論文：魚皮和腸道微生物群顯示寄主物種和棲息地的對(duì)比特征

硬骨魚類是研究動(dòng)物相關(guān)微生物群形成因素的一個(gè)非常寶貴的宿主物種庫(kù)。一些研究表明，魚類腸道微生物群的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)受物種特異性（如寄主祖先、基因型或飲食）和生境特異性（如水化學(xué)參數(shù)和浮游細(xì)菌組成）因素的驅(qū)動(dòng)。然而，我們對(duì)其他與宿主相關(guān)的微生物生態(tài)位（如皮膚粘液微生物組）的了解仍然有限。我們的研究目的是同時(shí)探索魚皮粘液和腸道微生物群的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)，并比較物種和生境特異性驅(qū)動(dòng)因素對(duì)兩種組織中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。我們從3個(gè)生態(tài)和系統(tǒng)發(fā)育對(duì)比亞馬遜河硬骨魚類物種的6個(gè)種群中采集了114種野生魚類。在每個(gè)地點(diǎn)采集水樣，并對(duì)10個(gè)理化參數(shù)進(jìn)行了表征。皮膚粘液、腸道和水微生物群落的特征是使用針對(duì)16S rRNA的V3-V4區(qū)域的代謝編碼方法。我們的結(jié)果表明，在系統(tǒng)發(fā)育剖面和每個(gè)微生物生態(tài)位的微生物組多樣性之間存在顯著差異。皮膚粘液和浮游細(xì)菌群落在組成上明顯比腸道和自由生活群落更接近。物種特異性因子主要調(diào)控腸道細(xì)菌群落，而皮膚粘液微生物群主要與環(huán)境物理化學(xué)和浮游細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有關(guān)。這些結(jié)果表明，可變的皮膚粘液群落是開發(fā)環(huán)境狀況微生物生物標(biāo)志物的相關(guān)目標(biāo)，而更保守的腸道微生物組更適合研究進(jìn)化時(shí)間尺度上的長(zhǎng)期宿主-微生物相互作用。

在這里，我們調(diào)查了在巴西亞馬遜河流域發(fā)現(xiàn)的三種同域寄主的細(xì)菌群落（腸道和皮膚粘液），旗魚（Mesonauta festitus），pacus（Mylosoma duriventre）和黑色食人魚（Serrasalmus rhombeus）。這三個(gè)物種在系統(tǒng)發(fā)育上是不同的；pacus和黑色食人魚屬于Serrasalmidae科，它在22.99億年前從旗魚科的Cichlidae屬分化而來(lái)。這些物種的整體生態(tài)（行為、飲食和分布）也不同。旗魚更為定居，生活在原木或漂浮的大型植物下面的河流邊緣表面。相比之下，黑色食人魚和pacus生活在中層，能夠忍受強(qiáng)烈的水流。黑色食人魚是投機(jī)取巧的食肉動(dòng)物，而旗魚是底棲動(dòng)物，pacus是浮游生物。旗魚和黑食人魚生活在各種各樣的棲息地中，因此它們的總分布面積要比pacus大。我們采用以rRNA基因16S SSU V3-V4區(qū)域?yàn)榘悬c(diǎn)的代謝編碼方法，分析了在6個(gè)采樣點(diǎn)采集的33只野生旗魚、47只太平洋鲀、34只黑食人魚和6個(gè)水樣的腸道和皮膚粘液細(xì)菌群落。主要結(jié)果如下：

不同的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)在每個(gè)微生物生態(tài)位。

在這項(xiàng)調(diào)查中記錄的三種微生物棲息地（皮膚粘液、腸道和環(huán)境水）在所有三個(gè)物種中顯示出顯著不同的微生物群落分類結(jié)構(gòu)。皮膚粘液樣本的α多樣性高于腸道和浮游細(xì)菌樣本（圖1）（除了MPWS2\U 3處黑色食人魚的皮膚粘液）。總的來(lái)說(shuō)，與宿主相關(guān)的微生物群和自由生活的微生物群之間的差異表明，魚的腸道和皮膚粘液微生物群的組成并不是其棲息地中微生物組合的簡(jiǎn)單反映，但可能是由于不同組織的選擇壓力不同造成的。本研究中，來(lái)自厚壁菌屬的梭狀芽孢桿菌是所有三種寄主腸道微生物群的重要鑒別特征。大多數(shù)梭狀芽孢桿菌是專性厭氧菌，發(fā)酵植物多糖。有趣的是，黑食人魚內(nèi)臟中存在的這種物質(zhì)可能暗示了該物種曾被認(rèn)為是嚴(yán)格的食魚性植物。以往的研究通常表明，腸道群落組成和多樣性取決于營(yíng)養(yǎng)水平；魚類腸道微生物群落的多樣性從草食動(dòng)物到雜食動(dòng)物趨于減少，肉食動(dòng)物的多樣性最低。然而，我們的結(jié)果并沒(méi)有顯示α多樣性與魚類飲食有關(guān)的減少（圖1）。這一結(jié)果可能與以下事實(shí)有關(guān)：魚類是在旱季取樣的，這是一些亞馬遜魚類的禁食期。因此，飲食可能不是這一時(shí)期腸道微生物結(jié)構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)因素。

