多组学解析肠道真菌适应膳食碳水化合物的分子机制及其CAZymes介导的代谢网络

推荐：本研究针对肠道真菌如何适应不同膳食碳水化合物的科学问题，通过多组学技术揭示白色念珠菌(C. albicans)优先利用菊粉(inulin)和甘露寡糖(MOS)的分子机制，发现GH15、GH13_40等碳水化合物活性酶(CAZymes)通过特异性水解α/β糖苷键驱动碳源代谢，为真菌-宿主互作提供了新见解。

　　

碳水化合物作为人类和动物饮食的主要能量来源，其消化吸收高度依赖肠道微生物的代谢能力。尽管细菌在碳水化合物降解中的作用已被广泛研究，但占肠道微生物0.1%的真菌群落却长期被忽视。特别是在单胃动物如猪的肠道中，真菌如何参与复杂多糖的降解仍是一个未解之谜。更引人深思的是，白色念珠菌(Candida albicans)作为肠道常见共生真菌，通常被视为条件致病菌，但其在健康宿主体内的代谢功能几乎未被探索。这种认知空白严重限制了我们对肠道真菌生态功能和进化适应机制的理解。

四川农业大学动物营养研究所的研究人员通过创新性的多组学方法，揭示了肠道真菌适应膳食碳水化合物的分子机制。研究以猪肠道核心真菌C. albicans为模型，采用6种典型碳水化合物（包括菊粉、甘露寡糖和微晶纤维素等）进行体外培养，结合扫描电镜、qPCR和糖含量测定等技术，首次系统描绘了真菌对不同碳源的利用偏好。随后通过整合转录组学和代谢组学分析，解析了真菌CAZymes与代谢网络的协同调控机制。相关成果发表在《Current Research in Microbial Sciences》上。

研究主要采用四大关键技术：1) 体外发酵系统模拟肠道环境，监测96小时内真菌生长动力学；2) 扫描电镜观察真菌-底物互作形态；3) LC-MS非靶向代谢组学分析发酵液代谢物变化；4) Illumina NovaSeq 6000平台进行转录组测序，结合dbCAN2数据库注释CAZymes。所有实验均设三个生物学重复以确保数据可靠性。

【生长特性分析】qPCR和糖含量测定显示C. albicans对可溶性多糖（菊粉和MOS）的利用效率显著高于淀粉，SEM观察到真菌细胞紧密粘附在底物颗粒表面。微晶纤维素组的独特之处在于真菌持续生长但总多糖降解有限，暗示其对结晶区纤维素的特殊降解策略。

【代谢特征解析】菊粉组检测到69种差异代谢物，主要富集于氨基酸和碳水化合物代谢通路，其中糖酵解/糖异生和果糖-甘露糖代谢通路最为活跃。值得注意的是，α-D-葡萄糖等6种糖类代谢物显著下降，而2-脱氢-3-脱氧-D-葡萄糖酸含量翻倍，揭示真菌优先分解特定糖苷键。

【转录调控网络】RNA-seq发现菊粉特异性诱导GH15（靶向α-1,2糖苷键）高表达，而MOS则激活更广泛的CAZymes（包括GH13_40、GH16_2等），这些酶协同作用于β-1,4、α-1,6等多类型糖苷键。KEGG分析显示这些CAZymes与中心碳代谢通路（如TCA循环）存在显著关联。

【CAZymes功能图谱】共鉴定80个差异表达的CAZyme基因，发现多个真菌特有家族：GH5_9、GH16_18等参与细胞壁重塑，AA1、AA4等氧化还原酶可能协助木质素降解。特别值得注意的是CBM43+GH72模块，其C端碳水化合物结合模块(CBM)可能增强对复杂多糖的识别。

【多组学整合分析】相关性网络显示GT24、AA2等CAZymes与2-脱氢-3-脱氧-D-葡萄糖酸呈特异性正相关，而GH15与蜜二糖呈负相关，表明不同CAZymes家族存在底物偏好性分工。这种精细的代谢分工使真菌能高效利用多样化的膳食多糖。

这项研究首次系统阐明了肠道真菌CAZymes的底物特异性调控规律，突破性地发现：1) 真菌通过"CAZymes工具箱"策略应对不同多糖挑战，菊粉诱导特异性水解酶而MOS激活广谱酶系；2) 鉴定出18个真菌特有CAZyme家族，为开发新型酶制剂提供候选靶点；3) 提出真菌-细菌在碳水化合物代谢中存在功能互补，为理解肠道微生物组装配规则提供新视角。这些发现不仅深化了对真菌肠道适应机制的认识，也为单胃动物精准营养调控提供了理论依据——通过定向调控日粮多糖结构，可能促进有益真菌定植，从而提高饲料纤维利用率。未来研究需在体内模型中验证这些发现，并探索CAZymes在宿主-微生物互作中的信号传导功能。