论文标题：Metagenomic reconstructions of gut microbial metabolism in weanling pigs

期刊：Microbiome

作者： Weilan Wang, Huifeng Hu, Ruurd T. Zijlstra, Jinshui Zheng, Michael G. Gänzle

发表时间：2019/03/26

数字识别码： 10.1186/s40168-019-0662-1

原文链接：http://t.cn/E9mDBNF

断奶是猪生命中的一个关键阶段，尤其是在当前的动物生产系统中，断奶对动物造成了双重伤害：即由母乳到饲料的过渡和母亲与幼崽分离造成的精神压力。这种肠道微生物群和精神压力的变化使仔猪易受腹泻病原体的侵袭，特别是大肠杆菌。改善这种转变将有利于仔猪的健康，同时减少对抗生素治疗肠道感染的需求。近期我们发表在Microbiome上的论文探讨了断奶后猪体内微生物群的变化 —— 我们将与碳水化合物降解相关的酶进行定量分析并与宏基因组分类相结合，以帮助我们确定猪肠道微生物群中碳水化合物和纤维代谢的主要参与者。

图1

本研究最开始的假设是：使用益生菌对仔猪的微生物群有利，并且德氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）产生的一种抗菌剂德氏环素（reutericyclin）可以增强这种影响。我们利用了同一德氏环素基因的阳性和阴性菌株来检测其影响。然而事实上，这其实是一个被糟糕的事实所掩盖的美好假设。

本文的初步研究表明，益生菌对整个肠道微生物群的影响非常之小；我们必须非常仔细地观测某一菌株或特定物种，才能检测出它们对特定菌群的影响。不过仍然可以确认的是，在以前的研究中我们的确观察到了使用益生菌可以减少致病性大肠杆菌。

利用宏基因组进行更详细的分析后，我们发现：猪肠道中未经分离培养的菌群中包含了大量的关键生物 —— 这表明，之前针对人类肠道菌群群所做的大部分工作，比如对重要的细菌进行培养以确定其生理和代谢特性，仍然同样值得在猪肠道微生物群中进行尝试。

图2：：仔猪粪便微生物群中细菌类群的系统发育，丰度和代谢潜力。

“房间里的大象（Elephant in the room）”这句俗语可以形象地解释影响微生物群变化的主要因素是饮食，其他因素其实是短暂的或无关紧要的。因此，我们随后的分析侧重于肠道微生物的碳水化合物代谢。因为小麦和乳糖是猪饲料的主要成分，所以我们把淀粉、果糖和乳糖作为主要的碳水化合物饮食来源，并将小麦和乳糖的代谢与人肠道中的相应有机物进行比较。来自华中农业大学的研究者进行了宏基因组的装配，为分析猪肠道碳水化合物代谢的代谢网络提供了一个扎实的基础。

图3： 预测淀粉，果聚糖和乳糖代谢的代谢途径。

不同于人类肠道微生物群中淀粉降解依赖于厚壁菌和拟杆菌不同成员的代谢协同作用，在猪的肠道中含量最丰富的酶不是淀粉酶，而是分支酶，它可以起到溶解抗性淀粉并使其易于水解的作用。猪肠道菌群内果糖和乳糖代谢的关键因子不同于人类。表达胞外果聚糖酶的乳酸杆菌是影响猪果聚糖代谢的主要因素。我们通过数据库搜索得知，FruA酶存在于猪肠道的乳酸杆菌中，但在所有其他乳酸杆菌中却不存在。目前为之，我们还没有研究清楚为什么这种酶在猪肠道中很重要，但在其他含有乳酸杆菌的（肠道）生态系统中却不那么重要。

在人类特别是婴儿的肠道中，双歧杆菌是乳糖的主要降解物。在猪的肠道中，乳酸杆菌也具有这种作用，并且其还对β-半乳糖苷酶的活性有正面的促进作用。总结来看，这些发现可以有助于我们在仔猪断奶开始饲料进食后，对其体内的微生物系统的正常运转进行管理和调控。

猪微生物群与发酵食物中乳酸杆菌之间的关系为这项研究提供了另一个意向不到的发现。猪体内的乳酸杆菌通常存在于特定的发酵谷物中 —— 在这些发酵谷物中，表达特殊细胞外果聚糖水解酶的乳酸杆菌占据优势并且有助于降解果聚糖从而用于生产低FODMAP（Fermentable发酵、Oligosaccharides寡糖、Disaccharides二糖、Monosaccharides单糖和Polyols多元醇，FODM）的面包。我们也惊讶地在断奶仔猪中发现了德氏乳杆菌，目前德氏乳杆菌已在全球范围内用于生产酸奶并已适应了乳糖和牛奶环境，但是迄今为止，人们还没有将其与肠道环境联系起来。为了证实这个结果，我们重新回顾了仔猪断奶的旧数据。分析得出，德氏乳杆菌存在于仔猪断奶时，但其在开始饲喂仔猪固体饲料后便迅速消失。如果后续进行培养验证，这一意想不到的发现或许可以证明德氏乳杆菌在哺乳类动物中的适用性，为婴儿和哺乳类动物的益生菌和肠道健康的研究打开新的视角。

我偶尔会比喻道：就像舌头在脸部的功能一样，猪是可以作为“食物发酵的体内模型”的。这项研究明确地证实了经过发酵产生的宿主适应性乳酸杆菌可以帮助我们揭示肠道生态系统的代谢机制。反过来，有关肠道内乳酸杆菌生态学的知识将有助于我们改进它们在食品发酵和益生菌中的应用。

摘要：The piglets’ transition from milk to solid feed induces a succession of bacterial communities, enhancing the hosts’ ability to harvest energy from dietary carbohydrates. To reconstruct microbial carbohydrate metabolism in weanling pigs, this study combined 16S rRNA gene sequencing (n = 191) and shotgun metagenomics (n = 72).

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期刊介绍：Topics broadly addressing the study of microbial communities, such as, microbial surveys, bioinformatics, meta-omics approaches and community/host interaction modeling will be considered for publication. Through this collection of literature Microbiome hopes to integrate researchers with common scientific objectives across a broad cross-section of sub-disciplines within microbial ecology.

（来源：科学网）