肠道微生物组驱动灵长类与有蹄类哺乳动物趋同进化：高原金丝猴与北极驯鹿的寒冷适应机制解析

本期推荐：中国科学家揭示肠道菌群在极端环境适应中的关键作用。研究团队通过宏基因组分析比较云南金丝猴与驯鹿的肠道微生物特征，发现两者虽系统发育远缘但均通过增强纤维降解、氮平衡维持和短链脂肪酸(SCFA)合成实现寒冷适应，并分别演化出高海拔缺氧适应（乳酸/嘌呤代谢）和极寒适应（尿素循环/脂肪储存）的特异机制。该研究发表于《iScience》，为理解宿主-微生物共进化提供了新视角。

　　

在生命演化的壮阔史诗中，极端环境始终是检验物种适应力的终极考场。当气温骤降至零下40°C，当氧气浓度仅有平原的一半，哺乳动物如何突破生理极限？这个问题在气候变化加剧的今天显得尤为紧迫。云南金丝猴（Rhinopithecus bieti）和驯鹿（Rangifer tarandus）这两个看似毫不相关的物种，分别栖居在海拔3000米的横断山脉和北极圈极寒地带，却都成功征服了严寒的生存挑战。传统研究多聚焦于宿主自身的遗传适应，如金丝猴体型增大、驯鹿脂肪增厚等表型变化，但越来越多人意识到，这些动物体内数以万亿计的肠道微生物可能才是幕后功臣。

为破解这个谜题，云南大学联合东北林业大学的研究团队开展了一项开创性研究。他们通过宏基因组测序技术，首次系统比较了这两种哺乳动物与近缘温暖环境物种（越南金丝猴和麋鹿）的肠道菌群差异，揭示了微生物辅助宿主适应极端环境的分子机制。论文以"Gut microbiota contribute to cold adaptation in mammals-primates and ungulates"为题发表于《iScience》，不仅填补了跨物种寒冷适应研究的空白，更揭示了宿主-微生物共进化在环境适应中的普适性规律。

研究团队运用了三大关键技术：首先采用Illumina NovaSeq 6000和MGISEQ-2000平台对116份粪便样本进行宏基因组测序（包括30只云南金丝猴、26只驯鹿、30只越南金丝猴及公开的30只麋鹿数据）；其次通过MEGAHIT和MetaBAT2进行序列组装和基因组分箱，获得2,771个物种水平基因组(SGBs)；最后利用GTDB-Tk和KEGG数据库完成分类学与功能注释，通过α/β多样性分析和差异富集分析揭示关键微生物类群与代谢通路。

研究结果部分呈现了四大发现：

1. 肠道菌群多样性特征
   通过Shannon指数和PCoA分析发现，寒冷适应物种的肠道微生物α多样性显著低于温暖环境近缘种，这与高寒地区地衣为主的单一饮食结构相符。UPGMA聚类显示样本按物种聚集，且系统发育相近的物种具有更相似的菌群组成。

2. 趋同适应的微生物特征
   在门水平上，两种寒冷适应动物共同富集了Spirochaetota（螺旋体门），该菌门能高效降解地衣中的果胶和纤维素。属水平上，产乙酸菌Acetatifactor和纤维降解菌Treponema_D在两类动物中均显著增加，前者通过产生乙酸和丁酸刺激非颤抖性产热(NST)，后者帮助分解难消化纤维。

3. 环境特异的菌群适应
   云南金丝猴独有富集Fibrobacterota（纤维杆菌门），其乳酸合成能力可能通过NDRG3蛋白促进血管生成以应对高原缺氧。驯鹿则特异性富集Prevotella和Phocaeicola，前者促进脂肪堆积，后者降解胆固醇，这种"开源节流"策略既能储备高能量脂肪，又避免心血管疾病风险。

4. 代谢通路重塑
   通过KEGG分析发现，两类动物均强化了赖氨酸合成以应对蛋白质匮乏。驯鹿还进化出支链氨基酸(BCAA)合成能力和尿素循环机制，实现氮元素高效循环。在能量代谢方面，金丝猴侧重乙酰辅酶A通路增强乙酸合成，驯鹿则富集丙酸代谢模块。特别值得注意的是，金丝猴肠道菌群特有的嘌呤代谢基因可能帮助清除缺氧导致的尿酸积累，而驯鹿菌群中组氨酸合成通路可能通过转化为组胺来调节外周血管舒张。

这项研究首次系统论证了肠道微生物在哺乳动物寒冷适应中的双重角色：既存在跨物种的趋同适应机制（如SCFA增产、纤维降解），又演化出针对特定环境压力的特异方案（如高原缺氧与极寒适应）。这些发现不仅为动物适应性进化理论提供了新视角，更暗示人类在极端环境探索中或可通过调控菌群提升适应能力。特别是驯鹿菌群"降胆固醇"的意外发现，为防治高脂饮食相关代谢疾病提供了潜在干预靶点。该研究的创新性在于将比较基因组学与宏基因组学结合，揭示了宿主-微生物共进化在环境适应中的普适性规律，为生态保护与极端医学领域开辟了新思路。