組學(xué)在野生哺乳動(dòng)物腸道微生態(tài)研究中的應(yīng)用

腸道微生物群是棲息在動(dòng)物宿主腸道內(nèi)的微生物群落，由細(xì)菌、病毒和真菌等微生物組成，它們?cè)趧?dòng)物的消化道中定居，宿主的生活環(huán)境、飲食與腸道微生物群之間相互影響，對(duì)動(dòng)物健康具有重要作用。腸道微生態(tài)不僅涉及微生物，還包括微生物的活動(dòng)區(qū)域，從而形成特定的生態(tài)位；微生物群形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的、互動(dòng)的微生態(tài)系統(tǒng)，能夠在時(shí)間和規(guī)模上發(fā)生變化，并整合到真核宿主的宏觀生態(tài)系統(tǒng)中，對(duì)宿主的健康至關(guān)重要[23]。大量研究表明，腸道微生物群通過影響宿主發(fā)育、消化、行為和免疫系統(tǒng)功能等對(duì)宿主健康發(fā)揮關(guān)鍵作用。基于糞便的腸道微生物組學(xué)分析是野生哺乳動(dòng)物組學(xué)中開展最廣泛的研究，在野生哺乳動(dòng)物腸道微環(huán)境與外界環(huán)境、飲食和疾病的研究中取得很大進(jìn)展，對(duì)野生動(dòng)物的生態(tài)、管理、保護(hù)、繁育和疫病防控等發(fā)揮著積極的作用。

2.1 探究野生與圈養(yǎng)哺乳動(dòng)物腸道菌群的組成與結(jié)構(gòu)差異

腸道微生物菌群對(duì)宿主健康非常重要，微生物菌群的組成變化可能會(huì)增加動(dòng)物的感染易感性，降低對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。放歸自然是野生動(dòng)物種群恢復(fù)和維持瀕危動(dòng)物種群遺傳多樣性的有效策略，因此，探究圈養(yǎng)和野生動(dòng)物種群之間腸道微生物菌群的組成和功能變化，對(duì)于了解野生動(dòng)物的健康狀況非常重要。國(guó)內(nèi)外基于糞便樣品的野生和圈養(yǎng)動(dòng)物腸道菌群的差異分析已在許多野生哺乳動(dòng)物中開展，包括大熊貓(Ailuropodamelanoleuca)[24]、麋鹿(Elaphurusdavidianus)[25]、馬麝(Moschuschrysogaster)[26]、林麝(Moschusberezovskii)[27]、梅花鹿(Cervusnipponhortulorum)[28]、藏野驢(Equuskiang)[29]、狒狒(Papiospp.)[30]、黔金絲猴(Rhinopithecusbrelichi)[31]、川金絲猴(Rhinopithecusroxellana)[32]、獼猴(Macacamulatta)[33]、黑犀(Dicerosbicornis)[34]、巖羊(Pseudoisnayaur)[35]、華北豹(Pantherapardusjaponensis)[36]、東北虎(Pantheratigrisaltaica)[37]和孟加拉懶猴(Nycticebusbengalensis)等[38]，通過研究可以了解動(dòng)物腸道微生物菌群的組成差異、獲得物種腸道核心微生物菌群和腸道微生物菌群功能差異等大量信息。如Ning等[37]利用16S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)分析圈養(yǎng)和野生東北虎種群腸道菌群的組成和功能變化，揭示出厚壁菌門(Firmicutes)、變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)是野生和圈養(yǎng)東北虎腸道細(xì)菌中的3個(gè)共同核心菌門；飲食習(xí)慣不同和環(huán)境差異造成了圈養(yǎng)和野生東北虎種群間腸道細(xì)菌組成的顯著差異，進(jìn)而導(dǎo)致功能的顯著差異；提出野放準(zhǔn)備階段，除考慮東北虎的捕食能力外，還需將腸道微生物菌群的適應(yīng)作為野外放歸的重要準(zhǔn)備工作，以實(shí)現(xiàn)東北虎對(duì)食物和環(huán)境的適應(yīng)性準(zhǔn)備，提高野放的成功率。Guo等[39]采用16S rRNA宏基因組測(cè)序技術(shù)發(fā)現(xiàn)野生和圈養(yǎng)大熊貓的糞便微生物菌群差異顯著，圈養(yǎng)大熊貓糞便細(xì)菌多樣性和功能基因多樣性顯著降低，纖維素降解的功能潛力降低，但淀粉代謝途徑豐富，圈養(yǎng)改變了大熊貓的微生物菌群，被放歸野外后可能無法適應(yīng)野生環(huán)境。除對(duì)腸道細(xì)菌的研究外，Hua等[36]通過18S rRNA高通量測(cè)序技術(shù)比較了人工圈養(yǎng)與野生條件下華北豹腸道真菌菌群的差異，鑒定出野生華北豹特有的真菌門和屬，認(rèn)為圈養(yǎng)與野生華北豹腸道真菌多樣性產(chǎn)生的差異可能是圈養(yǎng)和野生條件下食物豐富度不同所致，研究結(jié)果為華北豹的遷地保護(hù)提供了一定的科學(xué)管理依據(jù)。通過糞便微生物組學(xué)分析可以尋找到圈養(yǎng)與野生動(dòng)物在腸道微生物菌群上的差異，評(píng)價(jià)飲食和生存環(huán)境等多因素對(duì)野生動(dòng)物腸道微生態(tài)的影響，為野生哺乳動(dòng)物的日常管理和圈養(yǎng)野生哺乳動(dòng)物的野外放歸等提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。

