圈养环境如何重塑狼肠道微生物组？研究揭示关键变化与潜在风险

研究对比野生和圈养犬科动物肠道微生物组，发现圈养环境影响狼肠道 CAZymes 和 VFs，或增致病风险。

　　在奇妙的动物世界里，犬科动物各自占据着独特的生态空间。狼，作为其中的一员，有的在广袤的野外自由驰骋，有的则生活在动物园的圈养环境中。肠道微生物组如同动物体内的一个神秘小宇宙，影响着宿主的新陈代谢，与动物对环境的适应和健康状况息息相关。以往的研究发现，不同野生犬科动物的肠道微生物组存在差异，圈养狼的肠道微生物组也与野生狼有所不同，但圈养环境究竟如何影响狼的肠道微生物组，却一直是个未解之谜。

为了揭开这个谜团，曲阜师范大学生命科学学院的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们的研究成果发表在《BMC Microbiology》上。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，从公共数据库获取了 36 个样本的宏基因组数据，这些样本来自野生狼、野生赤狐、野生沙狐、圈养狼以及家犬。接着，使用 fastp 软件去除原始数据中的接头和低质量碱基，利用 Bowtie2 软件过滤宿主序列，得到有效数据。之后，借助 Kraken2 和 Bracken 软件进行物种注释，Megahit 软件进行序列组装，Prodigal 软件识别开放阅读框（ORFs），并构建非冗余基因目录。还运用 Salmon 软件定量 ORFs，通过 EggNOG-mapper 和 Diamond 软件分别对 KEGG、碳水化合物活性酶（Carbohydrate-Active enZymes，CAZymes）数据库和毒力因子数据库（Virulence Factor Database，VFDB）进行注释和分析，最后用 R 软件进行数据校正和各种统计分析。

研究结果如下：

• 数据统计：经过质量控制和去除宿主序列，共获得 255.62Gb 有效数据，组装得到 3,456,942 个长度≥500bp 的重叠群（contigs ），总长度达 4.25Gb，同时得到 6,588,205 个开放阅读框（ORFs），总长度为 3.27Gb。
• 肠道微生物组组成：在 36 个样本的肠道微生物组中，检测到 4 个界、89 个门、118 个纲、170 个目、760 个科、2,616 个属和 10,466 个种。在门水平上，犬科动物肠道微生物组中厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度最高；在种水平上，萨特氏菌（Bacteroides sartorii）在圈养狼、野生狼和沙狐中最为丰富，巨脱硫弧菌（Megalodesulfovibrio gigas）在家犬中占主导，农业噬菌体（Phobpsivirus agricola）在赤狐中居多。
• 聚类分析：不同圈养环境下的圈养狼（I 和 II）肠道微生物组（细菌种类、代谢途径、CAZymes 家族和 VFs）高度相似，家犬（I 和 II）也是如此。圈养环境对家犬和圈养狼肠道微生物组影响较小，性别和年龄对圈养狼和家犬肠道微生物组组成影响不显著。在物种水平上，野生狼和圈养狼的相似性高于圈养狼和家犬；但在代谢途径组成上，圈养狼和家犬更为相似，且圈养狼与野生狼的代谢途径组成相似度高于家犬。基于 CAZymes 家族和 VFs 的相对丰度，圈养狼和家犬的距离比圈养狼与野生狼更近。野生狼、赤狐和沙狐的细菌种类、代谢途径、CAZymes 家族和 VFs 组成明显不同。
• α 多样性差异分析：赤狐肠道微生物组中 CAZymes 的数量和多样性高于野生狼和沙狐，家犬的 CAZymes 数量和多样性最高，野生狼最低。赤狐肠道微生物组中 VFs 的数量和多样性显著高于野生狼和沙狐，家犬的 VFs 数量和多样性最高，野生狼最低。
• 与空间生态位分化相关的肠道微生物组：通过 ALDEx2 和 DESeq2 分析，在野生犬科动物间检测到 312 个差异细菌物种和 72 条差异代谢途径。随机森林分析发现，19 种潜在细菌物种和 20 条潜在代谢途径与空间生态位分化显著正相关。
• 野生狼、圈养狼和家犬的差异：ALDEx2 分析显示，野生狼、圈养狼和家犬之间有 23 种细菌物种相对丰度存在差异，野生狼中富集了 22 种细菌物种，Turicibacter sp. H121 在圈养狼和家犬中的丰度显著增加。圈养狼和家犬与野生狼相比，共享一条上调的代谢途径（ko05166，人类 T 细胞白血病病毒 1 感染）。

研究结论和讨论部分指出，圈养环境使圈养狼和家犬肠道微生物组中的 CAZymes 和 VFs 组成相似，但对狼肠道细菌种类和代谢途径组成影响较小。VFs 多样性的增加可能会提高圈养狼肠道微生物组的致病潜力，而且人类 T 细胞白血病病毒 1 感染在圈养狼和家犬肠道微生物组中显著富集，其传播机制尚待进一步研究。在野生犬科动物中，沙狐的空间生态位最小且生活在干旱环境，其肠道微生物组独特，相关细菌物种和代谢途径有助于维持生理稳态和适应干旱环境。赤狐的空间生态位大于沙狐小于野生狼，其肠道微生物组中 CAZymes 的 α 多样性更高，可能反映出其分解碳水化合物的能力更强，同时其 VFs 多样性也较高。野生狼占据更广泛的空间生态位，其肠道微生物组中产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）的细菌物种和相关代谢途径富集，有助于提供能量。不过，研究也存在局限性，不能排除宿主遗传因素的影响，需要进一步通过微生物组移植和宿主生理实验进行验证。

这项研究意义重大，它初步探索了不同生态位和环境下犬科动物肠道微生物组的差异，筛选出了与空间生态位适应相关的微生物分类群和代谢途径，为深入了解动物与环境的相互作用提供了重要依据。同时，研究结果提示需要持续监测圈养狼的健康状况，并制定相应的管理策略，以保障圈养狼的健康 。