首次跨物种揭秘：长臂猿肠道微生物群如何适应亚适宜栖息地的独特策略

为探究野生动物肠道微生物对亚适宜栖息地的适应机制，中山大学的研究人员开展长臂猿肠道微生物的跨物种研究。结果揭示了不同长臂猿的适应策略。该研究为灵长类保护提供依据，极具科研价值，推荐科研读者阅读。

　　

中山大学（School of Life Sciences, Sun Yat-sen University）的研究人员 Li-Ying Lan 等人在npj Biofilms and Microbiomes期刊上发表了名为 “Comparative study of gut microbiota reveals the adaptive strategies of gibbons living in suboptimal habitats” 的论文。该研究对于揭示野生灵长类动物在不同栖息地中肠道微生物群的生态适应策略，以及推动野生动物保护领域的发展具有重要意义。

研究背景

随着人类活动的加剧，许多濒危动物的栖息地遭到破坏，大量动物迁移到不太理想的栖息地（suboptimal habitats）。在这些栖息地中，食物短缺和饮食变化成为野生动物面临的主要挑战。例如，许多灵长类动物需要食用大量替代食物来满足营养需求。由于消化系统在进化上难以快速适应环境变化，肠道微生物群（gut microbiota）及其相关代谢活动的快速响应，可能是宿主适应饮食转变的关键机制。近年来，宿主相关微生物对濒危动物生存和保护的重要性日益受到关注，但此前的研究多为单物种研究或不同饮食的比较，忽视了跨物种在不同亚适宜环境中的定量饮食数据比较。而且，由于肠道微生物群的高度灵活性，长期饮食监测对于研究肠道微生物群的时间动态至关重要。因此，开展纵向和跨物种的肠道微生物研究，有助于了解野生动物对亚适宜环境的适应阈值。

长臂猿（Gibbons）作为森林生态系统的旗舰物种，目前所有 20 种长臂猿的数量都在下降，多个物种处于濒危状态。由于森林碎片化，长臂猿的潜在栖息地大幅减少，许多长臂猿迁移到了北部或高海拔的亚适宜栖息地。在这些地方，它们面临着食物短缺和低温等生存挑战，例如在水果匮乏的季节，它们会大量食用树叶（虽然它们在水果丰富的栖息地或季节更倾向于食用水果）。但长臂猿作为食果动物，没有发达的胃部或复杂的后肠结构来帮助发酵和消化树叶中的纤维，因此长臂猿是研究濒危野生动物肠道微生物如何响应宿主对亚适宜栖息地适应的理想模型。

研究方法

1. 研究地点和物种：研究在中国的三个国家级自然保护区展开，分别对天行长臂猿（Hoolock tianxing）、西黑冠长臂猿（Nomascus concolor）和海南长臂猿（Nomascus hainanus）进行研究。天行长臂猿的研究地点在云南高黎贡山国家级自然保护区的两个位点；西黑冠长臂猿的研究在云南无量山国家级自然保护区的大寨子长臂猿研究站；海南长臂猿的研究在海南热带雨林国家公园的两个位点。这些研究地点的气候和环境各有特点，为研究不同栖息地长臂猿的肠道微生物群提供了多样的样本。
2. 喂养行为观察和粪便样本收集：研究人员每月跟踪观察长臂猿约八天，通过多种方式定位长臂猿后，持续观察并记录它们食用的食物种类和类型，用观察到的灵长类动物食用特定食物的时间来量化每种食物类型的比例。粪便样本在排便后立即收集，确保无菌且无污染，放入含 95% 乙醇的 50ml 无菌管中，随后运往实验室并储存在 - 80°C。共收集了 947 份粪便样本，包括 433 份天行长臂猿、234 份西黑冠长臂猿和 280 份海南长臂猿的样本。
3. DNA 提取、测序和处理：对西黑冠长臂猿和海南长臂猿的粪便样本，采用与之前研究相同的方案进行 DNA 提取、测序和处理。扩增 16S 核糖体 RNA 基因的 V4 高变区，在 QIIME2（2022.08）中对序列进行分析，并使用 Na?ve Bayes 分类器在 SILVA SSU 138.1 数据库中进行分类学注释。
4. 数据可视化和统计分析：使用 R（v 4.3.1）进行所有分析和绘图。通过多种方法和软件包，对不同长臂猿样本中的扩增子序列变体（ASVs）、肠道细菌群落差异、系统发育 β 多样性、微生物群落组装机制等进行分析，还运用随机森林分析、线性混合模型（LMM）等方法探究影响因素，使用线性判别分析效应量（LEfSe）识别不同叶食水平下的 ASVs，并对 P 值进行校正以判断统计显著性。

