肠道微生物组的独立选择与传递可驱动哺乳动物行为进化

《Nature Communications》：Selection and transmission of the gut microbiome alone can shift mammalian behavior

本研究针对“宿主性状能否仅通过微生物组传递而不依赖基因组改变实现进化”这一关键问题，通过四轮单向微生物组选择实验，首次在哺乳动物模型中证明：对低活动度小鼠的肠道微生物进行连续传递，可独立于宿主遗传背景显著降低后代个体的运动行为。该发现揭示了微生物组作为非核遗传机制在宿主表型进化中的直接作用，为理解动物适应性进化提供了新范式。

　　

在生命科学领域，宿主与共生微生物的协同进化一直是前沿课题。传统观点认为，自然选择主要作用于宿主基因突变，但近年来研究发现，肠道微生物组能显著影响宿主代谢、免疫甚至行为表型。然而，一个悬而未决的问题是：当宿主性状受到自然选择压力时，能否仅通过微生物组的传递而非宿主基因改变来实现性状演化？这一问题在脊椎动物尤其是哺乳动物中缺乏直接实验证据。

为回答这一问题，德国马克斯·普朗克生物学研究所等团队在《Nature Communications》发表研究，以野生来源的小鼠品系为模型，通过精巧设计的单向微生物组选择实验，首次证明仅对肠道微生物组进行多代选择传递即可独立驱动哺乳动物行为性状的进化。

研究团队首先筛选出具有显著运动活动度差异的野生近交系小鼠（SAR系低活动度 vs. MAN系高活动度），并通过粪便移植实验确认运动行为差异可经微生物组传递给无菌受体鼠。在此基础上，他们开展了四轮单向选择实验：每轮选择运动活动度最低的SAR系小鼠作为微生物供体，将其肠道微生物通过共食粪便方式传递给新一代无菌受体鼠；同时设立随机选择对照组。结果显示，经过四轮传递后，选择系小鼠的24小时运动距离较初始轮次显著降低（N0-N3轮降低18.9%），而对照组无显著变化。这一趋势在矫正体重和批次效应后仍成立，表明微生物组独立于宿主基因组实现了行为性状的定向演化。

关键实验技术包括：① 野生小鼠品系微生物组的粪便移植与无菌鼠定植；② 自动化行为监测系统（Promethion）量化运动活动度；③ 宏基因组测序（Illumina HiSeq3000）与微生物组成分析（Kraken2/Bracken）；④ 靶向代谢组学（HPLC-MS）检测血清代谢物；⑤ 乳酸杆菌（Lactobacillus johnsonii）灌胃与吲哚乳酸（ILA）十二指肠灌注验证实验。

微生物组成变化揭示选择信号

宏基因组分析显示，随着传递轮次增加，选择系小鼠肠道微生物的α多样性下降，而选择系与对照组间的β多样性显著分化。通过最近平衡分析（Nearest Balance）发现，选择系中乳酸杆菌（Lactobacillus）、肠杆状菌（Enterorhabdus）等 taxa 显著富集，且其相对丰度与运动距离呈负相关。

微生物代谢物介导行为调控

靶向代谢组学进一步揭示，选择系小鼠血清中吲哚乳酸（ILA）水平与运动距离显著负相关（Spearman rho=-0.18）。ILA是色氨酸代谢产物，其水平与乳酸杆菌丰度正相关（rho=0.35）。通过体外实验验证L. johnsonii可分泌ILA，且直接给常规小鼠灌胃L. johnsonii或十二指肠灌注ILA均能重复出运动活动度下降表型，证实微生物-代谢物-行为轴的因果关系。

讨论与意义

本研究通过严格控制宿主遗传背景，首次在哺乳动物中证明微生物组单独响应选择压力并驱动宿主行为进化的能力。这一发现拓展了“全基因组”进化理论，强调微生物组作为可遗传表型变异来源的重要性。在机制上，乳酸杆菌通过产生ILA影响宿主神经系统，为理解微生物-肠-脑轴提供了新视角。研究建立的单向微生物组选择模型，为未来研究微生物介导的宿主适应性进化提供了可扩展框架，在畜牧育种与医学微生物工程领域具有应用潜力。