结合转录组与微生物组特征分析，揭示了大黄鱼（Larimichthys crocea）消化系统发育在代谢与免疫中的作用

《Microbiological Research》：Combined transcriptome and microbiome characterization highlights digestive system development involved in the metabolism and immunity of the large yellow croaker ( Larimichthys crocea)

本研究通过转录组测序和16S rRNA测序，系统分析大型黄鱼胚胎至28天发育过程中消化系统基因表达及微生物群落动态，揭示关键过渡期（第1天vs胚胎期、第15天vs第9天）中微生物组成变化与宿主免疫、代谢功能协同调控机制，为优化人工育苗饲料提供理论依据。

　　本研究围绕大型黄鱼（Larimichthys crocea）消化系统的发展及其与微生物群落的互动展开，旨在揭示这些变化在幼鱼和幼体发育中的潜在作用，以及它们与免疫和代谢功能之间的联系。通过结合转录组测序、16S rRNA测序以及加权基因共表达网络分析（WGCNA）等方法，研究团队对从胚胎阶段到28天的多个发育阶段进行了系统分析。研究结果不仅提供了关于消化系统发育模式的基础数据，还为优化人工育苗策略和改进配方微饲料设计与加工技术提供了科学依据。

大型黄鱼，作为一种在中国享有极高声誉的鱼类，以其金黄色的外观、柔软的肉质和美味的口感而闻名。自2000年水产养殖业实现工业化以来，经过近40年的快速发展，该物种已成为中国最广泛养殖的海洋鱼类之一。2023年的年产量已达到281,000吨，显示了其在水产养殖中的重要地位。然而，尽管大规模育苗技术相对成熟，其幼鱼的养殖结构仍存在一定的脆弱性。目前，幼鱼养殖仍主要依赖生物饲料，这种饲料容易受到害虫和疾病的影响，并可能对环境造成污染。因此，深入研究消化生理学，以优化幼鱼养殖技术并提高生产效率，成为当前研究的重要方向。

幼鱼和幼体阶段是鱼类发育的关键时期。消化系统作为鱼类从外界环境中摄取、消化和吸收营养物质的重要结构，其结构和功能在发育过程中经历了显著的成熟过程，这为正常的生长发育奠定了基础。在早期阶段，消化系统经历快速发育，其代谢和免疫功能也发生显著变化。随着高通量测序技术的不断发展和成熟，RNA-Seq已成为解析基因功能和生理特征的重要工具，为研究鱼类发育过程中的基因表达模式和分子调控网络提供了新的技术支持。目前，该技术已被广泛应用于多种鱼类的消化道研究中，例如在大口黑鲈（Siniperca chuatsi）中，转录组分析已识别出与适应人工饲料相关的关键基因，如vtgc和lect2。在斑马鱼（Danio rerio）中，ezh2被证明是肠道发育的核心调控因子，而在草鱼（Ctenopharyngodon idella）中，其摄食习惯转变的分子机制也得到了阐明。然而，针对大型黄鱼幼鱼消化系统早期发育的转录组研究尚属空白，其相关功能基因的识别和发育过程中的分子机制仍不明确。

肠道微生物群落，通常被称为“第二基因组”，在营养代谢和免疫调节中发挥着重要作用。在鱼类早期发育过程中，肠道微生物群落对于维持健康至关重要。与成年鱼相比，幼鱼的微生物群落丰度和多样性较低，且其结构和功能随发育阶段发生显著变化。在幼鱼阶段，特定的微生物种类对消化效率、疾病抵抗力和生长性能具有重要影响，因此成为肠道健康的关键因素。例如，在斑马鱼中，厚壁菌门（Firmicutes）能够促进肠道上皮和肝脏中脂肪酸的吸收和脂滴的形成，而拟杆菌纲（Bacteroidales）则在蛋白质水解中起着关键作用。此外，肠道微生物群落还能够调节宿主的基因表达，从而影响代谢和免疫功能。在斑马鱼中，肠道微生物群落可以上调与脂质积累和代谢相关的mRNA表达，而在Koch等人的研究中，肠道微生物群落通过负调控MyD88，在定植过程中调节先天免疫的设定点，揭示了肠道微生物群落对免疫系统的影响机制。然而，目前对大型黄鱼幼鱼消化系统发育相关功能基因以及肠道微生物群落动态的了解仍较为有限。因此，有必要开展基础研究，以揭示与消化系统发育相关的功能基因、肠道微生物群落的结构动态及其与免疫和代谢功能之间的协同机制。

本研究采用了一种整合的方法，结合转录组测序、16S rRNA测序和加权基因共表达网络分析（WGCNA），对大型黄鱼在不同发育阶段的基因表达模式和微生物群落变化进行了系统比较。研究目标在于描述关键发育阶段的基因表达特征和微生物群落组成，确定潜在的调控网络和核心基因，并识别与免疫和代谢功能相关的关键基因和微生物种类。通过这些分析，研究团队希望进一步阐明大型黄鱼消化功能成熟和摄食转变的机制，从而为人工育苗过程中的喂养策略优化和配方微饲料的设计与加工技术提供科学依据。

