魏辅文院士团队揭示全球脊椎动物肠道微生物多样性和抗性组格局

在全球环境变化的背景下，气候变化应对和生物多样性保护是当今社会面临的两大迫切需求。据统计，超过28%的脊椎动物面临灭绝的威胁。脊椎动物的生存很大程度上依赖它们的表型可塑性。除了遗传和表观遗传因素以外，越来越多的证据表明，肠道微生物是驱动宿主表型可塑性的关键因素。近年来，脊椎动物肠道微生物研究已成为热点，相应的数据呈现爆炸式增长。然而，大多数研究只集中在单一或少数物种或类群上，很少对全球脊椎动物的肠道微生物多样性及其影响因素进行综合性评估。再加上，抗生素的广泛使用诱导了耐药性产生。但目前，脊椎动物肠道微生物抗性组也缺乏全球性评估。

近日，兽类学分会理事长、中国科学院动物研究所魏辅文院士团队揭示了全球脊椎动物肠道微生物多样性和抗性组格局及其影响因素，为未来通过合理调控肠道微生物多样性和科学指导抗生素使用以增加脊椎动物的适应性提供了科学依据。

本研究从公共数据库中提取了全球脊椎动物肠道微生物16S rRNA V4区测序数据，经过严格的质控过滤，最终获得452种脊椎动物 (包括哺乳纲、爬行纲、两栖纲、鸟纲和辐鳍鱼纲等) 2202条序列，并收集了迄今为止最为全面的样品信息，包括样品采集地、栖息地类型、环境因子 (温度和降雨)、宿主食性、系统发育关系、濒危等级、野生圈养状态等 (图1A)。从肠道微生物组成来看，厚壁菌门是所有脊椎动物肠道的优势菌群，相比于水生脊椎动物，陆生类群具有更高丰度的拟杆菌门 (图1B)。

图1 全球脊椎动物及其肠道微生物组成概况

本研究比较了不同脊椎动物类群肠道微生物α多样性和β多样性。就α多样性而言，野生和圈养群体存在明显差异，前者显著高于后者 (图2A)。鉴于圈养对肠道微生物多样性的影响，本研究采用野生样本来评估不同因素对肠道微生物多样性的影响。首先发现了不同类群之间α多样性存在显著差异，爬行纲肠道微生物多样性最高，其次是哺乳纲、辐鳍鱼纲，鸟纲最低 (图2B)。不同食性脊椎动物肠道微生物α多样性与先前报道一致，即植食动物多样性最高 (图2C)。宿主濒危等级与肠道微生物多样性的关系尚未被揭示，本研究发现受威胁物种肠道微生物多样性显著降低 (图2D）。水生脊椎动物与陆生脊椎动物相比无显著差异 (图2E)。多元回归矩阵(MRM)分析显示，食性与α多样性相关性最强，即对其变异的解释度最高，而其他因素无显著相关性 (图2F)。

本研究利用MRM模型分析了不同因素与脊椎动物肠道微生物β多样性的相关性。结果显示，宿主系统发育关系、食性、濒危等级、地理分布和环境因子均与β多样性显著相关 (图2G)，其中宿主系统发育关系对其变异的解释度最高，其次是濒危等级 (图2H)，表明宿主与肠道微生物的共演化关系及其对脊椎动物保护的重要意义。微生物群落构建结果显示，不同宿主肠道微生物群落的形成主要受扩散限制等过程的驱动 (图2G)。

图2 全球脊椎动物肠道微生物多样性及其影响因素

野生和圈养脊椎动物肠道微生物组成比较分析发现，圈养群体具有更高丰度的链球菌和埃希氏杆菌 (图3A)，暗示其肠道可能存在潜在的致病菌。因此，本研究进一步收集了全球圈养脊椎动物的宏基因组数据进行抗性组分析，结果发现，圈养脊椎动物肠道宏基因组丰度较高的抗生素耐药基因涉及到β-内酰胺、氨基糖苷和四环素的耐性，这三类药物也是全球用量较高的兽用抗生素 (图3B)。与野生类群相比，尽管圈养脊椎动物宿主系统发育关系、食性、濒危等级和采样地存在差异，但其肠道微生物多样性水平和抗性组结构均无显著差异 (图3C)，表明圈养状态弱化了不同因素对肠道微生物多样性和抗性组的影响。

图3 宏基因组分析揭示圈养脊椎动物肠道微生物抗性组特征

本研究组装获得了丰度前十的细菌基因组，并对其抗性组分析发现，丰度最高的大肠杆菌所携带的耐药基因种类最多，丰度最高。基因组共线性分析发现，人肠道中大肠杆菌与灰颈鹭鸨、岩雷鸟的大肠杆菌和克雷伯氏菌均携带EFM-1耐药基因和可移动元件，且具有较高的序列相似性，暗示耐药基因可能在人和野生动物之间发生水平基因转移。

综上所述，本研究揭示了全球脊椎动物肠道微生物多样性水平和抗性组特征及其影响因素，为理解脊椎动物如何响应环境变化提供了新的视角，将有助于指导脊椎动物物种的保护工作。

该研究成果以“Global landscape of gut microbiome diversity and antibiotic resistomes across vertebrates”为题于2022年5月23日在Science of The Total Environment在线发表。中国科学院动物研究所助理研究员黄广平、博士研究生曲清悦和王勐为共同第一作者，中国科学院动物研究所魏辅文院士为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目和中国科学院B类战略性先导项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.156178