尤卡坦半岛野生啮齿类动物肠道菌群的进化与生态驱动机制研究

本研究针对宿主-微生物组共进化过程中生态与进化驱动力的相互作用机制这一关键科学问题，通过对墨西哥尤卡坦半岛六个啮齿物种的肠道菌群进行16S rRNA测序分析，结合希尔数、机器学习与系统发育比较框架等多维分析方法，揭示了系统共生(phylosymbiosis)和地理分化共同塑造菌群结构的规律。研究发现特定细菌家族（如Lachnospiraceae、Muribaculaceae）与宿主食性及代谢功能密切关联，为野生动物微生物生态学提供了跨物种比较的重要范式。

　　

在微生物生态学研究领域，宿主与微生物组之间的共生关系一直被视作协同进化的典范——微生物为宿主提供关键的生理功能，而宿主则通过遗传和环境因素反哺微生物群落。然而，这种复杂互作背后的进化与生态驱动机制仍亟待阐明。尤其在野生啮齿动物这类生态位多样、分布广泛的模式生物中，菌群结构的形成究竟更受宿主遗传背景的制约，还是环境因子的主导，始终是学界争论的焦点。墨西哥尤卡坦半岛以其独特的地质水文条件和生物多样性为此研究提供了天然实验室。在这一背景下，Gabriela Borja-Martinez等研究人员在《Microbial Ecology》发表了针对六种野生啮齿动物肠道菌群的系统研究，揭示了进化历史与地理生态因素如何共同 sculpt 这些微小生命的微观生态系统。

为了深入解析菌群结构的驱动因子，研究团队结合了高通量测序与多维生物信息学分析。他们采用16S rRNA V4区测序（使用515F/806R引物）对61份粪便样本进行微生物群落解析，通过QIIME2流程进行序列质量控制、去噪和ASV（Amplicon Sequence Variant）聚类，并使用SILVA 138数据库进行物种注释。Alpha和Beta多样性分析依托希尔数（Hill numbers）框架，涵盖q?（丰富度）、q?（常见类群）和q?（优势类群）三个维度；Beta多样性则基于Bray-Curtis、加权与非加权Unifrac距离矩阵。系统发育信号检测借助Blomberg’s K和Pagel’s λ完成，宿主 phylogeny 则通过cyt b基因序列构建贝叶斯树。机器学习分类采用随机森林（Random Forest）与支持向量机（SVM）算法验证宿主种类与地理区域对菌群组成的预测能力。

研究结果

一、菌群组成具有显著的宿主种间差异

核心菌群分析表明，Lachnospiraceae、Lactobacillaceae、Muribaculaceae和Ruminococcaceae四个菌科在95%的样本中普遍存在。LEfSe分析识别出38个在宿主间差异显著的细菌家族，如Lactobacillaceae在Peromyscus yucatanicus中富集，而Desulfovibrionaceae在Oryzomys couesi中占优。随机森林模型进一步验证了宿主种类对菌群分类的预测准确性高达93-100%。

二、Alpha与Beta多样性揭示生态与进化双重印记

Ototylomys phyllotis（半树栖、食叶性）表现出最高的菌群丰富度（q?），而Peromyscus leucopus最低。Beta多样性分析显示，地理区域（Bray-Curtis）和宿主种类（Unweighted Unifrac）均是菌群结构的重要解释因子（PERMANOVA，p<0.05），但未发现性别与年龄的显著影响。

三、系统发育信号证实phylosymbiosis模式

系统发育比较分析显示，q?（丰富度）和q?（常见类群）在不同分类水平上均存在显著系统发育信号（Blomberg’s K>1，p<0.05），表明近缘物种拥有相似菌群组成。然而，q?（优势类群）未呈现显著信号，暗示生态因素（如饮食）可能对核心菌群的影响更大。

四、地理区域塑造菌群空间分异

机器学习模型对Mérida（城市区）和Tizimín（农牧区）的分类准确率超过80%，而Calakmul（自然保护区）分类效能较低（0-46%），说明人类活动强度可能加剧菌群的地理分异。

五、菌群功能与食性紧密关联

功能推测表明，O. phyllotis中富集的Bifidobacteriaceae和Muribaculaceae参与植物多糖（如纤维素、木聚糖）降解；O. couesi中高丰度的Desulfovibrionaceae可能与其半水栖食性中的硫代谢相关；而Peromyscus spp.中常见的Rs-E47_termite_group则反映了昆虫摄食习性。

本研究通过多维度分析证实，尤卡坦半岛啮齿动物肠道菌群的构建同时受到进化历史（宿主系统发育）和生态因素（地理环境、食性）的共同塑造。系统共生（phylosymbiosis）是驱动菌种分异的重要机制，但生态过滤作用（如饮食专化性）可削弱这一信号。研究首次报道了Oligoryzomys fulvescens等物种的菌群特征，为理解野生哺乳动物微生物适应策略提供了关键数据。这些发现强调，在自然群落中解析宿主-微生物互作需整合跨学科方法，未来研究应进一步聚焦功能基因层面与宿主生理的联动机制。