健康相关关键肠道菌群驱动非人灵长类动物群落代谢互作变异

《Cell Reports》：Health-associated key gut microbiota drives the variation in community metabolic interactions in non-human primates

本研究针对肠道微生物群落代谢互作机制及其与宿主健康关联这一科学难题，通过对全球53种非人灵峰类841个宏基因组构建的3,867个物种水平基因组草图进行分析，首次揭示Bacillota_A和Pseudomonadota门关键菌群通过代谢资源重叠(MRO)和代谢互作潜能(MIP)驱动群落代谢竞争与协作的平衡机制，为理解复杂微生物生态系统提供了新视角。

　　

在复杂的肠道微生态系统中，数以万亿计的微生物通过代谢交叉喂养和资源竞争形成错综复杂的互作网络。然而，由于大多数肠道微生物难以培养，科学家对群落水平代谢互作的全域变异规律及其对宿主健康的影响机制仍知之甚少。尤其值得注意的是，尽管已有研究揭示了肠道微生物组成与宿主进化史的密切关联，但驱动微生物群落代谢互作类型演变的关键因素及其生态学意义仍是未解之谜。

为了解决这些科学问题，中山大学范朋飞教授团队在《Cell Reports》上发表了题为"Health-associated key gut microbiota drives the variation in community metabolic interactions in non-human primates"的研究论文。该研究通过构建涵盖53种非人灵峰类的统一肠道微生物基因组目录(NPG-MG)，首次系统揭示了宿主系统发育背景下降落代谢互作类型的演变规律，并鉴定出决定群落互作类型的关键微生物类群。

研究人员整合了全球841个粪便宏基因组数据，构建包含3,867个物种水平基因组草图(SGBs)的NPG-MG目录。通过基因组尺度代谢模型计算代谢资源重叠(MRO)和代谢互作潜能(MIP)指标，采用系统发育控制混合模型(MCMCglmm)分析宿主特征对代谢互作的影响，利用随机森林模型评估关键菌群对宿主健康状态的预测效能。

Construction of an NPG-MG catalog

研究团队整合了来自23篇已发表研究的725个宏基因组数据，并新增采集中国云南无量山国家级自然保护区同域分布的两类灵峰类（西部黑冠长臂猿和印支灰叶猴）116个粪便样本进行测序。最终获得的数据集涵盖53种现存灵峰类，包括9科31属，饮食类型涵盖食叶动物、食果动物、杂食动物等，生活环境包括野生和圈养条件。通过宏基因组组装和分箱，获得15,309个高质量基因组，去冗余后得到3,867个SGBs，平均完整度达96.3%，污染率仅0.72。

Primate phylogeny determines the gut microbial metabolic interactions

研究发现，不同食性、生活环境、肠道形态和系统发育支系的灵峰类，其肠道微生物的MRO和MIP存在显著差异。食叶动物和食草动物的肠道微生物表现出更强的竞争和协作强度，圈养灵峰类的协作强度显著高于野生个体，前肠发酵动物的竞争和协作水平均高于后肠发酵动物。系统发育控制模型显示，灵峰类系统发育关系对肠道微生物MRO和MIP水平均具有显著影响。

Key microbiota of Bacillota_A and Pseudomonadota drive the metabolic interactive types

研究鉴定出29个Bacillota_A门关键SGBs和13个Pseudomonadota门关键SGBs，分别对群落MRO和MIP贡献最大。随机森林分类器基于这些关键菌群的分布，可有效区分不同互作类型。模拟分析进一步证实，Bacillota_A主导的群落表现出高度竞争性，而Pseudomonadota主导的群落则显示最强的协作性。

Genomic and ecological evidence of Bacillota_A and Pseudomonadota for their polarized metabolic interactions

基因组分析显示，Bacillota_A菌株具有较高的基因组相关性，而Pseudomonadota菌株具有较大的基因组尺寸。功能注释表明，Bacillota_A物种多为氨基酸营养缺陷型，而Pseudomonadota物种可产生铁载体等公共产物。生态分布分析发现，90.8%的Bacillota_A基因组来源于宿主相关环境，且多为厌氧菌；而53.7%的Pseudomonadota基因组存在于自由生活条件，且多为需氧菌。

Case study shows potential health implications of gut microbial metabolic interactions

通过对健康与患病灵峰类肠道微生物组的比较分析，发现Bacillota_A在健康个体中显著富集，而Pseudomonadota在患病个体中显著增加。患病个体肠道微生物的代谢协作强度显著升高。基于67个关键菌群构建的随机森林模型可准确区分健康与患病状态(AUC=0.99)。功能分析显示，Pseudomonadota物种携带最多的毒力因子基因(VFs)和抗生素抗性基因(ARGs)。

研究结论表明，灵峰类系统发育历史深刻影响肠道微生物代谢互作变异，关键竞争性菌群Bacillota_A和协作性菌群Pseudomonadota的平衡关系决定了群落互作类型。这两种菌群的基因组和生态适应特征解释了其固有的代谢互作倾向，而它们的变化与宿主健康状态密切关联。该研究不仅增进了对复杂肠道微生物生态系统的机制理解，也为利用微生物代谢互作指标进行疾病诊断和灵峰类保护管理提供了新思路。

研究的局限性在于尚未充分考虑物种丰度和其他微生物互作类型（如噬菌体捕食、毒性作用）对互作强度的影响。未来研究需要通过微宇宙实验或计算机模拟进一步探索这些因素，从而更全面地理解复杂的肠道微生物互作网络。