鳞胁秋沙鸭肠道菌群在不同发育阶段能量代偿中的适应性特征研究

本研究通过宏基因组分析揭示了濒危水禽鳞胁秋沙鸭(Mergus squamatus)成体和亚成体肠道菌群组成与功能的年龄差异。研究发现成体个体中厚壁菌门(Firmicutes)丰度更高，而亚成体放线菌门(Actinobacteria)占优势；成体菌群在乙酰辅酶A(acetyl-CoA)和丙酮酸(pyruvate)合成、乙酰辅酶A向乙酸盐转化等能量代谢通路(M00001/M00009/M00422等模块)中表现出显著增强的代谢潜力。该研究为理解水禽发育过程中微生物动态变化提供了重要基础数据。

　　

鳞胁秋沙鸭肠道菌群在不同发育阶段的适应性特征研究

Introduction

野生动物肠道内栖息着复杂的微生物群落，这些微生物与宿主的相互作用对营养吸收、生长发育、免疫防御和行为调节具有重要作用。作为能量代谢的核心机制之一，肠道菌群通过短链脂肪酸(SCFAs)的生物合成深刻影响着宿主的能量代谢过程。SCFAs主要包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，是肠道菌群发酵膳食纤维的终产物。

鸟类作为进化成功的类群，其肠道菌群被认为比哺乳动物更不稳定且更具适应性。然而，关于水禽成体与亚成体间肠道菌群动态的研究仍属空白。鳞胁秋沙鸭作为东亚特有濒危物种，其不同发育阶段肠道菌群组成与功能的适应性变化尚不明确。

Materials and methods

研究在黑龙江碧水国家级自然保护区采集了12份新鲜粪便样本（成体CT组和亚成体YCT组各6份）。通过CTAB法提取基因组DNA，使用Illumina NovaSeq 6000平台进行PE150测序。数据质量控制后，采用Kraken2进行物种注释，HUMAnN2进行功能注释。统计分析包括α/β多样性评估、LEfSe分析（LDA>4，p<0.05）和STAMP差异分析（Welch's t-test，p<0.05）。

Results

肠道菌群组成分析

在门水平上，鳞胁秋沙鸭肠道菌群以厚壁菌门（成体59.72±2.21%，亚成体51.10±1.79%）、放线菌门（成体16.39±0.7%，亚成体11.86±1.13%）和变形菌门（成体12.25±0.17%，亚成体17.32±1.73%）为主。属水平上，成体中乳酸杆菌(Ligilactobacillus)丰度显著较高（25.84±4.93% vs 0.20±0.01%），而亚成体以肉杆菌(Carnobacterium)为优势菌属（13.98±5.37% vs 0.09±0.01%）。

年龄相关的菌群差异

α多样性分析显示成体组菌群丰富度和均匀度显著更高（Chao/Shannon/Simpson指数，p<0.05）。PCoA分析证实两组菌群结构存在显著差异（p<0.05）。LEfSe分析鉴定出39个显著差异菌属，包括成体中富集的微球菌(Microlunatus)和诺卡氏菌(Nocardioides)，以及亚成体中富集的嗜冷杆菌(Psychrobacter)。

功能基因差异

KEGG注释发现成体组在"微生物代谢多样性环境(map01120)"通路中127个功能基因显著富集。关键代谢模块分析显示，成体组在CO₂固定生成乙酰辅酶A(M00422)、D-半乳糖酸转化为丙酮酸(M00631)、丙酮酸转化为乙酰辅酶A(M00307)等通路中具有显著优势（p<0.05）。特别是乙酰辅酶A转化为乙酸盐(M00579)和丁酸盐合成相关酮体生物合成模块(M00088)在成体中显著增强。

Discussion

研究揭示了鳞胁秋沙鸭肠道菌群在发育过程中的适应性变化。成体中厚壁菌门的优势可能与其降解几丁质等复杂多糖的能力相关，而放线菌门的抗炎特性有助于维持免疫稳态。乳酸杆菌在成体的高丰度可能源于其产生的多种消化酶（如脂肪酶和蛋白酶），这有助于成体更高效地分解吸收营养物质。

能量代谢方面，成体菌群通过糖酵解(M00001)、三羧酸循环(M00009)等通路增强丙酮酸和乙酰辅酶A的合成能力，这与其繁殖期求偶、筑巢等高能耗行为的需求相符。乙酰辅酶A作为能量代谢核心物质，既能通过三羧酸循环生成ATP，又能通过糖异生(M00003)参与葡萄糖合成，或转化为乙酸盐(M00579)为宿主提供能量补偿。

值得注意的是，成体菌群在氮循环通路（如硝化、反硝化）中的相对丰度也显著高于亚成体，GLUL和glnA基因在功能基因网络中占据重要地位，并与nxrA、narZ等基因呈正相关。

Conclusion

该研究证实鳞胁秋沙鸭从亚成体到成体发育过程中，肠道菌群多样性逐渐增加，厚壁菌门和放线菌门比例显著上升。成体菌群通过M00001/M00307/M00422等模块增强乙酰辅酶A和丙酮酸合成能力，提高能量代谢效率，这为理解濒危水禽能量代偿机制提供了新视角，也为野生动物保护生物学研究提供了重要基础数据。