圖1.皮膚粘液群落的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)更接近浮游細(xì)菌而不是腸道群落。

與腸道共生菌不同的是，皮膚粘液細(xì)菌大多是多面手，它們能耐受多變的環(huán)境，并通過(guò)定殖抵抗機(jī)制在抵御機(jī)會(huì)病原體中發(fā)揮作用。通常，皮膚粘液群落由變形桿菌和其他不太豐富的門（如擬桿菌門、放線桿菌門、厚壁菌門和疣狀菌門）控制。本研究中，變形桿菌是所有皮膚粘液群落中最豐富的門，并且主要由γ-變形桿菌組成（圖2d-f）。在皮膚粘液組織的10個(gè)最顯著的鑒別特征中，有兩個(gè)分類群是在所有三種宿主物種，即Enhydrobacter spp.和Cl500-29海洋類群物種（圖2j-l）上發(fā)現(xiàn)。氣囊棲水菌是氣囊棲水菌屬中唯一的一種，常見于魚類。對(duì)于三種亞馬遜河魚類，棲水菌與腸道無(wú)關(guān)，而是與皮膚粘液組織有關(guān)。Cl500-29海洋類群物種主要在各種淡水和咸水棲息地的浮游細(xì)菌樣本中報(bào)道，因此它們可以耐受很大范圍的水化學(xué)參數(shù)。這個(gè)屬也被證明是利用不同碳化合物的多面手。目前，對(duì)氣囊棲水菌和Cl500-29海洋類群物種的功能庫(kù)知之甚少。然而，這些分類群在我們研究的三個(gè)寄主物種的所有皮膚粘液群落中的普遍性表明，它們?cè)谄つw粘液上的招募是在大量的環(huán)境分類群中被積極選擇的。因此，它們可能在皮膚粘液微生物群中發(fā)揮重要作用，值得進(jìn)一步研究。

圖2.腸道和皮膚粘液具有獨(dú)特的群落結(jié)構(gòu)，如三個(gè)物種所示。

物種特異性因子和腸道微生物組。

許多研究已經(jīng)證明宿主魚類物種對(duì)腸道微生物群落的影響。我們的結(jié)果表明，腸道微生物群的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)與宿主魚的祖先關(guān)系特別密切（皮膚粘液微生物群通常表現(xiàn)出顯著但較弱的信號(hào)[圖3]）。兩種鋸脂鯉科寄主（S.rhombeus和M.duriventre）的腸道微生物群結(jié)構(gòu)彼此更為相似，而不是慈鯛科（M.festitus）腸道微生物群的分類結(jié)構(gòu)，即使給予顯著不同的飲食（即浮游與食魚）。類似地，一些以非典型飲食為分支的哺乳動(dòng)物，如嚴(yán)格的草食性大熊貓和食蟻哺乳動(dòng)物，其腸道微生物群落與其近親的腸道微生物群落更為相似，而不是其他以類似飲食為分支的哺乳動(dòng)物。這種系統(tǒng)發(fā)育惰性突出了宿主基因型（系統(tǒng)發(fā)育）在限制腸道微生物群對(duì)不同飲食反應(yīng)的變異范圍中的作用。這種現(xiàn)象被稱為“系統(tǒng)共生”，在這種現(xiàn)象中，近親物種往往比進(jìn)化上遙遠(yuǎn)的物種擁有更多相似的微生物群。系統(tǒng)共生可由多種因素驅(qū)動(dòng)，包括系統(tǒng)發(fā)育不同的宿主物種之間的表型差異、宿主的飲食、特定細(xì)菌與其宿主的共同進(jìn)化（共源性）或細(xì)菌譜系在宿主世代間的垂直傳播。

圖3.寄主種類對(duì)腸道群落結(jié)構(gòu)的影響比皮膚粘液群落更為重要。

生境特異性因子與皮膚粘液微生物群。

生態(tài)介導(dǎo)的選擇是物種形成的一個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，已經(jīng)表明宿主魚類基因型與宿主微生物組的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)相關(guān)。因此，在本研究中，生境特定因素對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響可能與以下因素有關(guān)：（i）采樣點(diǎn)之間的選擇壓力不同，導(dǎo)致適應(yīng)性差異，（ii）采樣點(diǎn)之間的基因流水平可能較低，這可能導(dǎo)致宿主的遺傳漂變，然后在選擇下改變魚類宿主的微生物群，或（iii）棲息地特定飲食（尤其是以沉積物為食的碎屑性魚類，如旗魚）。