2.2 分析野生哺乳動(dòng)物腸道菌群對(duì)氣候、地域的適應(yīng)性調(diào)節(jié)

除了遺傳和飲食外，腸道微生態(tài)還存在其他潛在環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素。野生哺乳動(dòng)物的腸道微生物菌群能對(duì)季節(jié)和飲食的變化迅速做出反應(yīng)，以緩沖季節(jié)性變化對(duì)野生動(dòng)物能量的影響[40-42]。當(dāng)前，對(duì)野生哺乳動(dòng)物腸道菌群的研究涉及在不同季節(jié)、不同氣候特征、不同海拔和不同地域等。如旱季參與纖維發(fā)酵和短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFA)合成的腸道細(xì)菌增加，使墨西哥黑吼猴(Alouattapigra)在能量不足時(shí)，無需改變活動(dòng)方式與活動(dòng)范圍也能維持能量平衡[40]；Baniel等[43]研究了降雨量和溫度對(duì)獅尾狒(Theropithecusgelada)腸道微生物組成的影響，表明獅尾狒腸道微生物組成與降雨量和溫度呈共變模式。腸道微生物的變化是由不同季節(jié)主要食物的差異所驅(qū)動(dòng)：在多雨時(shí)期，腸道菌群主要是專門消化草的纖維素分解/發(fā)酵細(xì)菌；而在干旱時(shí)期，腸道菌群主要是分解植物地下部分淀粉的細(xì)菌；在寒冷和干旱時(shí)期，與能量、氨基酸和脂質(zhì)代謝有關(guān)的細(xì)菌菌群增加，當(dāng)溫度調(diào)節(jié)和營(yíng)養(yǎng)應(yīng)激同時(shí)發(fā)生時(shí)，腸道內(nèi)的發(fā)酵活動(dòng)受到刺激，有助于獅尾狒維持能量平衡，在東非新的高海拔草原棲息地定居。Zhang等[44]對(duì)北京和石首麋鹿保護(hù)區(qū)麋鹿種群腸道菌群進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同地域麋鹿種群的腸道核心菌群組成相似，但相對(duì)豐度和多樣性差異顯著，認(rèn)為差異主要源自不同保護(hù)區(qū)內(nèi)麋鹿食物的變化，提出在遷地保護(hù)過程中應(yīng)考慮食物變化對(duì)麋鹿腸道菌群的影響。生活在青藏高原極端環(huán)境中的動(dòng)物，常受到低壓缺氧、低溫和高強(qiáng)度紫外線的照射，Ma等[45]發(fā)現(xiàn)青藏高原高海拔的藏羚羊(Pantholopshodgsonii)、藏野驢和藏綿羊(Ovisaries)具有相似的腸道微生物組成，表明它們的腸道微生物群可能適應(yīng)了高海拔。生活在不同海拔(>3 000 m和<500 m)獼猴種群的腸道菌群在多樣性、組成和功能方面也與低海拔種群有顯著差異[46]，如高海拔種群以厚壁菌門和瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)為主，低海拔種群以擬桿菌門(Bacteroidetes)和普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)為主，這可能是由宿主飲食、環(huán)境溫度和氧氣壓力的差異引起，分化的腸道微生物可能在獼猴對(duì)高海拔環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)化中發(fā)揮關(guān)鍵作用。翟子豪等[47]發(fā)現(xiàn)峨眉山藏酋猴(Macacathibetanathibetana)和黃山藏酋猴(M.t.huangshanensis)的腸道菌群組成和多樣性存在較大差異，且峨眉山藏酋猴腸道存在一定豐度的傳染性致病菌，這可能與兩地藏酋猴食物組成、生態(tài)旅游的管理模式差異密切相關(guān)。Gaona等[48]對(duì)長(zhǎng)鼻蝙蝠(Leptonycterisyerbabuenae)2個(gè)地理隔離種群(分別位于墨西哥中部和墨西哥太平洋地區(qū))的糞便微生物組進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由于地理隔離和食物資源的差異，2個(gè)種群的微生物組發(fā)生了顯著差異。哺乳動(dòng)物通過母體產(chǎn)道出生時(shí)首次獲得腸道微生物，隨后在外源食源、水源及周圍環(huán)境的影響下，腸道微生物多樣性逐漸增加，并隨著生境等的改變，腸道微生物的組成也發(fā)生了相應(yīng)的變化[49]。因此，野生哺乳動(dòng)物腸道微生物在一定程度上影響選擇條件下的宿主表型，也影響宿主的進(jìn)化軌跡。

