大熊猫天天吃素，为啥还这么胖？魏辅文院士团队揭示肠道菌群在其中的作用

来源 | 丁香学术 

       大熊猫 ，在分类学中，被划入食肉目、熊科，具有典型的肉食性消化系统。生来不是吃素的大熊猫，现如今的食谱中几乎全部都是竹子。 那大熊猫是如何用吃肉的肠胃来消化竹子的呢？

       魏辅文团队的前期研究表明，大熊猫肠道微生物中的梭菌类群可以消化竹子中的纤维素与半纤维素。并且，随着秦岭大熊猫「春末夏初吃竹笋，其他季节吃竹叶」的季节性饮食转变，大熊猫肠道微生物的组成也会发生相应变化。 竹笋含有更多的有效碳水化合物和蛋白质，而竹叶中含有大量的半纤维素和纤维素。竹笋和竹叶的脂肪含量均较低，然而天天吃素的大熊猫依然是胖乎乎的，其中的奥秘究竟是什么呢？ 2022 年 1 月 19 日，中国科学院动物研究所 魏辅文 院士团队在  Cell Reports 期刊发表了题为： Seasonal shift of the gut microbiome synchronizes host peripheral circadian rhythm for physiological adaptation to a low-fat diet in the giant panda  的研究论文。 在这项研究中，研究团队确定了 肠道微生物群在帮助大熊猫适应低脂饮食中的生理意义，为更好地了解肠道微生物群与大熊猫宿主之间的相互作用，深入理解宿主-微生物共同进化，以及保护和管理这一濒危物种至关重要。 丁酸梭菌可能导致大熊猫的体重显著增加 

       尽管之前的宏基因组研究报告了大熊猫肠道微生物群的季节性波动，但目前还没有关于其肠道菌群的功能学研究，也没有研究肠道菌群在不同饮食季节对宿主机体组成的影响。 为了探索肠道微生物群的实际功能，本研究从长期监测的秦岭大熊猫种群中选取了一组健康的野生大熊猫，分别采用宏基因组学和宏蛋白质组学技术对其食叶季节 （n=14） 和食笋季节 （n=15） 的肠道菌群进行了系统研究。通过对宏基因组测序得到的 4,145,018 个基因进行序列分析，建立了一个宏蛋白质组数据集；在粪便样本中共鉴定出 6,322 个蛋白，其中 1,054 个蛋白表现出显著的季节性差异。

       宏基因组的深入分析发现，一种生产丁酸盐的微生物——丁酸梭菌 （C. butyricum） 在大熊猫食笋期的含量显著高于食叶期；同时，对食笋期粪便中短链脂肪酸 （SCFAs） 的分析发现，食笋期粪便中丁酸盐和乙酸盐的含量明显高于食叶期。  

       粪菌移植小鼠在微生物群落组合和体型上表现出与大熊猫相似的季节性差异 为了研究大熊猫肠道微生物菌群组成的季节性变化对体重和个体生长的影响，该团队将野外收集的熊猫粪便移植到无菌小鼠身上。然后，他们用竹子为基础的食物喂老鼠，这些食物模拟了大熊猫三周的饮食。研究人员发现，主成分分析结果显示，移植了吃叶季节大熊猫粪便的小鼠 (简称 LFMT 组) 和移植了吃笋季节大熊猫粪便的小鼠 (简称 SFMT 组) 的肠道菌群存在明显差异；此外，SFMT 组比 LFMT 组体重明显增加，脂肪也更多，尽管它们摄入的食物量相同。  

      之后，他们检测了小鼠体内丁酸梭菌的相对丰度。结果发现，与移植了吃叶季节大熊猫粪便的小鼠相比，移植了吃叶季节大熊猫粪便的小鼠组的丁酸梭菌的丰度在各时间点均显著较高，这与吃笋季节大熊猫体内丁酸梭菌数量的增加相一致。  

       然后他们预测了小鼠肠道微生物的代谢功能。与大熊猫肠道微生物群功能的季节性变化相一致，LFMT 和 SFMT 小鼠肠道的糖酵解、嘌呤代谢、嘧啶代谢、淀粉和蔗糖代谢以及 ABC 转运蛋白途径均存在显著差异。这些结果表明，LFMT 和 SFMT 小鼠的肠道微生物组成和脂肪储存存在差异，与大熊猫肠道组合和体重积累的季节变化相一致。同时，这也表明粪便移植为研究大熊猫肠道微生物群的功能提供了一种可行且有效的方法。

