肠道微生物群通过调节脂质代谢来控制鳜鱼（Siniperca chuatsi）的生长速度

《Aquaculture Reports》：The gut microbiota mediate lipid metabolism to regulate the growth rate of mandarin fish ( Siniperca chuatsi)

本研究通过整合肠道菌群和代谢组学分析，揭示了体寒鱼生长性能差异的微生物-代谢互作机制。发现快速生长组（FG）的Fusobacteriota丰度显著增加，并富含Cetobacterium和Leuconostoc等益生菌，其代谢物（如PG、PC、EPA）通过激活甘油磷脂代谢、不饱和脂肪酸合成等途径协同促进营养吸收和能量利用，同时抑制Foxo信号通路介导的代谢损耗，从而提高生长效率。研究结果为开发靶向益生菌制剂提供了理论依据。

　　近年来，随着水产养殖业的快速发展，提高养殖鱼类的生长性能成为优化生产周期、提升产业效益的关键环节。其中， Mandarin fish（ Mandarin fish，学名 *Siniperca chuatsi*）作为一种重要的淡水养殖鱼类，在中国具有较高的经济价值和市场需求。然而，关于其肠道微生物群与生长速率之间的关系，目前仍缺乏系统性的研究。为了深入探讨这一机制，本研究通过整合肠道微生物组学与代谢组学分析，揭示了 *S. chuatsi* 肠道微生物组成、代谢物特征及其相互作用模式，为开发针对性的促生长益生菌配方提供了理论依据。

### 肠道微生物与宿主生长的关系

肠道微生物在宿主生长调控中扮演着重要角色，它们通过影响宿主的营养吸收、能量代谢、免疫反应等途径，对鱼类的生长性能产生深远影响。研究表明，不同生长速率的鱼类通常具有不同的肠道微生物群落结构。例如，欧洲鳗鲡（*Anguilla anguilla*）的快速生长个体肠道中以 Firmicutes 为主，而慢速生长个体则以 Spirochaetes 为主。类似地， *Symphysodon haraldi* 的研究也表明，慢速生长个体肠道中富含 *Plesiomonas*，而快速生长个体则以 *Bacillus* 和 *Lactococcus* 为主。这些发现提示，肠道微生物群的组成差异可能与鱼类的生长速率存在密切联系。

在 *S. chuatsi* 的研究中，研究人员选取了5条快速生长（FG）和5条慢速生长（SG）的个体，这些个体来自同一养殖网箱，具有相同的生长环境和基因背景。通过16S rRNA基因测序结合非靶向代谢组学分析，研究人员发现，在FG组中，Fusobacteriota（拟杆菌门）在微生物群落中显著富集（LDA > 3.0，*P* < 0.05）。在属级分析中， *Cetobacterium* 和 *Leuconostoc* 在FG组中的相对丰度分别比SG组高出11.7倍和1.0倍，显示出它们在促进宿主生长中的重要作用。 *Cetobacterium* 和 *Leuconostoc* 的富集可能与改善宿主的营养吸收和能量利用效率有关，这可能通过调节细胞膜脂质结构、促进脂肪酸代谢和类固醇激素合成实现。同时，SG组中 Foxo 信号通路的富集则可能表明其在抑制能量代谢过程中起到关键作用。

### 微生物群与代谢物的相互作用

在FG组中，代谢组学分析显示脂肪酸、甘油磷脂和类固醇等代谢物的丰度显著升高，这与微生物群落的代谢功能密切相关。通过KEGG通路富集分析，研究人员发现FG组显著富集于脂质代谢相关的通路，包括甘油磷脂代谢（ko00564）、不饱和脂肪酸生物合成（ko01040）和类固醇激素生物合成（ko00140）。而SG组则显示出Foxo信号通路的特异性富集。这表明，不同的微生物群落可能通过不同的代谢途径影响宿主的生长性能。此外， *Cetobacterium* 与磷脂甘油（PG，22:5/18:0）和磷脂酰胆碱（PC，18:1E/2:0）之间存在显著正相关（r > 0.65，*P* < 0.05），而 *Leuconostoc* 与腺苷二磷酸（ADP）之间存在显著负相关（r = -0.71，*P* < 0.01），这可能意味着 *Leuconostoc* 在促进能量代谢的同时，有助于抑制Foxo通路介导的能量代谢损失。

这些发现不仅揭示了微生物群与代谢物之间的复杂互动关系，还为理解鱼类生长调控机制提供了新的视角。通过分析关键微生物与代谢物之间的相关性，研究人员发现， *Cetobacterium* 与PG和PC的正相关关系表明其可能通过提供不饱和脂肪酸前体或激活磷脂合成通路，优化肠道细胞膜结构和营养吸收效率。而 *Leuconostoc* 与EPA的正相关性以及与ADP的负相关性则提示其可能通过促进饲料脂质分解、ω-3多不饱和脂肪酸（PUFA）的富集和ATP生成效率，为宿主提供能量支持，从而改善生长性能。

