尼罗罗非鱼肠道微生物群对水温升高的响应及免疫功能变化研究解读
中国科学院水生生物研究所的研究人员 Zhenbing Wu、Qianqian Zhang 等在Scientific Reports期刊上发表了题为 “Alterations and resilience of intestinal microbiota to increased water temperature are accompanied by the recovery of immune function in Nile tilapia” 的论文。该研究聚焦于全球变暖背景下，水温升高对尼罗罗非鱼肠道微生物群和免疫功能的影响，为理解水生变温动物如何应对气候变化提供了关键依据，对可持续水产养殖和水生动物保护策略的制定意义重大。
一、研究背景
近几十年来，气候变化和极端热浪对人类健康、全球粮食安全及生物多样性构成严重威胁。环境温度作为影响宿主相关微生物组的重要因素，其变化会对动植物体内外共生微生物产生作用，进而影响宿主健康。在众多受影响的生物中，鱼类作为水生变温动物，其体温随水温变化，基本生理功能易受水温升高的影响。渔业在保障世界粮食安全方面至关重要，因此探究养殖鱼类对高温的适应机制极为关键。然而，目前气候变化如何影响宿主相关微生物群及其与宿主生理状态的关联尚不明确，尤其是水生动物复杂的肠道微生态系统对水温升高的响应仍是未解之谜。尼罗罗非鱼对水温耐受性强，是研究水温对变温脊椎动物肠道微生物群影响的理想对象，但此前鱼类肠道微生物群，特别是肠道黏膜相关微生物群，对气候变化或热浪导致的水温升高的响应模式及其与免疫状态的相关性仍不清晰。
二、研究材料与方法
（一）实验动物伦理审批
该项目获得中国科学院水生生物研究所动物伦理与福利委员会批准，所有实验遵循 ARRIVE 指南相关规定，研究人员均同意参与此项目。
（二）实验设计与流程
研究选用 300 尾大小相近的尼罗罗非鱼（NEW GIFT 品系），在水温约 18°C 的环境中驯化 15 天。之后选取 90 尾健康鱼，随机分为三组，每组三个水箱，分别为对照组（18°C）、低水平升温组（20°C）和高水平升温组（26°C）。实验前，所有水箱水温稳定在 18°C，鱼再驯化 7 天。升温过程中，升温组水温每天逐渐升高 2°C，直至达到目标温度并保持稳定。实验用水为预热曝气的自来水，每天更换水箱内三分之一的水以维持水质。实验期间，鱼以体重 3% 的量投喂商业饲料，每天测量记录水温、观察记录死亡率，每周检测常见水质指标。
（三）样本采集与处理
实验过程中，分别在不同阶段采集样本。驯化 7 天后，从对照组三个水箱中随机采集 6 尾鱼；低、高水平升温 7 天后，从各升温水箱中分别采集 2 尾鱼；实验结束时，再次从各升温水箱中采集 2 尾鱼。采集的鱼经麻醉、称重后，从尾静脉取血，分离血清储存于 - 20°C。解剖鱼体，取后肠，收集肠内容物和黏膜，分别储存于 - 80°C。
（四）检测指标与方法
采用比浊法测定血清溶菌酶活性，通过改良方法检测血清杀菌活性，实验中使用嗜水气单胞菌、无乳链球菌和迟钝爱德华氏菌三种罗非鱼常见病原菌。对肠道样本进行 16S rRNA 基因扩增子测序，提取微生物 DNA，扩增 V3 - V4 高变区，纯化 PCR 产物后在 Illumina MiSeq PE300 平台测序。利用 Trimmomatic 和 FLASH 对原始数据进行质量控制，聚类操作分类单元（OTUs）并去除嵌合体，通过 RDP Classifier 分析分类学信息，使用多种指数评估 α 多样性，基于 Bray - Curtis 度量进行主坐标分析（PCoA）和相似性分析（ANOSIM）评估 β 多样性，运用 PICRUSt2 预测肠道微生物群的功能和代谢途径。
三、研究结果
（一）水温升高对罗非鱼生长性能和存活率的影响
实验期间，水箱实际水温在设计温度上下 1°C 波动。短期升温后，高水平升温组罗非鱼体重显著高于低水平升温组；长期升温后，两组体重无显著差异。短期升温后，低水平升温组罗非鱼累计存活率高于高水平升温组；长期升温后，高水平升温组累计存活率高于低水平升温组。这表明升温幅度对罗非鱼生长性能和存活率有影响。
（二）水温升高对罗非鱼血清免疫参数的影响
短期升温后，罗非鱼血清对三种常见病原菌的杀菌活性下降，对无乳链球菌的杀菌活性显著降低；长期升温后，杀菌活性上升，多数值显著高于短期升温组和对照组。血清溶菌酶活性短期升温后下降，长期升温后上升，但变化不显著。总体而言，罗非鱼的两种免疫参数在短期升温后降低，长期升温后升高并恢复至正常水平，说明其免疫功能在短期升温后受损，在长期升温适应过程中逐渐恢复。
（三）水温升高对肠道微生物群多样性和结构的影响