2.3 腸道菌群與野生哺乳動(dòng)物健康和疾病的研究

近年來，人類腸道菌群改變與疾病的關(guān)系[50]以及腸—腦軸[51]、腸—肝軸[52]和腸—肺軸[53]研究取得的進(jìn)展，為野生哺乳動(dòng)物相關(guān)疾病的研究提供借鑒。當(dāng)前，包括林麝[54]、長(zhǎng)頸鹿(Giraffacamelopardalis)[55]、北平頂猴(Macacaleonina)[56]、川金絲猴[57]、野豬(Susscrofamoupinensis)[58]和食蟹猴(Macacafascicularis)[59]等多種野生哺乳動(dòng)物腸道微生物組與腹瀉關(guān)系的研究已有報(bào)道。腹瀉是一種常見的動(dòng)物腸道疾病，研究腹瀉野生哺乳動(dòng)物的腸道微生態(tài)對(duì)認(rèn)識(shí)腹瀉病因與發(fā)展具有特殊的意義。Li等[54]發(fā)現(xiàn)腹瀉林麝腸道存在顯著不同的腸道菌群結(jié)構(gòu)，且多樣性顯著降低；鑒定出大腸桿菌(Escherichiacoli)、志賀氏菌(Shigella)和梭桿菌屬(Fusobacterium)與腹瀉輕重程度相關(guān)，認(rèn)為盲目使用抗生素可能殺死益生菌，加劇微生物群失衡進(jìn)而加重腹瀉，使用益生菌的輔助治療對(duì)林麝腹瀉的治療可能更有益。金潔等[56]采集健康和腹瀉北平頂猴的糞便分析腸道菌群的結(jié)構(gòu)以及腹瀉過程中腸道菌群的動(dòng)態(tài)變化，顯示腹瀉個(gè)體腸道菌群多樣性顯著降低，腸道菌群組成與豐度也有顯著差異，一些細(xì)菌門或?qū)儇S度的變化可能是北平頂猴腹瀉的重要因素之一。Zhu等[57]發(fā)現(xiàn)腹瀉川金絲猴的腸道微生物群與健康猴不同，其中擬桿菌屬(Bacteroides)豐度減少了45%；腹瀉個(gè)體腸道微生物結(jié)構(gòu)與豐度的變化伴隨著微生物功能的變化，影響全身代謝狀態(tài)，病原體和吸收不良是導(dǎo)致川金絲猴腹瀉的主要原因。

除腹瀉外，Krynak等[60]基于16S rRNA分析患有心臟病的西部低地大猩猩(Gorillagorillagorilla)的糞便微生物，發(fā)現(xiàn)患病和不患病大猩猩在腸道細(xì)菌組成上存在差異。患病個(gè)體中擬桿菌門、螺旋體門(Spirochaetes)、變形菌門和厚壁菌門等心臟病重要標(biāo)志性細(xì)菌門的豐度發(fā)生變化，初步揭示了大猩猩心臟病與腸道菌群的關(guān)系。慢性消耗性疾病(chronic wasting disease，CWD)是一種致命的、具有傳染性的神經(jīng)退化性朊病毒病，影響自由放養(yǎng)和圈養(yǎng)的白尾鹿(Odocoileusvirginianus)、黑尾鹿(Odocoileushemionus)、馬鹿(Cerveselaphuselaphus)和駝鹿(Alcesalces)等鹿科(Cervidae)動(dòng)物的健康，Minich等[61]發(fā)現(xiàn)患CWD的白尾鹿腸道微生物組成與健康鹿顯著不同，腸道中RF39、LachnospiraceaeUCG-10和Akkermansia顯著增加，這些為后續(xù)進(jìn)一步闡明鹿科動(dòng)物腸—腦軸與CWD發(fā)病機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

