论文题目：Thepotentialroleofthegutmicrobiotainshapinghostenergeticsandmetabolicrate

通讯作者：ElleC.Lindsay

发表时间：年8月

发表期刊：JournalofAnimalEcology

DOI:10./-.

摘要

共生微生物群（尤其是存在于肠道中的微生物群）对其宿主的功能具有重要影响。肠道微生物群可以为宿主提供原本无法获得的膳食营养，并允许宿主灵活应对不断变化的环境。一个物种的肠道微生物群落的组成可能会随季节或宿主在环境之间移动（例如洄游鱼类的淡水和海水）而变化。它还可以随着宿主饮食选择、代谢率（或需求）和生命阶段而改变。肠道微生物群落组成的这些变化使宿主能够生活在不同的环境中，适应饮食的季节性变化并在其整个生命历史中保持性能，突出了肠道微生物群的生态相关性。虽然肠道微生物可以支持宿主代谢可塑性，但特定微生物与宿主性能之间关联的因果性质并不总是很清楚，除非使用一定操纵方法。许多研究侧重于通过表征微生物群落组成的相关方法，但现在需要在野生和实验室环境中进行更多的实验研究，以揭示肠道微生物群在影响宿主功能方面的真正作用，包括其承受环境变化的能力。

引言

生态学家已经认识到能量流在构建生态群落中的关键作用，以及种间和种内代谢率变化的重要性，所以人们越来越认识到这样一个事实，即动物的新陈代谢会受到微生物群落的显著影响。肠道“微生物群”本质上是一种生态模式，因为它们彼此相互作用（竞争性和共生性），并与它们居住的宿主（相互和共生）相互作用，且受控于宿主创造的生物物理环境。在单个宿主不同位置发现的微生物群落之间的物种组成和丰度经常存在差异，这是由微生物遇到的微环境的变化所支撑的。例如，在脊椎动物肠道内，细胞更新、分泌物和蠕动的动态都会驱动微生物群落结构的微变化。不同个体的同一宿主内生态位之间也存在显着的微生物多样性。尽管宿主遗传学、饮食、环境和早期接触微生物都被认为有一定的作用，但大多数观察到的个体间多样性尚未得到普遍解释。

微生物共生体被认为影响宿主代谢和生理学的许多方面，因此与生态研究直接相关，因为微生物群的影响会对宿主及其与环境相互作用的方式产生显著影响。微生物与免疫系统相互作用并有助于调节脂肪储存，但它们最直接的作用是通过消化宿主饮食成分或合成氨基酸为宿主提供营养，从而影响宿主的能力争夺稀缺资源。因此，肠道微生物群可以影响宿主的食物同化效率、能量消耗和代谢率（共同包括其能量表型）。通过探索肠道微生物群与宿主生活方式、基因型和环境之间的联系，本文讨论了微生物群对宿主生态的影响。旨在强调对野生动物进行此类研究的多重优势，特别是在这可能提供的生态理解方面，包括深入了解肠道微生物如何在不断变化的环境中支持宿主的能量可塑性。

1.确定微生物群对宿主能量影响的新旧工具

微生物群组成和功能的表征传统上依赖于DNA和RNA测序技术。最常见的是，16SrRNA基因的高通量测序用于识别微生物群落中存在的细菌。然而，研究正逐渐从简单地测量存在的细菌多样性转向确定微生物表达谱，以描绘宿主-微生物群关系的功能基础。RT-qPCR等技术可以识别宿主物种中的转录反应而与16SrRNA测序一起使用的各种元学方法不仅可以描述存在的细菌，还可以描述它们的存在对宿主的影响。例如，代谢组学方法可以识别肠道微生物群产生的代谢物，尤其是挥发性脂肪酸(VFA)、短链脂肪酸(SCFA)、乳酸和芳香族氨基酸，从而揭示微生物群如何为宿主提供特定营养素或细菌群落的其他成员。

研究宿主-微生物群关系时经常遇到的一个困难是从结果中解开因果关系，因为研究通常是相关的。通过使用无菌技术来克服这一限制已经取得了进展，其中动物在无菌环境中饲养，使宿主保持完全无菌。已成功建立了无菌模型，以确定宿主在没有所有微生物的情况下的表现，并测量当“干净的”动物接种选定的微生物类群时这种变化如何。此类研究揭示了肠道微生物群对宿主的各种影响，包括调节小鼠的骨量密度、脂肪储存和免疫系统和斑马鱼脂肪酸代谢的调节。在一项具有里程碑意义的研究中，将肠道微生物群从肥胖宿主移植到无菌受体小鼠中，与宿主被“瘦肉菌群”定殖时相比，能量收集能力提高，脂肪沉积水平更高。这项早期研究强调了肠道微生物群与新陈代谢之间的联系，并表明这些特征可以通过微生物群移植传播，另一个例子如图1所示。