经质量控制和随机重采样，共获得有效读数，聚类得到 OTUs，样本覆盖度良好。低水平升温组中，肠道内容物和黏膜的微生物丰富度、多样性和均匀度在短期升温后显著增加，长期升温后显著降低并恢复至初始水平；高水平升温组中，肠道内容物的这些指标短期升温后显著降低并维持在低水平，肠道黏膜的指标短期升温后显著增加并维持在高水平。ANOSIM 和 PCoA 分析表明，低水平升温组肠道微生物群结构在短期和长期升温后均发生显著变化，最终恢复至初始状态；高水平升温组短期升温后结构变化显著，长期升温后无显著变化且与对照组差异显著。此外，不同升温条件下，肠道微生物群的肠型也发生改变，这些结果表明肠道微生物群的丰富度、多样性、结构和肠型对低水平升温具有弹性，对高水平升温则不具备。
（四）水温升高对肠道微生物群分类组成的影响
在门水平上，低水平升温组中，肠道内容物和黏膜的优势微生物相对丰度随水温变化显著波动，多数在短期升温后升高，长期升温后降低；高水平升温组中，肠道内容物和黏膜的优势微生物相对丰度变化趋势各异。在属（或种）水平上，低水平升温组中，多数优势属的相对丰度在短期升温后升高，长期升温后降低；高水平升温组中，部分属的相对丰度变化趋势不同，且高水平升温后肠道黏膜中机会致病菌相对丰度增加，有益菌相对丰度降低。综合表明，多数肠道微生物的相对丰度对低水平升温具有弹性，对高水平升温不具有弹性。
（五）水温升高对肠道微生物群共现网络的影响
低水平升温后，肠道内容物相关微生物群的网络拓扑参数多数显著降低，肠道黏膜相关微生物群的多数参数先升后降，整体仍降低；高水平升温后，肠道内容物和黏膜相关微生物群的所有网络拓扑参数急剧下降。肠道黏膜相关微生物群的网络复杂度高于肠道内容物相关微生物群，但低水平升温后其网络恢复不完全，长期升温会破坏两类微生物群的网络复杂度和稳定性。
（六）水温升高对肠道微生物群预测功能的影响
PICRUSt2 预测显示，低水平升温组中，肠道内容物和黏膜的微生物功能结构在短期和长期升温后均发生显著变化，最终恢复至初始状态；高水平升温组中，短期升温后功能结构变化显著，长期升温后无显著变化且与对照组差异显著。在 KEGG 二级代谢途径中，低水平升温组相关功能类别先降后升，具有较强弹性；高水平升温组中肠道内容物功能增加，肠道黏膜功能降低。此外，低水平升温后潜在致病表型相对丰度先升后降，高水平升温后肠道内容物中降低，肠道黏膜中增加。
四、研究结论与讨论
（一）研究结论
尼罗罗非鱼肠道微生物群对水温升高的响应与免疫功能的恢复相关。肠道微生物群的多样性、结构、优势微生物和预测功能对低水平升温具有弹性，对高水平升温不具有弹性。短期升温显著增加肠道黏膜微生物丰富度和多样性，但机会致病菌过度生长抑制了潜在益生菌的定植，导致代谢途径减少和潜在致病表型增加，增加了肠道黏膜病原体感染鱼类的风险。长期升温不同程度地降低了肠道微生物群的网络复杂度和稳定性，影响了宿主健康。
（二）讨论
鱼类免疫功能方面，水温升高影响罗非鱼生长和存活。短期升温时，在适宜温度范围内，高水平升温组罗非鱼体重因摄食和代谢变化而增加，但长期升温后两组体重无差异。短期升温时低水平升温组存活率高，长期升温时高水平升温组存活率高。血清免疫参数变化表明，短期升温使罗非鱼免疫功能受损，长期升温后逐渐恢复，这与水产养殖环境变化导致鱼类疾病爆发的现象相符。
肠道微生物多样性和结构方面，环境温度影响鱼类肠道微生物群。短期升温使多数肠道样本微生物丰富度和多样性增加，这与部分研究结果一致，但也存在差异，可能与鱼的种类和温度有关。短期升温后肠道黏膜微生物变化与免疫功能受损有关，有助于提高肠道微生物群定植抗性，降低病原体感染风险。长期高水平升温使肠道黏膜微生物丰富度和多样性保持较高水平，持续降低病原体入侵风险，表明肠道微生物群对宿主应对升温压力有益。短期升温还导致肠道微生物群结构改变，长期低水平升温后可恢复。
肠道微生物共现网络方面，升温破坏了肠道内容物相关微生物群的复杂性和稳定性，短期低水平升温在一定程度上改善了肠道黏膜相关微生物群的网络复杂度和稳定性，可能有助于稳定肠道黏膜屏障和恢复免疫功能，但长期低水平升温仍有潜在负面影响，高水平升温则严重破坏肠道黏膜相关微生物群网络。
肠道微生物组成方面，多数优势肠道微生物对低水平升温具有弹性，这对水产养殖管理有重要意义，但低水平升温后微生物类群的细微变化仍可能影响宿主健康。高温有利于潜在病原体生长，短期升温后肠道黏膜中机会致病菌富集，抑制了有益微生物定植，降低了肠道代谢功能，增加了鱼类感染风险。
肠道微生物功能方面，肠道微生物群功能受水温影响，低水平升温时相关功能先降后升，高水平升温则破坏了正常功能，导致肠道代谢功能受损。短期升温还使肠道黏膜对外源化合物的生物降解和代谢能力下降，增加了潜在致病表型，表明升温增加了肠道黏膜病原体感染鱼类的风险。
本研究揭示了尼罗罗非鱼肠道微生物群与免疫功能在水温升高时的变化规律，为全球变暖背景下可持续水产养殖和水生动物保护提供了重要参考。未来研究应进一步探究宿主相关微生物组对宿主应对气候变化和极端热浪能力的影响机制 。
