悉尼鲸鱼肠道微生物群的个体发育变异：饮食、宿主发育和环境选择对群落构建的相对作用

《Microbiology Spectrum》：Ontogenetic variation in the gut microbiota of Kyphosus sydneyanus: a comparative analysis

本文通过比较温带草食性鱼类悉尼鲸鱼（Kyphosus sydneyanus）幼体和成体以及同域分布的罕见热带物种K. sectatrix成体的肠道微生物群，深入探讨了在缺乏垂直传播的情况下，个体发育（宿主发育）、饮食和环境因素如何共同驱动野生海洋鱼类肠道微生物群落的构建。研究结合16S rRNA基因扩增子测序和微滴式数字PCR（ddPCR）定量技术，揭示了微生物多样性随鱼体尺寸增加而增加，并强调了历史偶然性（historical contingency）和环境选择/扩散限制在群落组装中的关键作用。这项研究为理解自然系统中微生物群落的生态组装规则提供了重要见解。

　　

ABSTRACT

肠道微生物群可受宿主相关因素（如物种、饮食）和环境因素（如栖息地、地理）的塑造。草食性鱼类科鲸鱼科（Kyphosidae）的肠道微生物群在个体间和肠道不同区段间存在差异，并受饮食和地理因素的影响。温带物种悉尼鲸鱼（Kyphosus sydneyanus）在新西兰东北部的岩礁上很常见，其成体主要摄食褐藻门（Phaeophyceae），而幼体通常以红藻门（Rhodophyta）和绿藻门（Chlorophyceae）为食。本研究比较了K. sydneyanus成体和幼体的肠道微生物群，以探讨个体发育（ontogeny）与饮食对细菌群落组成的相对影响。研究使用16S rRNA基因扩增子测序和ddPCR定量技术，旨在确定：（i）K. sydneyanus肠道微生物群的个体发育变异；（ii）共享的微生物分类群；（iii）鉴于缺乏垂直传播，影响细菌群落组装的过程。为了进一步探索饮食效应，还将这些数据与成体K. sectatrix（一种罕见出现于新西兰东北部的热带杂鱼）的肠道微生物群进行了比较。K. sydneyanus幼体与K. sectatrix成体的饮食相似度高于与其同种成体的相似度。总体而言，K. sydneyanus肠道微生物群的多样性随鱼体尺寸增加而增加，且K. sydneyanus成体比K. sectatrix成体拥有更多样化的肠道微生物群。估计的绝对丰度和群落结构在不同个体间差异很大。基于相对丰度，K. sydneyanus幼体与K. sectatrix成体更为相似。然而，对扩增子序列变异（ASVs）的比较显示，K. sydneyanus幼体与同种成体共享更多的ASVs。这表明历史偶然性和选择是群落组装的重要驱动因素。

IMPORTANCE

大多数海洋动物进行体外受精（如鱼类），缺乏垂直传播肠道微生物群的机制。因此，宿主相关和环境因素在群落组装中可发挥重要作用。草食性海洋鱼类科鲸鱼科的肠道微生物群因个体鱼、宿主物种、饮食和地理位置而异。Kyphosus sydneyanus幼体与K. sectatrix成体的饮食相似度高于与其同种成体。比较来自相同地点的K. sydneyanus幼体和成体以及K. sectatrix成体的肠道群落，可以区分参与细菌群落组装的某些因果因素。结果表明，宿主饮食对细菌多样性和组成有强烈影响。此外，历史偶然性和环境选择通过宿主个体发育在塑造肠道微生物群中发挥着重要作用。

INTRODUCTION

一般而言，群落组装是决定共生肠道微生物群落组成的过程。鱼类肠道微生物群落可受与周围环境相关的确定性（可预测的）和随机性（随机的）力量所塑造。总体而言，肠道群落的组装受栖息地条件（包括宿主环境）、微生物定殖者的存在/缺失、定殖顺序或导致群落组装的偶然事件的影响。概念上，这些过程可以概括为环境选择（environmental selection）、扩散限制（dispersal limitation）、历史偶然性（historical contingency）和随机取样（random sampling）。

鱼类肠道群落的比例和分类组成受环境、季节性、宿主饮食和个体发育等因素的影响。表征与这些因素相关的群落组成可用于检验关于驱动鱼类后肠系统中微生物群落组装过程的假设。群落组装过程在鱼类早期个体发育阶段肠道微生物群的发展中尤为重要，并可能在鱼体生长过程中持续发挥作用。一些研究调查了在水产养殖或养殖鱼类中，受监测的个体发育期间群落组装过程的相互作用。然而，由于自然界中随机和确定性事件的混合，关于这些过程（环境选择、历史偶然性、随机取样和扩散限制）如何影响野生鱼类，特别是依赖微生物代谢辅助宿主消化的海洋草食性鱼类肠道微生物群落组装的知识甚少，且这些物种缺乏垂直传播（即大多数物种在水体中散播配子，缺乏亲代照顾）。

海洋草食性鱼类肠道微生物群中最主要的门是厚壁菌门（Bacillota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和变形菌门（Pseudomonadota）（原分别为Firmicutes、Bacteroidetes和Proteobacteria）。肠道微生物群组成可在草食性鱼种内变化，确立分类组成的功