季节性动态与竹叶营养调控红熊猫叶际-肠道菌群互作机制研究

本研究针对野生红熊猫肠道菌群与竹叶微生物的季节性互作机制尚不明确的问题，通过高通量测序和宏基因组学技术，系统解析了季节变化、食性转换及竹叶营养对红熊猫肠道菌群结构功能的影响。研究发现秋冬季节微生物多样性显著提升，不同摄食阶段纤维素降解酶表达呈现动态变化，竹叶粗蛋白(CP)和磷(P)含量是驱动叶际-肠道菌群结构的关键因子。该研究为珍稀物种适应性进化提供了微生物学视角，对濒危动物保护具有重要指导意义。

　　

在神秘的川西高原，生活着一种以竹子为主食的珍稀动物——红熊猫(Ailurus fulgens)。虽然属于食肉目动物，但它们几乎专食竹子，这种特殊的食性使得红熊猫必须依靠肠道微生物来消化高纤维的竹材。然而，与圈养个体相比，野生红熊猫的肠道微生物动态仍然是个未解之谜。更令人好奇的是，作为红熊猫主要食物来源的竹子，其叶片表面附着丰富的微生物群落（称为叶际微生物），这些微生物是否以及如何影响红熊猫的肠道菌群，是一个值得深入探究的科学问题。

季节变化可能通过改变竹子的营养成分和叶际微生物组成，进而影响红熊猫的肠道菌群结构和功能。理解这种复杂的相互作用，不仅能够揭示红熊猫适应特殊食性的进化机制，还能为这一濒危物种的保护提供科学依据。为此，研究人员在四川美姑大风顶国家级自然保护区开展了一项为期一年的系统研究，相关成果发表在《Animal Microbiome》期刊上。

研究团队采用多组学技术手段，包括16S rRNA高通量测序、宏基因组测序和营养组分分析等。他们对野生红熊猫的新鲜粪便样本（101份）和相应采集点的竹叶样本（101份）进行了系统采集，覆盖春夏秋冬四个季节。通过测定竹叶的粗蛋白(CP)、粗纤维(CF)、粗脂肪(EE)、钙(Ca)和磷(P)含量，并结合微生物群落分析，揭示了营养因子与微生物组成的关联。采用Illumina Miseq和NovaSeq平台进行测序，使用MEGAHIT进行序列组装，通过KEGG和CAZy数据库进行功能注释，并利用LEfSe分析和共现网络模型解析微生物群落的变化规律和互作关系。

季节变化影响红熊猫肠道微生物

研究发现，红熊猫肠道微生物的优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidota)，但在不同季节其相对丰度存在显著变化。春季拟杆菌门占比高达42.5%，而其他季节均低于20.6%。在属水平上，假单胞菌属(Pseudomonas)和杆菌属(Pedobacter)为优势菌属，其中杆菌属在春季占比达26.7%，显著高于其他季节。

微生物丰富度(Sobs指数)和多样性(Shannon指数)在秋冬季节显著高于春夏季节。NMDS分析显示春季和冬季样本能够按季节聚类，而夏季和秋季样本分布较为分散。LEfSe分析进一步揭示了不同季节间显著的微生物组成差异。

宏基因组分析发现季节变化显著影响微生物功能。秋季微生物在全局概览图、心血管疾病和内分泌代谢疾病相关通路上富集；冬季微生物在细胞生长死亡、衰老和信号分子互作方面功能增强；春季微生物则表现出较强的碳水化合物代谢、脂质代谢和次级代谢产物合成能力；夏季微生物在辅因子维生素代谢和传染性疾病方面更为活跃。

碳水化合物活性酶(CAZy)分析显示，秋季GT9、GH5_8和CT9家族丰度较高；冬季GH2、GH31、GH89、GT27和CBM48更为丰富；春季GH42、GH78、GH3、GH35等糖苷水解酶家族以及GT2、GT76、AA7、PL21和PL29显著富集；夏季则以GH23、GH103、GH19等糖苷水解酶家族和GT30、GT107、CE1、CE3、CE11等碳水化合物酯酶家族为主。

食性模式影响红熊猫肠道微生物

根据粪便组分分析，研究人员将红熊猫的摄食行为分为三个时期：叶食期（除6月和10月）、笋食期（6月）和混食期（10月，包含浆果和竹叶）。不同食性时期肠道微生物组成存在显著差异。

变形菌门在三个时期均为优势菌门，但其他菌门的相对丰度变化明显。叶食期拟杆菌门和厚壁菌门占优势；笋食期厚壁菌门为主；混食期弯曲杆菌门和拟杆菌门占主导。在属水平上，叶食期以假单胞菌属和杆菌属为主；笋食期以不动杆菌属、链球菌属和埃希氏-志贺氏菌属为优势菌属；混食期则以 Helicobacter 属为主，假单胞菌属次之。