       宿主体内的脂质代谢的差异 为了评估粪便移植后大熊猫肠道菌群对小鼠代谢的影响，他们对小鼠最重要的代谢器官肝脏进行了非靶向代谢组学分析。他们从结构上共鉴定了 1,032 种代谢物，组间肝脏代谢物含量存在显著差异。粪便移植小鼠的维生素和胆汁酸的浓度高于对照组小鼠，这表明肠道微生物为宿主提供了必要的营养元素。此外，142 个代谢物在 LFMT 和 SFMT 组之间有显著差异，主要与甘油磷脂代谢、鞘脂代谢和亚油酸代谢有关。

       丁酸能够影响关键生物节律基因的表达和磷脂代谢 为了全面探讨循环磷脂代谢的调节过程，他们研究了肝脏和肾脏这两个参与脂质代谢和循环的重要外周器官的基因表达模式。与对照组相比，粪便移植小鼠组肝脏和肾脏中差异表达的基因主要富集在 PPAR 信号通路、花生四烯酸代谢、类固醇激素生物合成等通路，说明肠道菌群诱导了大量与脂质代谢相关的宿主基因表达模式的显著改变。 LFMT 和 SFMT 组在生物节律、醛固酮合成和分泌、类固醇激素生物合成和皮质醇合成和分泌等 11 个通路中存在显著差异。其中，高度保守的生物节律核心基因 Arntl、Per2 和 Cry1 在肝脏或者肾脏中具有差异表达。 

       接下来，他们发现，SFMT 小鼠的丁酸浓度显著高于对照组 LFMT 小鼠，这与观察到的大熊猫粪便中丁酸水平的季节性波动相似。同时，与之前的研究结果一致，SCFAs 的引入也导致了节律基因表达模式的显著变化，小鼠粪便中丁酸水平与节律核心基因 Arntl、Per2 和 Cry1 呈现显著正相关，这表明微生物源丁酸盐可能会改变生物节律。其代谢产物丁酸盐还可以上调昼夜节律基因 Per2 的表达，后者可增加脂质合成和储存。因此，大熊猫肠道微生物群的季节变化与宿主的生物节律同步，从而调节了脂质代谢。

       综上所述，该研究的结果表明，大熊猫肠道微生物群中的季节性波动可以通过微生物源丁酸盐基因和生物节律基因之间的交互作用来同步宿主的代谢功能，这些相互作用可以弥补某些季节时食物中必需营养磷脂的缺乏，以维持宿主的肝脏健康和个体生长，强调了季节性肠道微生物群在维持宿主的生理健康和健身中发挥的重要作用。

       在本研究中，粪便移植受体小鼠与大熊猫的生理结果趋同，微生物菌群组成相似，这为研究濒危哺乳动物肠道微生物群自然进化的生理意义提供了良好的模型。因为对于濒危和脆弱的野生动物，科学家们并不能直接对它们进行实验。 本研究第一作者、中国科学院动物研究所的黄广平说：「我们的研究发现，在大熊猫以竹笋为主要食物的季节，肠道中的 丁酸梭菌 会更加富集。这让大熊猫对竹笋中的粗纤维降解消化更加充分，产生了更多的丁酸盐， 这跟大熊猫在食笋期体重显著增加的现象相匹配，证明食笋期是大熊猫补充能量和营养物质的关键时期。 」 「野生动物宿主表型和肠道菌群的因果研究才刚刚开始，确定哪些细菌对动物有益是非常重要的，因为也许有一天我们能够用益生菌治疗一些疾病。」  

       黄广平补充说到。 本研究共同通讯作者，中国科学院院士魏辅文说：「我们的研究首次建立了珍稀动物粪菌移植小鼠研究模型，探讨了大熊猫对高纤维低脂类食物的适应性演化的分子机制，为非模式动物与其肠道微生物的互作机制研究提供了重要参考，同时也将非模式动物肠道微生物与宿主表型之间的关联分析推向了因果关系解析。」