图1：如何使用实验方法来确定生态环境中的微生物组-宿主关系

一旦宿主已经被微生物定殖，就很难使宿主无菌，但可以使用抗生素来检查肠道微生物群被破坏的影响，其中抗微生物化合物被用于生态研究，作为一种工具来剔除微生物群，以探索它们的功能。有研究表明抗生素会导致小鼠和蜜蜂肠道微生物群落组成发生变化；后一项研究表明，蜜蜂肠道的两种关键细菌物种对抗生素的反应不同。虽然这些有前景的新实验方法中的一些现在可用，例如无菌处理，然后用选定的微生物群落定植，但迄今为止，它们的使用仅限于少数实验室模式生物。这些允许确定宿主相关微生物群落的因果作用，但实地研究仍然是真正了解宿主-微生物群关系的最佳方式，因为它们将宿主-微生物相互作用置于生态环境中。

2.肠道微生物群营养生态位和宿主营养能量收获

许多宿主物种食用的饮食缺乏内源性酶谱，因此依赖其肠道微生物群来产生关键的消化酶。典型的例子是白蚁和反刍动物，它们依靠微生物水解酶将植物性饮食中的纤维素分解成单糖和寡糖。然后它们被糖分解细菌等微生物发酵以产生短链脂肪酸。木本植物的细胞壁含有木质纤维素，这是一种由木质素、纤维素和半纤维素组成的复合物。木质纤维素的消化需要多种碳水化合物活性酶，其中只有一些可能由宿主产生。例如，虽然已经发现黄粉虫和木虱会产生纤维素酶等降解酶，但它们依靠肠道微生物群产生分解木质素和酚等化合物的酶。

在一些鲸类中也观察到类似的现象。须鲸需要降解酶来分解它们以磷虾和其他浮游动物形式消耗的大量多糖几丁质。桑德斯等人发现须鲸的微生物群与陆生食肉动物和食草动物的微生物群具有相同的特征，氨基酸代谢基因谱类似于食肉动物，但与能量代谢和脂质代谢相关的基因谱反映了食草动物的基因谱。鲸类肠道微生物群与发酵食草动物肠道微生物群的相似性被认为有助于向鲸鱼释放几丁质营养素。微生物代谢的废物，如发酵细菌产生的乙酸盐和丁酸盐，对宿主代谢有显著影响，因为它们参与脂肪酸、葡萄糖和胆固醇代谢的调节，并被宿主用作一种能源。

3.在生态环境中研究肠道微生物能量

随着研究人员努力了解微生物群的特定功能益处，研究野生动物全生物动力学的一个优势是宿主所经历的环境条件存在显著变化。这使研究人员能够检查是否存在对在不同环境条件下更有效的微生物分类群的选择，从而使宿主能够在更广泛的环境中发挥作用。特别相关的是饮食成分的影响，它可以表现出明显的季节性变化，对肠道微生物群落有强大的影响。例如，在大熊猫中发现肠道微生物群落组成的季节性变化随着它的饮食从富含蛋白质的竹笋过渡到纤维素含量较高的不太丰富的竹叶。转向质量较差的饮食与肠道微生物组变得不那么多样化有关，但更专注于分解纤维素。大熊猫肠道中消化纤维素的细菌的存在也有助于解释食肉动物如何以植物为食。人类研究提供信息：与以植物为基础的饮食相比，以动物为基础的饮食的受试者肠道内的微生物群落结构不同，这对微生物基因表达和活性有影响：以动物为基础的饮食导致氨基酸的活性更高分解代谢途径，而植物性饮食导致强调生物合成途径。

