论文部分内容阅读
大天鹅（Cygnus cygnus）是一种典型的长距离迁徙鸟类,主要栖息在海滨湿地或者湖泊。大天鹅的迁徙特性致使其具有极其复杂的周年生活史,它们几乎每年都在繁殖区域、迁徙停歇区域和越冬区域之间进行远距离的往返飞行。复杂多样的生存生活环境和不同的选择压力可能导致大天鹅肠道微生物组成复杂多样,因此,大天鹅可以作为动物肠道微生物学理想的研究对象。本研究以大天鹅在中国北方地区的两个典型的越冬地——山东荣成和河南三门峡的粪便为研究对象,采用宏基因组测序技术对其胃肠道菌群多样性、结构和功能进行了比较系统的研究。并与同为鸟纲的黑雁（Branta bernicla）、家鸡（Gallus gallus domesticus）、家鹅（Anser cygnoides domestica）、黑尾鸥（Larus crassirostris）的肠道菌群进行了横向比较,分析了不同动物之间菌群结构构成的差异,并初步探明造成这种差异的生理、生态因素。研究发现,大天鹅粪便微生物中优势菌群主要包括厚壁菌门（Firmicutes）（41.1%）、变形菌门（Proteobacteria）（22.9%）、蓝细菌（Cyanobacteria）（11.5%）,拟杆菌门（Bacteroidetes）（8.7%）、梭杆菌门（Fusobacteria）（6.6%）、放线菌门（Actinobacteria）（5.6%）。通过比较荣成和三门峡两地的样品,我们发现荣成大天鹅的粪便样品中的厚壁菌门平均含量为32%,而取自三门峡样品中厚壁菌门平均含量高达78%。但通过比较大天鹅与栖息地土壤和水样的菌群后,我们发现大天鹅胃肠道菌群结构明显异于环境中的菌群,由此可以推测宿主的生境不同不会导致肠道微生物菌群的群落结构不同,这种差异更可能与饮食有关。另外,蓝细菌广泛存在于荣成的大天鹅粪便样品中,然而在此区域内的北柳村采集的家鸡、家鸭（Anatinae）和黑雁的粪便样品中含量极少,部分样品未检测出。同时,三门峡采集的大天鹅的粪便样品中蓝细菌的含量极低,部分样品未检测出。荣成的大天鹅栖息的浅海水体中含有丰富的蓝细菌,因此,我们推测蓝细菌是因摄食进入体内,最终出现在排出的粪便中。另外,通过与越冬地水体、土壤中菌群进行比较,很明显地可以看出,本研究所测的鸟类肠道菌群组成明显异于水体和土壤中的菌群组成,如厚壁菌门在环境样品（土壤和海水）中含量相比粪便含量显著偏少,所以环境中的微生物群落对肠道微生物的多样性和组成影响不大。通过比较黑雁、家鸡、家鹅、黑尾鸥的肠道菌群,我们发现大天鹅胃肠道菌群在不同分类水平上,皆与这些物种存在差别。综上所述,虽然大天鹅胃肠道菌群的形成受多种因素的影响,但其系统发生地位以及食性是影响大天鹅胃肠道菌群组成的两大重要因素,其中,食性对大天鹅胃肠道菌群的形成具有更为重要的作用。本研究进一步对大天鹅粪便菌群宏基因组进行了初步功能注释,在与其他动物比较后,结合大天鹅自身的生理、生态特征,分析了其肠道菌群潜在的功能。藻类和植物在大天鹅的饮食中占比最高。饮食中植物占比最高的动物有一个不可避免的问题,饮食中存在大量的纤维素、半纤维素等高达60%的植物细胞壁类的成分,这些成分很难被消化吸收。菌类中,有降解纤维素类多糖物质功能的主要是:厚壁菌门中的梭菌目（Clostridiales）,拟杆菌门中的普雷沃氏菌属（Prevotella Shan and Collins）以及螺旋菌属（Heliobacillus）等。本研究在目水平上的结果显示梭菌目是最优势的菌群,因此我们可以推测,大天鹅之所以能够较好地适应粗纤维含量丰富的食物,厚壁菌门中的梭菌目菌群发挥着重要的作用,它能够更好地帮助大天鹅消化粗纤维并引起大量锻炼脂肪酸的产生,以此帮助机体更好地吸收,并获得能量。更进一步地,代谢通路的研究（如KEEG分析）也发现大天鹅肠道菌群参与了脂肪酸的代谢（Fatty acid metabolism）、多糖的代谢（Carbohydratemetabolism）,以及蛋白水解酶（Peptidase）的产生等可以针对植食性进行分解、吸收的生理过程,表现出大天鹅肠道菌群对其食性很好的适应。其他优势菌群如变形菌门也与植物消化有关,变形菌门的许多物种在多种食物分解中具有重要的降解作用,大天鹅胃肠道中含有高丰度的变形菌可能是其应对复杂的饮食的一种策略。拟杆菌也是大天鹅胃肠道中的优势菌群。拟杆菌门细菌具有降解碳水化合物以及蛋白质的功能,并且还能够补充宿主参与降解具有抗性的纤维素,果胶和木聚糖等食物。综上所述,大天鹅之所以能适应其多样化的饮食结构,肠道菌群起到了极其巨大的作用,动物与其肠道菌群是共进化的关系。本研究一共有739个“属”的微生物被鉴定归类,主要包括未分类梭菌属（Unclassified Clostridiaceae）、未分类的木霉（Unclassified Streptophyta）、Turicibacter、乳杆菌属（Lactobacillus）、梭杆菌属（Fusobacterium）、嗜冷杆菌属（Psychrobacter）、未分类的瘤胃菌（Unclassified Ruminococcaceae）、拟杆菌属（Bacteroides）、黄杆菌属（Flavobacterium）、未分类的莫拉式菌（Unclassified Moraxellaceae）、链球菌属（Streptococcus）、鲸杆菌属（Cetobacterium）。鸟类常见的肠道致病菌,如大肠杆菌（Escherichia coli）、沙门氏菌（salmonella）等在所有受检测个体中都不是优势菌群。因此,我们认为,一是肠道菌群一旦在大天鹅成体胃肠道环境中建立,其多样性和结构组成是相对稳定的;二是近年来兴起的大天鹅旅游虽然导致大天鹅与人类及生境内其他家禽动物及野生动物的频繁接触,但是人为喂养并没有导致人及家养动物常见致病菌的引入,可见大天鹅肠道微生物与宿主形成的共生体在对抗外界病原微生物入侵和传播方面拥有自己独特的防御处理系统。因此,本研究的结果能为大天鹅保护、以及指导当地发展大天鹅旅游经济提供理论指导。