3 宏蛋白質(zhì)組學(xué)在野生哺乳動(dòng)物腸道微生態(tài)研究中的應(yīng)用

盡管基于糞便的微生物組學(xué)分析可以獲得相關(guān)個(gè)體腸道生態(tài)和適應(yīng)性進(jìn)化的重要信息，但這些基于基因組的方法僅能預(yù)測(cè)潛在的功能，而糞便蛋白質(zhì)組學(xué)能準(zhǔn)確詮釋哺乳動(dòng)物腸道微生物與動(dòng)物宿主的直接功能，獲得更多哺乳動(dòng)物行為、生理學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育信息，并可作為生物標(biāo)志物深入揭示一些疾病的機(jī)制。少數(shù)家養(yǎng)哺乳動(dòng)物，如狗和貓的糞便蛋白質(zhì)組學(xué)已有研究報(bào)道，Cerquetella等[62]對(duì)健康狗和患有食物反應(yīng)性腹瀉狗的糞便蛋白質(zhì)組比較研究發(fā)現(xiàn)，免疫球蛋白J鏈亞型1為患病狗糞便中特有的蛋白質(zhì)，推測(cè)可能產(chǎn)生于免疫系統(tǒng)的激活或者黏膜損傷。

野生動(dòng)物糞便蛋白質(zhì)組學(xué)研究起步很晚，Tsutaya等[63]基于糞便蛋白質(zhì)組學(xué)比較不同階段(嬰兒、幼年和成年)的圈養(yǎng)日本獼猴(Macacafuscata)宏蛋白質(zhì)組，評(píng)價(jià)個(gè)體、食物與糞便蛋白質(zhì)組的關(guān)系，認(rèn)為糞便蛋白質(zhì)組學(xué)能有效反映日本獼猴哺乳期和斷奶期的飲食變化，揭示食物起源并評(píng)估腸道內(nèi)的生理狀態(tài)。因此，未來需要加大野生哺乳動(dòng)物糞便蛋白質(zhì)組學(xué)研究，深化腸道微生物組功能和腸道生理的探究，推動(dòng)野生哺乳動(dòng)物疾病標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)野生哺乳動(dòng)物疾病診斷和治療進(jìn)展。