在本研究中，研究团队采集了不同发育阶段的大型黄鱼样本，并进行了详细的实验分析。样本的采集地点位于中国福建省宁德市的一家育苗场，确保了研究对象的代表性。实验过程中，受精卵在特定的温度和盐度条件下进行孵化，孵化后幼鱼的生长发育过程得到了密切监测。研究团队对从胚胎阶段到28天的多个发育阶段进行了系统的基因表达分析，生成了超过12亿条原始测序数据。经过质量过滤后，保留了约11.89亿条清洁数据用于进一步分析。测序数据的质量指标表现出色，Q20和Q30得分均超过97%和94%，GC含量稳定在49%至50%之间，总体比对率在87.9%至91.6%之间，这些结果充分证明了测序数据的可靠性和后续分析的有效性。

研究结果表明，在大型黄鱼的发育过程中，基因表达和微生物群落的变化呈现出阶段特异性。特别是C1与胚胎阶段（CE）以及C15与C9之间的比较显示出最多的差异表达基因（DEGs），这表明这两个过渡阶段是发育过程中的关键时期。在微生物群落方面，研究发现，在胚胎阶段，Pseudoalteromonas菌属占据主导地位，而在孵化后，该菌属被Stenotrophomonas菌属取代。到了第15天，Cohaesibacter菌属成为主要的微生物种类，而在第19天引入配方饲料后，Psychrobacter菌属成为核心菌属。这些微生物群落的演变过程表现出清晰的时间特征，反映了宿主在不同发育阶段对微生物群落的适应性变化。

在功能富集分析中，研究团队发现，差异表达基因主要富集在与免疫和代谢相关的通路中，如钙信号传导、类固醇生物合成和氨基酸代谢等。这些结果表明，基因表达的变化与宿主的免疫和代谢功能密切相关。此外，通过加权基因共表达网络分析和相关性分析，研究团队还发现了一些特定的微生物种类（如Rhodococcus和Psychrobacter）与免疫和代谢相关基因之间存在显著的关联。这进一步强调了肠道微生物群落与宿主生理功能之间的紧密联系，为理解微生物群落如何影响宿主健康提供了新的视角。

本研究的发现不仅揭示了大型黄鱼消化系统发育过程中的动态变化，还明确了微生物群落与宿主代谢和免疫功能之间的相互作用。这些结果对于水产养殖业具有重要的实际意义。通过深入了解幼鱼阶段的基因表达模式和微生物群落变化，可以为优化人工育苗技术提供理论支持。例如，研究团队发现，在引入配方饲料后，Psychrobacter菌属成为核心菌属，这提示我们可能需要关注该菌属在幼鱼阶段的作用，以及如何通过调整饲料配方来促进其生长和健康。此外，研究还表明，某些微生物种类可能在调节宿主的免疫和代谢功能方面发挥重要作用，因此在设计饲料时，可以考虑引入这些有益的微生物，以提高幼鱼的抗病能力和生长性能。

本研究的结论还为未来的研究提供了方向。例如，研究团队发现，在C1与CE以及C15与C9的比较中，差异表达基因的数量最多，这提示我们这些阶段可能是消化系统发育的关键转折点。未来的研究可以进一步探讨这些阶段中的具体基因表达变化及其对宿主生理功能的影响。此外，研究团队还发现，某些特定的微生物种类与免疫和代谢相关基因之间存在显著的关联，这可能意味着这些微生物在宿主健康中的重要作用。因此，未来的研究可以关注这些微生物的种类和功能，以探索其在水产养殖中的应用潜力。

本研究的实施严格遵守了相关伦理规范和动物实验指南。研究团队遵循了中国水产科学研究院东海海洋渔业研究所实验室动物研究委员会的相关规定，并获得了相应的批准。这确保了实验过程的科学性和伦理性，同时也为后续研究提供了可靠的基础。通过这些伦理规范的遵循，研究团队能够确保实验数据的真实性和可靠性，为水产养殖业的可持续发展提供坚实的科学支持。

此外，研究团队还特别感谢了MivectorBio生物科技有限公司在测序服务和生物信息学分析方面的技术支持。这些技术手段的引入，使得研究团队能够更全面地分析基因表达模式和微生物群落的变化，从而揭示更深层次的生物学机制。这种跨学科的合作模式，不仅提高了研究的效率和准确性，也为未来的水产养殖研究提供了新的思路和方法。

综上所述，本研究通过多组学方法，深入探讨了大型黄鱼在不同发育阶段的基因表达模式和微生物群落变化，揭示了这些变化在幼鱼和幼体发育中的潜在作用。研究结果不仅为理解大型黄鱼消化功能成熟和摄食转变的机制提供了新的视角，也为优化人工育苗策略和改进配方微饲料设计与加工技术提供了科学依据。这些发现对于推动水产养殖业的可持续发展具有重要意义，同时也为未来的研究提供了丰富的数据和理论支持。