物种发酵碳水化合物以产生醋酸盐、丙酸盐和琥珀酸盐，因此有助于琥珀酸盐的转换并为宿主提供能量。降低的发酵能力会影响肠道内的解毒活动，这对于鸟类耐受富含树脂和苯酚的冬季饮食是必要的。野生和圈养个体之间肠道微生物群的差异可以部分解释为什么迄今为止使用圈养繁殖的鸟类重新引入在很大程度上是不成功的。尽管宿主饮食和肠道微生物群之间复杂的相互作用已经在许多情况下进行了研究，但重现性仍然很差，因此定义饮食-宿主-微生物群关系的尝试仍然是一个挑战。由于细菌物种生态的变化，理解可能会更加复杂：有学者发现不同细菌类群对膳食氮水平的反应不同，这对宿主健康有影响。具体而言，对有限的蛋白质可用性（内源性氮使用者）做出积极响应的分类群，例如拟杆菌门的成员，包括已知为小鼠宿主内的肠道屏障功能和免疫调节提供维持并促进良好的整体“心脏代谢健康”（避免心血管疾病）。这与在给予较高蛋白质饮食的小鼠中观察到的较差的心脏代谢健康表型形成对比，该饮食有利于依赖饮食氮的微生物。其他人类和实验室动物研究也表明饮食、肠道微生物群与宿主代谢和健康之间存在复杂的相互作用，强调了考虑影响微生物群落动态和组装的饮食因素。

除了应对饮食成分的变化外，野生动物通常还必须承受可用食物数量的显著波动，这既直接是由于季节性变化，也有间接是由于它们的生活史：例如，当它们迁徙、冬眠或以其他方式变成休眠，或显示个体发育的生态位变化。在这些时期，宿主的能量表型发生变化，可以揭示肠道微生物群与宿主能量之间的潜在功能联系。短期禁食可以诱导肠道微生物群做出有益于宿主的反应，例如，通过聚糖发酵增加短链脂肪酸的供应。冬眠的物种经历了更极端的禁食——尽管重要的是要注意，冬眠和禁食并不是吸热动物的等效生理状态。与禁食相反，冬眠的特征通常是将核心体温降低到10°C，导致新陈代谢大大减少，约为活跃哺乳动物的4%。因此，肠道微生物群可能对这两种情况做出不同的反应：叙利亚仓鼠在进入冬眠时显示细菌总数或SCFA浓度没有减少，但在非自愿饥饿时两种微生物活动指标均显著降低，表明微生物群对宿主能量状态的可预测季节性变化比对食物摄入量的意外（并且可能压力更大）崩溃更有弹性。尽管如此，肠道微生物群的多样性在冬眠期间会减少，可以直接脱离宿主生存的细菌的优势增加（例如以宿主粘蛋白为食），以及依赖宿主饮食化合物的物种的减少。

4.适应性、可塑性和宿主能量

微生物群落组成或活动的灵活性可能对宿主有益，因为它可以使宿主对不断变化的食物供应或代谢需求做出反应；相反，微生物特定功能特征的好处可能会随时间和空间变化。肠道微生物群与宿主的关系会随着环境因素的变化而随时间变化，而不仅仅是饮食。这在一生中经历过巨大环境变化的动物身上最为明显。微生物群可能在关键发育阶段尤其重要，如林蛙所发现的那样，在早期幼虫生命中微生物群的破坏被发现对发育有遗留影响，这种影响一直持续到变态之后，在微生物群从扰动中恢复很久之后。这突出了在阐明肠道微生物群的影响时考虑宿主生命周期和不断变化的能量需求的价值。有学者发现果蝇肠道微生物群的多样性影响了宿主的生活史，果蝇中常见的五种主要细菌物种之间的相互作用影响了繁殖的时间。无菌果蝇的寿命更长，但繁殖率更低。因此，当考虑到宿主的生态环境时，宿主-微生物关系的复杂性就会增加，突出了这种关联的动态性质。

微生物群-宿主关系的动态性质意味着很难确定微生物群在确定宿主表型方面的相对重要性。最近的工作已开始围绕全息生物并纳入“全基因组”概念，其中将宿主及其相关微生物的进化能力综合考虑。例如，在生态学领域，考虑全基因组/全息生物使研究人员能够更恰当地评估表型可塑性或面对不断变化的环境的适应能力。如果肠道微生物可塑性要提高宿主对其生态位的利用，微生物群的组成和活性必须能够随着环境条件的变化而改变，从而为宿主提供不同的服务。

5未来研究方向

随着重点转向野生和非模式生物，更重要的是功能而不是微生物群的特征，生态环境中的重要问题包括：肠道微生物群落在不同生命阶段、环境中的稳定性如何或季节？它真的为宿主提供了表型可塑性吗？它对宿主新陈代谢的影响有多大？考虑到这种影响，调节微生物群会如何影响宿主的能量平衡？回答这些复杂的问题需要整合来自各种生物学领域的知识。