4 微生物組-代謝組整合在野生哺乳動(dòng)物腸道微生態(tài)研究中的應(yīng)用

近年來廣泛開展了糞便微生物組與代謝組整合分析(圖1)，以深度解析哺乳動(dòng)物腸道微生態(tài)與飲食、環(huán)境和疾病間的關(guān)系。Gomez等[64]對(duì)40只野生大猩猩的糞便腸道微生物組和代謝組進(jìn)行整合分析，并與采樣期間大猩猩的覓食行為數(shù)據(jù)對(duì)比，揭示出野生大猩猩的腸道微生物組成反映了其生存的外部食物環(huán)境，即覓食生態(tài)，認(rèn)為大猩猩覓食生態(tài)和腸道微生物與食物營(yíng)養(yǎng)成分之間的共代謝相互作用，可能是野生靈長(zhǎng)類動(dòng)物腸道微生物菌群的重要調(diào)節(jié)因子。He等[65]整合腸道微生物組-代謝組分析發(fā)現(xiàn)，東北虎在經(jīng)驅(qū)蟲藥芬苯達(dá)唑和伊維菌素片治療后，腸道菌群和代謝表型發(fā)生了顯著變化，芬苯達(dá)唑和伊維菌素片不僅明顯改變了東北虎腸道菌群組成，而且改變了糞便代謝表型，一些腸道微生物數(shù)量的差異與糞便代謝產(chǎn)物的變化顯著相關(guān)，表明驅(qū)蟲片的使用擾亂了東北虎腸道微生物的豐度水平，同時(shí)改變了東北虎的代謝平衡。Zhen等[66]整合腸道微生物組-代謝組分析春季不同飲食類型對(duì)大豐保護(hù)區(qū)麋鹿腸道菌群和代謝物的影響，發(fā)現(xiàn)同時(shí)攝入飼料和天然植物的麋鹿腸道菌群和代謝物顯著改變，包括更低的菌群多樣性、更多的代謝物變化、增強(qiáng)的適應(yīng)性代謝途徑和代謝物與多種微生物的顯著相關(guān)性，揭示從飼料到天然植物的過渡期顯著影響麋鹿?fàn)I養(yǎng)和免疫，因此，加強(qiáng)早春食物過渡期的管理非常重要。Hua等[36]發(fā)現(xiàn)圈養(yǎng)華北豹的糞便代謝特征與野生華北豹明顯不同，檢測(cè)到圈養(yǎng)華北豹糞便代謝物中的L-蛋氨酸含量顯著高于野生個(gè)體，推測(cè)是華北豹對(duì)圈養(yǎng)的一種適應(yīng)。腸道微生物菌群與糞便代謝物相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)厚壁菌門的細(xì)菌與代謝物呈正相關(guān)，大多數(shù)擬桿菌門的細(xì)菌與代謝物呈負(fù)相關(guān)，如厚壁菌門與N-乙酰基L-丙氨酸、反式肉桂酸酯、L-蛋氨酸和羥基氫醌具有很強(qiáng)的正相關(guān)性；擬桿菌門與脫氧膽酸和胞壁酸呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，研究結(jié)果有助于動(dòng)物園制定更好的圈養(yǎng)豹管理策略。因此，利用糞便的微生物組學(xué)和代謝組學(xué)整合的信息，可以更好地理解腸道微生物組和野生動(dòng)物代謝間的相互作用，闡明環(huán)境、飲食、藥物和疾病等與野生動(dòng)物及其腸道菌群活動(dòng)間的關(guān)系，揭示藥物治療、疾病生理、飲食和環(huán)境變化等對(duì)野生動(dòng)物腸道微生態(tài)與宿主代謝影響的內(nèi)在機(jī)制，并可能尋找到糞便代謝標(biāo)志物用于野生動(dòng)物生理與環(huán)境的檢測(cè)。

圖1 微生物組和代謝組聯(lián)合分析流程

5 總結(jié)與展望

隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展，基于糞便的宏基因組學(xué)在野生哺乳動(dòng)物微生態(tài)研究中得到廣泛應(yīng)用，這些研究從腸道微生態(tài)角度為野生哺乳動(dòng)物生理適應(yīng)、種群歷史、環(huán)境適應(yīng)與行為、健康與疾病等動(dòng)態(tài)研究提供了大量信息。然而，基于糞便組學(xué)的研究結(jié)果仍然存在偏差，因?yàn)橄纼?nèi)的微生物可形成不同的生態(tài)位，包括大腸和小腸能形成截然不同的菌群，消化道管腔內(nèi)和黏膜上的菌群存在差異等[67]，因此，微生物菌群和代謝物并不能完全表征腸道微生物菌群和代謝物[68-69]。另外，代謝組學(xué)在野生哺乳動(dòng)物中的研究報(bào)道雖有所增加，在詮釋野生動(dòng)物對(duì)食物等外界條件變化時(shí)的腸道微生物功能變化與適應(yīng)性進(jìn)化方面取得了部分進(jìn)展，但對(duì)于疾病的代謝組學(xué)以及疾病標(biāo)志物篩選的研究尚無報(bào)道，關(guān)于野生動(dòng)物宏蛋白質(zhì)組學(xué)的研究則更少。由于糞便樣品的易獲得性與無損傷性，使得糞便仍然是開展野生動(dòng)物腸道微生態(tài)研究的主要樣本，在野生哺乳動(dòng)物腸道微生態(tài)研究中具有特殊的價(jià)值。近期，利用組學(xué)(微生物組學(xué)、代謝組學(xué)、金屬組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué))對(duì)野生哺乳動(dòng)物疾病開展研究已有報(bào)道[70]。鑒于不同野生哺乳動(dòng)物在傳染性疾病中的不同作用，以及對(duì)珍稀野生哺乳動(dòng)物疫病研究的重要性，未來利用組學(xué)技術(shù)深入開展野生哺乳動(dòng)物生理與疾病研究，將推動(dòng)對(duì)野生動(dòng)物疾病發(fā)生發(fā)展的認(rèn)識(shí)，有助于疫病防控和國(guó)家珍稀動(dòng)物資源的持續(xù)發(fā)展。