圖4.總的來(lái)說(shuō)，皮膚粘液群落比腸道群落更與生境特異性因子相關(guān)。

圖5.相互作用網(wǎng)絡(luò)顯示了皮膚群落、環(huán)境浮游細(xì)菌和水化學(xué)參數(shù)之間的高度連通性。

然而，我們記錄了對(duì)生境特定因子的不同反應(yīng)；皮膚粘液微生物群落比腸道群落更受“采樣點(diǎn)”因子的影響（圖4和圖5）。這些差異可能與每個(gè)組織上非生物條件的穩(wěn)定性有關(guān)。與皮膚粘液相比，魚的腸道是一個(gè)高度穩(wěn)定的環(huán)境，皮膚粘液經(jīng)常暴露在具有可變物理化學(xué)參數(shù)的環(huán)境水中。盡管持續(xù)暴露于胃液中的酸性pH值，但腸道pH值仍保持周圍中性，從而突出了下消化道中堿性分泌物緩沖pH值的高效性。因此，宿主腸道中非生物因子的穩(wěn)定性促進(jìn)了微生物群的專門化。相比之下，皮膚粘液所接觸的環(huán)境水中理化參數(shù)的高度可變性有利于形成更具活力的皮膚粘液群落。

總的來(lái)說(shuō)，我們的結(jié)果有不同的含義。首先，應(yīng)利用皮膚粘液微生物群而不是腸道，來(lái)研究野生生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)的細(xì)菌生物標(biāo)志物。我們的研究表明，與硬骨魚腸道微生物相比，皮膚粘液群落高度依賴環(huán)境。因此，皮膚粘液樣本將導(dǎo)致對(duì)魚類樣本來(lái)源的環(huán)境類型（例如擾動(dòng)或原始、鹽水或淡水）進(jìn)行更敏感和準(zhǔn)確的評(píng)估。其次，由于其穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的保守性以及與魚類日糧的聯(lián)系，腸道微生物群更適合于研究系統(tǒng)共生的驅(qū)動(dòng)因素，或在進(jìn)化尺度上研究魚類及其共生體的協(xié)同進(jìn)化。

小結(jié)：

本研究是首次探索亞馬遜盆地野生魚類微生物群的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)。對(duì)微生物群落進(jìn)行多尺度分析，發(fā)現(xiàn)不同寄主組織中微生物群落的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)有明顯的區(qū)別。同時(shí)，它還強(qiáng)調(diào)了皮膚粘液與浮游細(xì)菌群落之間的緊密相似性和緊密的相互作用網(wǎng)絡(luò)。我們發(fā)現(xiàn)，與腸道群落相比，皮膚粘液群落與環(huán)境水化學(xué)參數(shù)高度相關(guān)，因此主要依賴于生境相關(guān)因素，使它們不適合進(jìn)行系統(tǒng)共生分析，但敏感的目標(biāo)是建立環(huán)境生物標(biāo)志物數(shù)據(jù)庫(kù)。我們建議，未來(lái)的研究采用獵槍亞基因組或亞轉(zhuǎn)錄方法來(lái)評(píng)估物種和生境特異性因素是否也影響魚類微生物的功能匯。

與宿主相關(guān)的微生物群是否主要由物種特異性或環(huán)境因素形成，目前尚不清楚。特別是，來(lái)自同一宿主的兩個(gè)不同宿主組織的微生物群落對(duì)這些因素的反應(yīng)程度尚不清楚。我們的研究是第一個(gè)關(guān)注硬骨魚類微生物組學(xué)的研究之一，以闡明這一主題，因?yàn)槲覀冄芯苛藘煞N不同魚類組織中微生物群落的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)是如何由物種和生境特定因素形成的。我們的研究表明，與硬骨魚腸道微生物相比，皮膚粘液群落高度依賴環(huán)境。這一結(jié)果具有多種含義：（i）應(yīng)使用皮膚粘液微生物組而不是腸道來(lái)研究野生生態(tài)系統(tǒng)擾動(dòng)的細(xì)菌生物標(biāo)志物；（ii）腸道微生物組更適合研究系統(tǒng)共生的驅(qū)動(dòng)因素，或魚類及其共生體的共同進(jìn)化。

來(lái)源： 水生動(dòng)物健康評(píng)估