微生物丰富度在混食期最高，笋食期最低；而微生物多样性在叶食期最高，混食期最低。NMDS分析显示不同食性时期的样本能够分别聚类，LEfSe分析揭示了不同食性时期间显著的微生物组成差异。

纤维素降解能力分析显示，纤维素酶(EC 3.2.1.4)和β-葡萄糖苷酶(EC 3.2.1.21)共同作用将纤维素分解为葡萄糖，木聚糖1,4-β-木糖苷酶(EC 3.2.1.37)将木聚糖降解为戊糖或葡萄糖醛酸。这三种碳水化合物活性酶在笋食期的表达量显著低于叶食期和混食期，其中纤维素酶和1,4-β-木糖苷酶在叶食期表达最高，而β-葡萄糖苷酶在混食期表达最高。

竹叶营养影响竹叶际微生物

竹叶营养成分分析显示，粗纤维(CF)含量最高（27.53%±1.97%至28.63%±1.37%），其次是粗蛋白(CP)、粗脂肪(EE)、钙(Ca)和磷(P)。营养成分存在显著的季节性变化，其中CP含量在秋、春、夏季显著高于冬季；CF含量在秋季最高，春季最低；P含量在冬季最高，显著高于春季和夏季。

Spearman相关分析表明，CP和P与多种竹叶际微生物显著相关，对叶际微生物影响最大。db-RDA分析显示，基于未加权UniFrac距离，叶际微生物群落结构主要受CP和EE影响；基于加权UniFrac距离，群落结构主要受EE和P影响。

竹叶营养影响红熊猫肠道微生物

竹叶营养成分与红熊猫肠道微生物的相关性分析显示，CP和P与多种肠道微生物显著相关，对肠道微生物影响最大。db-RDA分析表明，基于未加权UniFrac距离，肠道微生物群落结构主要受P和EE影响；基于加权UniFrac距离，群落结构主要受EE和CP影响。

竹叶营养成分与红熊猫肠道微生物功能的相关分析显示，CP与氨基酸代谢、次级代谢产物生物合成和碳水化合物代谢呈显著负相关；P与氨基酸代谢、原核生物细胞群落和抗菌药物耐药性呈显著负相关。在CAZy水平上，CP与多个糖基转移酶家族（GT2、GT4）和碳水化合物酯酶家族（CE1）呈显著负相关；EE与AA7呈显著负相关；CF与GT41呈显著正相关。

竹叶际微生物影响红熊猫肠道微生物

研究发现，竹叶际微生物与红熊猫肠道微生物之间存在大量共有菌属。秋季、冬季、春季和夏季分别共有30、22、11和14个共有菌属（相对丰度>0.1%），包括1174-901-12、假单胞菌属和鞘氨醇单胞菌属等。

共现网络分析揭示了竹叶际微生物与红熊猫肠道微生物之间复杂的互作关系。在秋、冬、春季，这两个微生物群落之间存在3-10个显著关联。例如，红熊猫肠道中的假单胞菌属与竹叶际中的Hymenobacter显著相关；竹叶际中的Acidiphilium与红熊猫肠道中的假单胞菌属、黄杆菌属和鞘氨醇杆菌属显著相关。夏季仅观察到一个显著关联：红熊猫肠道中的不动杆菌属与竹叶际中的1174-901-12显著相关。

本研究系统揭示了季节变化、食性模式和竹叶营养通过影响竹叶际微生物，进而塑造红熊猫肠道菌群结构和功能的机制。研究发现秋冬季节微生物多样性和丰富度更高，不同摄食阶段纤维素降解能力动态变化，竹叶CP和P含量是驱动叶际-肠道菌群结构的关键因子。竹叶际微生物与红熊猫肠道微生物之间存在大量共有菌属和复杂的互作关系，这种互作关系呈现明显的季节性变化。

该研究的意义在于首次系统阐明了野生红熊猫叶际-肠道微生物轴的季节性动态规律，揭示了竹叶营养成分通过影响叶际微生物进而塑造肠道菌群的机制，为理解珍稀动物与食物微生物组的协同进化提供了新视角。研究成果对指导圈养红熊猫的野化训练和放归保护具有重要实践价值，可通过调控竹叶营养成分和微生物组成，帮助圈养个体建立适应野外环境的肠道菌群，提高野化放归成功率。同时，该研究也为其他珍稀濒危动物的保护提供了可借鉴的研究范式和方法学参考。