### 研究方法与技术路线

本研究采用了一套系统的研究方法，以确保数据的准确性和可靠性。首先，研究人员从同一养殖网箱中选取了3个月龄的 *S. chuatsi*，这些个体来源于同一个全同胞家族，以确保遗传背景的一致性。每条鱼的肠道内容物被采集后，经液氮速冻保存于-80°C超低温冰箱中，以防止样本降解。随后，通过FastDNA? Spin Kit提取微生物基因组DNA，并使用16S rRNA基因的V3-V4高变区进行扩增和测序。测序数据经由fastp进行质量控制，去除低质量序列和引物片段，并通过FLASH进行配对读段的合并。最终，通过UPARSE软件将序列聚类为操作分类单元（OTUs），并使用Silva数据库进行物种分类和注释。

为了进一步分析微生物功能，研究人员采用了PICRUSt 2.0工具，基于KEGG和MetaCyc数据库预测微生物基因功能。同时，通过非靶向代谢组学分析，使用超高效液相色谱-高分辨率质谱（UHPLC-Q-Exactive MS）对肠道内容物进行代谢物分析。代谢物数据经过Progenesis QI软件进行基线校正、峰提取、保留时间校正和峰对齐，生成包含保留时间、质荷比（m/z）和峰强度的三维数据矩阵。随后，通过SIMCA-P 14.1软件进行偏最小二乘判别分析（PLS-DA），并使用7折交叉验证和置换检验评估模型稳定性。统计分析中，研究人员采用*t*-test、变量重要性投影（VIP）和倍数变化（|FC| > 1）作为筛选标准，最终确定了150个显著差异的代谢物，其中123个在FG组中显著升高，27个在SG组中显著升高。

### 研究结果与发现

通过16S rRNA测序，研究人员获得了563,219条原始测序读段，并经过质量过滤、降噪和单序列过滤后，最终保留了525,414条有效序列，占原始读段的93.3%。OTU聚类分析显示，FG组和SG组共有118个共享OTUs。在α多样性分析中，FG组和SG组在ace、chao和coverage指数上没有显著差异，但SG组的微生物群落丰富度和多样性趋势上略高于FG组。β多样性分析显示，FG组和SG组的微生物群落存在显著差异，但通过ANOSIM分析，未发现社区结构的显著不同。这表明，尽管微生物群落的多样性存在一定的差异，但其整体结构较为稳定。

在FG组中，Fusobacteriota（拟杆菌门）在门级分析中显著富集，这一发现与欧洲鳗鲡的快速生长个体肠道微生物群落特征相似。在属级分析中， *Cetobacterium* 和 *Leuconostoc* 在FG组中表现出显著的高丰度，这可能与其在促进宿主营养吸收和能量代谢中的作用有关。 *Cetobacterium* 通过降解植物性饲料中的碳水化合物，产生短链脂肪酸和维生素B12，从而调节肠道健康和甘油磷脂代谢。 *Leuconostoc* 则通过异乳酸发酵产生有机酸，如乳酸和乙酸，调节肠道pH以激活消化酶，如淀粉酶和脂肪酶，从而提高营养利用效率。

### 研究的意义与展望

本研究通过整合微生物组学和代谢组学分析，揭示了 *S. chuatsi* 肠道微生物群在调控生长性能中的关键作用。研究结果不仅拓展了对鱼类生长调控机制的理解，还为水产养殖业提供了新的思路，即通过调控微生物-代谢物轴来改善鱼类的生长性能。未来的研究可以进一步利用无菌模型和功能验证实验，以明确关键微生物与代谢物之间的因果关系，从而推动基础研究向精准营养策略的转化。

此外，研究还发现，FG组中高丰度的PG（22:5/18:0）和PC（18:1E/2:0）可能通过调节细胞膜脂质组成和流动性平衡，促进能量代谢和营养吸收。而EPA（二十碳五烯酸）作为ω-3多不饱和脂肪酸的重要组成部分，在促进鱼类生长方面具有广泛的研究支持。例如，高EPA藻油的补充可以提高大西洋鲑鱼的生长性能，通过激活PPARα通路促进脂质代谢和肠道屏障功能。在SG组中，ADP的富集可能反映了能量供应不足或ATP消耗增加，这可能与Foxo通路的激活有关，而Foxo通路的激活通常与增强分解代谢和抑制合成代谢相关。因此，ADP的富集可能成为抑制生长的一个重要因素。

通过这些研究，我们可以看到，肠道微生物群与代谢物之间的相互作用在鱼类生长调控中具有重要意义。不同微生物群的组成和功能差异可能通过不同的代谢途径影响宿主的生长性能。例如， *Cetobacterium* 和 *Leuconostoc* 的富集可能通过调节细胞膜结构、促进脂肪酸代谢和类固醇激素合成，为宿主提供能量支持。而Foxo通路的激活则可能通过抑制能量代谢，导致生长受阻。因此，理解这些微生物与代谢物之间的相互作用机制，有助于优化水产养殖策略，提高养殖效率。

总之，本研究为水产养殖业提供了重要的科学依据，即通过调控肠道微生物群和代谢物之间的相互作用，可以有效改善鱼类的生长性能。未来的研究需要进一步探索这些机制，以实现更精准的营养调控和生长促进策略。