研究结果

1. 长臂猿微生物分类成员的比较：对 947 个样本的微生物分类分析发现，共产生 16 个门、23 个纲、44 个目、65 个科、137 个属和 10893 个 ASVs，其中 763 个 ASVs 为三种长臂猿共有。天行长臂猿独特 ASVs 的比例最高，其次是西黑冠长臂猿和海南长臂猿。三种长臂猿每个样本的 ASVs 数量相似，但肠道微生物群落的多样性和结构存在显著差异，西黑冠长臂猿的 α 多样性最高，海南长臂猿最低。在门水平上，三种长臂猿肠道中最丰富的细菌是厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidota），海南长臂猿的纤维杆菌门（Fibrobacterota）比例较高。在科水平上，不同长臂猿的优势细菌科不同。
2. 季节和饮食对长臂猿肠道微生物动态的影响：随机森林分析和 Spearman 秩相关分析表明，饮食（叶食比例或果食比例）和季节变化（月份）是解释所有长臂猿细菌 α 多样性变化的主要因素。以水果消费为栖息地质量指标，海南长臂猿年水果摄入量最高，栖息地质量较好；西黑冠长臂猿和天行长臂猿栖息地水果供应较低且变化大，更依赖树叶。海南长臂猿全年肠道细菌 α 多样性显著低于其他两种长臂猿，肠道微生物组成更稳定；天行长臂猿季节性饮食变化大，肠道微生物的嵌套性最低、物种周转率最高，反映出其肠道微生物的高变异性；西黑冠长臂猿季节性饮食变化较小，系统发育多样性最高，包含的门数量更多。
3. 不同叶食水平长臂猿肠道微生物群落的组装过程：在所有样本中，除叶食比例为 10 - 20% 外，扩散限制（dispersal limitation）是主导的组装过程，其次是均匀选择（homogeneous selection）。海南长臂猿扩散限制比例最高，西黑冠长臂猿均匀选择在确定性过程中起主要作用，而天行长臂猿和海南长臂猿的肠道微生物群落组装主要受随机过程中的扩散限制主导。iCAMP 分析显示，不同长臂猿中，不同细菌谱系对群落组装过程的重要性不同。
4. 不同叶食水平长臂猿肠道微生物群落的响应模式：LEfSe 分析发现，天行长臂猿在不同叶食水平下的生物标志物数量比西黑冠长臂猿和海南长臂猿更多。不同长臂猿在不同叶食水平下的响应分类群不同，天行长臂猿的响应分类群和系统发育分支更多。在科水平上，瘤胃球菌科（Lachnospiraceae）和颤螺旋菌科（Oscillospiraceae）是三种长臂猿对叶食增加的共同响应细菌科，天行长臂猿和西黑冠长臂猿共享的响应谱系比与海南长臂猿共享的更多。

研究结论与讨论

该研究揭示了三种长臂猿肠道细菌群落的组装过程和物种周转情况，展示了它们不同的生态适应机制。与其他长臂猿相比，生活在最恶劣环境（低温）的天行长臂猿肠道微生物群落变化最大。研究发现不同长臂猿的肠道微生物群落组成不同，优势菌门和菌科在消化和营养吸收中发挥重要作用。例如，厚壁菌门和拟杆菌门与植物纤维降解和营养同化有关，纤维杆菌门中的细菌对海南长臂猿消化纤维素至关重要。

在肠道微生物多样性方面，生活在亚适宜栖息地的天行长臂猿和西黑冠长臂猿的 α 多样性高于海南长臂猿，这可能为宿主提供不同的消化酶，帮助它们应对环境压力。西黑冠长臂猿的高 α 多样性，反映出其微生物群落物种的进化差异和生态功能适应；天行长臂猿的高物种周转率，表明吃更多树叶的灵长类动物肠道微生物动态更明显。

不同长臂猿对叶食比例变化的响应模式和微生物群落组装机制也存在差异。在天行长臂猿和海南长臂猿中，随机过程中的扩散限制主导肠道微生物群落组装，而西黑冠长臂猿的饮食变化使其面临更强的环境筛选，确定性选择在其肠道微生物群落组装中起更重要作用。这些差异体现了长臂猿在饮食转变和季节变化中的不同适应策略。

这项研究首次运用微生物群落组装理论，探究野生动物的生态适应过程，为进一步研究不同栖息地灵长类动物提供了基础。尽管长臂猿的肠道微生物多样性、响应模式和适应策略存在差异，但它们似乎都能应对短期和长期的饮食变化以及亚适宜栖息地，这为保护工作带来了希望。不过，研究也存在一定局限性，如扩增子测序在捕获微生物群落功能潜力方面存在不足。未来可采用宏基因组学或宏转录组学等方法，深入研究肠道微生物群的功能动态及其与栖息地差异的关系。