植物-微生物-布氏田鼠互作机制揭示：草地植物性状与肠道菌群协同调控及其对物种保护的意义

本研究针对草地生态系统中植物适口性如何通过其附生及内生微生物群落影响布氏田鼠(Lasiopodomys brandtii)肠道菌群这一关键生态问题，通过16S rDNA高通量测序技术分析8种植物及田鼠粪便微生物组，发现高适口性植物（如羊草Leymus chinensis）以内生菌低多样性及变形菌门（Proteobacteria）为主导，而低适口性植物（如糙隐子草Cleistogenes squarrosa）富集放线菌门（Actinobacteria）并增强次级代谢产物合成能力；野外田鼠摄入多样植物后形成以拟杆菌门（Bacteroidetes）为主的纤维降解菌群，实验室饲喂则导致菌群失调。研究揭示了植物-微生物-草食动物间的协同进化连续体，为草地生物多样性保护及布氏田鼠种群恢复提供了微生物学依据。

　　

在广袤的内蒙古草原上，一种名为布氏田鼠（Lasiopodomys brandtii）的小型草食动物正面临生存危机。由于气候变化和草地退化，其分布范围逐渐缩小，种群数量持续下降。作为草原生态系统的关键物种，布氏田鼠通过采食行为影响植物群落结构，通过挖掘活动促进养分循环，还作为捕食者的重要食物来源维持着生态平衡。然而，近年来草地植被的退化直接威胁到这一物种的生存。以往的研究多从营养学角度探讨布氏田鼠的食性选择，却忽视了一个关键环节：植物不仅为草食动物提供营养物质，还携带大量微生物。这些植物附生（epiphytic）和内生（endophytic）微生物如何影响植物的适口性？又是如何通过食物链传递，塑造草食动物肠道菌群并影响其健康？这些问题至今尚未得到充分解答。

为揭示植物-微生物-草食动物之间的三元互作机制，郑州大学卢吉齐教授团队在《Biological Conservation》发表了题为“Microbial mediators in plant-vole interactions: Linking grassland plant traits and gut microbiota for conservation of Brandt’s voles”的研究论文。该研究通过生态学调查、行为实验和高通量测序技术，系统分析了8种布氏田鼠常见食物植物的微生物群落特征，以及野外和实验室饲养田鼠的肠道菌群差异，发现了植物适口性与微生物组成的密切关联，并证实了微生物从植物到动物肠道的传输现象。

研究人员主要采用了几项关键技术方法：首先通过野外观察和摄食偏好实验（使用圆形透明竞技场和干燥植物样本）确定了布氏田鼠对8种植物的偏好性，将植物分为高偏好（HP）和低偏好（LP）两类；其次采用表面灭菌和震荡洗脱法分别获取植物内生和附生微生物样本，使用OMEGA Soil DNA Kit提取DNA；对田鼠粪便样本也进行同样处理；最后通过16S rDNA高通量测序（使用Illumina平台）分析微生物群落，利用QIIME、microeco等软件进行生物信息学分析，包括α多样性（Chao1、Shannon指数）、β多样性（PCoA、Bray-Curtis距离）、随机森林（Random Forest）分类以及PICRUSt2功能预测分析。所有统计分析在R语言环境中完成，使用PERMANOVA、ANOSIM等方法检验组间差异。

3.1 不同适口性植物的微生物组差异

研究发现，高偏好（HP）植物（如羊草）的内生菌多样性显著低于低偏好（LP）植物（如糙隐子草）。在门水平上，HP植物中变形菌门（Proteobacteria）相对丰度高达98.45%，而LP植物中放线菌门（Actinobacteria）占24.66%，厚壁菌门（Firmicutes）占16.12%，拟杆菌门（Bacteroidetes）占3.66%。属水平上，HP植物中劳尔氏菌属（Ralstonia）丰度极高（79.36%），而LP植物中假单胞菌属（Pseudomonas）、乳杆菌属（Lactobacillus）和肠球菌属（Enterococcus）更为丰富。功能分析显示，LP植物的内生菌群落显著富集与化学防御相关的代谢通路，如细胞因子信号、鞘脂代谢和自然杀伤细胞介导的细胞毒性通路。

3.2 不同饮食条件下布氏田鼠的肠道菌群组成

野外采食天然植物的田鼠（FLb组）肠道菌群多样性显著高于实验室饲养组（LLb组）。FLb组以拟杆菌门（Bacteroidetes）为主，负责纤维降解；而LLb组则出现菌群失调，变形菌门（Proteobacteria）和螺旋体门（Spirochaetes）显著增多。FLb组的厚壁菌门/拟杆菌门（F/B）比值较低，表明其肠道健康状态更佳。属水平上，FLb组富集Treponema、Ruminococcus、Prevotella和Oscillospira等纤维降解相关菌属，而LLb组则富集Allobaculum和Desulfovibrio等潜在致病菌属。

3.3 植物与田鼠共享的微生物类群

研究发现了15个门水平的微生物类群在植物附生菌和田鼠肠道菌群中共享，包括酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门、拟杆菌门、蓝藻门（Cyanobacteria）、螺旋体门等。附生菌中这些菌门的相对丰度显著高于内生菌和肠道菌群，表明植物表面微生物作为“微生物桥梁”，可能通过摄食进入动物肠道。特别值得注意的是，蓝藻门和螺旋体门为田鼠提供了额外的能量输入和多糖降解能力。

3.4 不同植物的功能差异

尽管植物附生菌在功能上没有显著差异，但LP植物的内生菌群落显示出更强的防御相关功能。这些功能包括化学因子信号通路、细胞周期调控和自身免疫样反应通路，可能与植物通过微生物增强化学防御能力有关。相比之下，HP植物则倾向于通过微生物促进生长，反映了经典的“生长-防御权衡”策略。

该研究的结论部分强调，植物适口性与其微生物组成存在显著关联：高适口性植物通过富集生长促进菌（如劳尔氏菌属）提高消化率和吸引力，而低适口性植物则利用微生物防御（如假单胞菌属的抗生素产生能力）抵抗草食动物。这种差异形成了协同进化连续体，共同塑造了草食动物的采食行为和养分循环过程。更重要的是，植物表面微生物作为“微生物库”，可以通过食物链传输到草食动物肠道，直接影响后者的菌群结构和健康状态。

从保护生物学角度看，这项研究揭示了微生物在草地生态系统中的关键媒介作用。维持植物多样性不仅关乎植被健康，还能通过微生物传输支持草食动物的肠道菌群稳定和适应能力。对于布氏田鼠这样的濒危物种，保护策略应注重恢复和维持包括高、低适口性植物在内的多样化植被群落，同时采用轮牧、补植本地物种等可持续土地管理措施。这些发现为草地生态系统的保护与恢复提供了新的微生物学视角，展示了通过调控微生物互作来促进物种保护和生态平衡的潜力。