许多不同的技术被用来表征肠道微生物群并解开复杂的宿主-微生物群-生理轴，最终目的是检测因果关系而不仅仅是相关关系，但并非所有技术都可以与生态方法相结合。虽然无菌研究允许研究人员检查微生物的单一关联和特定群落组成的生理影响，但它们仅限于无菌实验室环境，通常涉及有限范围的模式生物。抗生素可用于检查破坏肠道微生物群的效果，但迄今为止的研究都集中在对宿主或微生物群落组成的影响上。

一种更有前景的破坏微生物组特性和/或功能的技术是向宿主施用益生菌。益生菌是专门选择的活细菌，因为它们对宿主健康具有潜在的有益影响，包括充当对抗病原菌的拮抗剂以及帮助宿主免疫系统发育和体内平衡。根据所选择的治疗方法，益生菌有能力改变微生物负荷和改变群落组成，从而影响宿主的肠道免疫以及其生长速度和存活率。复杂之处在于了解在此类干预中应针对哪些细菌分类群。一种选择是采用Holmes等人的方法。建议通过微生物群落的要求而不是功能来描述微生物群落的组成。通过观察群落层面对饮食干预的反应，可以广泛地针对细菌群落，而不是试图预测单个细菌分类群的反应。如果将此信息与对宿主能量表型产生的影响相结合，则可能会确定益生菌干预的目标。还必须考虑这样一个事实，即宿主适应性方面最有益的功能特征可能会在空间、时间和个体发生上发生变化，反映宿主面临的不断变化的环境。

了解宿主-微生物群相互作用的复杂性仍然是肠道微生物群研究的前沿，为了进一步开展这项研究，需要进行广泛的研究：仅与一种微生物物种的单一关联可以阐明特定细菌分类群的功能，野生-基于研究可以表征某些细菌在自然环境中的流行情况如何变化，而在实验室环境中的研究可以为最佳饮食干预提供信息。从生态学的角度来看，增加对环境变化导致的肠道微生物群的时空变化的了解仍然是一个优先事项。季节性，为了了解在这些不同条件下肠道微生物群对宿主代谢的影响，在自然界中看到的生命史和遗传多样性需要广泛的方法。到目前为止，这些方法还处于起步阶段，但一些研究开始采用更综合的方法：一项对三种小型哺乳动物的研究，比较了遗传学与环境对肠道微生物群组成的影响，发现环境在与宿主遗传相似性的比较。具体而言，小鼠、田鼠和鼩鼱的肠道微生物群在不同地点的物种内比生活在同域的不同物种之间更相似，一项针对三种小型哺乳动物的研究比较了遗传与环境对肠道微生物群组成的影响，发现与宿主遗传相似性相比，环境的重要性次之。具体而言，小鼠、田鼠和鼩鼱的肠道微生物群在不同地点的物种内比生活在同域的不同物种之间更相似。由于许多肠道微生物群与宿主的关联是高度保守的并且越来越强调共同进化的概念，这个想法可能是与包括种间和种内比较的此类研究相结合，以提供更高的分辨率。

为了进一步了解宿主能量学和肠道微生物群之间的关系，肠道细菌的表征必须与宿主代谢状态的稳健表型一起进行。这可以通过对宿主血液、尿液和粪便的代谢物谱分析来实现，结合提供对宿主代谢率的更全面概述的技术，例如呼吸测量法。这些自上而下的技术将允许有关宿主能量学的信息补充对细菌群落组成及其功能特征的量化，从而更好地了解微生物补充和宿主动力学之间的界面。非侵入性代谢组学技术将允许纵向数据收集，使研究人员能够检查微生物群落概况和宿主代谢概况如何在一系列条件下共同变化。

结论

该综述强调了越来越多的研究现在发现肠道微生物群和宿主能量学之间存在直接联系。鉴于宿主和微生物表型的可塑性，很明显肠道微生物群应该是宿主在不断变化的环境条件下的适应性的关键考虑因素。在实验室和实地研究中，研究现在应该从群落组成的广泛表征转向阐明对宿主的影响，以便更广泛地了解这些动态关系的生态观点。这将需要我们定义特定微生物分类群的功能，以可靠地告知肠道微生物群影响宿主代谢的方式。