有蹄类动物肠道微生物季节性变化机制获揭示

哺乳动物肠道微生物组是调节生态互作的关键媒介。中国科学院新疆生态与地理研究所研究员杨维康团队在帕米尔高原开展三种有蹄类动物肠道微生物多组学研究，基于冬、夏两季采集的72份新鲜粪便样本，整合了植物DNA宏条形码、16S rRNA基因测序、宏基因组鸟枪测序及非靶向代谢组学数据，系统分析季节性营养瓶颈对宿主-微生物组互作的调控效应。近日，相关研究成果发表于《宏组学》。

据悉，在自然界中，同域分布的食草动物通常通过食性、时间和空间维度上的生态位分化，来缓解种间竞争压力。已有研究证实，精细尺度的肠道微生物特化有利于大型食草动物的生态位分离。但现有研究大多聚焦于食物丰沛的温暖季节，往往忽略冬季这一极端的营养瓶颈期，在严苛的营养胁迫和极寒条件下，肠道微生物的可塑性究竟如何维持同域有蹄类动物的稳定共存机制尚不明确。

帕米尔高原是全球环境最极端的区域之一，有蹄类动物夏季食物资源相对丰富，冬季则极度匮乏，强烈的季节性环境梯度为探究其肠道微生物可塑性的极限提供了天然的实验场所。该区域栖息着盘羊、北山羊和岩羊三种牛科有蹄类动物，表现出清晰的空间生态位分化：盘羊偏好开阔的高山草甸，而北山羊和岩羊则利用崎岖的悬崖生境。气候变化与冬季食物匮乏威胁其生存。这三种有蹄类动物能够长期稳定共存，极有可能得益于肠道微生物组介导下增强的食性分化。

三种有蹄类动物冬夏两季食性与肠道微生物的组成及多样性差异。课题组供图

研究团队首先对比了冬夏两季三种有蹄类动物食性与肠道菌群的组成与多样性变化。结果显示，其食性组成具有高度物种特异性，物种间共享食物占比极低（夏季4.7%，冬季7.1%；）。与之鲜明对比的是，它们之间维持着规模庞大的肠道微生物“核心群落”（夏季共享58.0%，冬季提升至69.0%）。

在食物匮乏的冬季，尽管宿主和季节间肠道微生物α多样性的变异幅度有限，但整体呈上升趋势。β多样性分析清晰揭示了微生物群落结构的深层变化，食物组成在宿主和季节间均保持着显著分化。同时，基于Pianka指数的食性生态位宽度结果表明，相较于夏季（重叠度：0.48–0.58），冬季三个物种的食性资源分配进一步分化，种间重叠度降至0.41–0.47。

个体食性宽度的扩大，而种间生态位重叠度反而降低，这一看似矛盾的现象呈现出经典的适应性策略——在食物资源极度匮乏时，不同物种通过差异化的觅食偏好，减缓种间竞争。

研究团队采用Procrustes分析解析食性与肠道微生物之间的联系，结果显示食性与肠道微生物群落存在极显著耦合关系（冷季：p = 0.0001；暖季：p = 0.0003）。通过偏Mantel检验进一步表明，肠道微生物和食物组成属于“平行变化”，共同受到宏观环境和宿主过滤效应的制约。即便如此，特定的“食性-微生物”协同模式具备强烈的环境依赖性。例如冬季食性与毛螺菌科和疣微菌科的丰度显着相关，说明具有季节优势的植物类群与特定细菌存在高度宿主特异性的结合。

三种有蹄类动物肠道微生物不仅在组成上发生改变，在功能和碳水化合物活性酶上也展现出高度特异性。夏季岩羊显著富集鞘脂和卟啉代谢，盘羊则上调了α-淀粉酶以适应富含淀粉的蔷薇科植物。冬季岩羊甘油磷脂代谢显著富集，有助于在极寒下调节细胞膜流动性，而北山羊肠道内显著富集了木聚糖酶，专门用于分解其大宗食物麻黄科植物中复杂的木质纤维素基质。上述肠道微生物以及代谢功能在种间和季节间的变化，反映出宿主针对特定食性和严酷环境的代谢适应。

研究团队对组间差异显著细菌属与代谢物的相关性分析发现，冬季帕米尔盘羊粪便中的核黄素（维生素B2）含量高出2.3倍，且与特定瘤胃球菌丰度呈强正相关。这有助于缓解冬季枯草中维生素摄入不足的劣势。冬季北山羊肠道中短链脂肪酸显著增加（如丁酸浓度升高1.8倍），为宿主在食物质量下降时提供了宝贵的能量平衡支撑。

基于多组学的关联分析结果提示，微生物代谢物可能在严冬为宿主构筑了一张重要的“营养安全网”。研究表明，在极端高寒环境下，动物食性宽度的拓宽与肠道微生物特化、代谢物变化之间存在着精妙的多维度协同关联。这一发现丰富了传统的宏观生态学认知，凸显了在探讨物种同域共存议题中，微观层面肠道微生物群落特征的重要参考价值。