野生小鼠（Rattus flavipectus）感染Enterocytozoon bieneusi后肠道微生物群组成和功能的宏基因组分析

《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：Metagenomic analysis of gut microbiota composition and function in wild mice (Rattus flavipectus) infected with Enterocytozoon bieneusi

肠道菌群与病毒组动态及其代谢功能重构在 Enterocytozoon bieneusi 感染野生小鼠中的研究。

　　这项研究探讨了微孢子虫 *Enterocytozoon bieneusi*（简称 *E. bieneusi*）感染对野生小鼠肠道微生物群落及其病毒组的影响。通过分析来自中国云南省的20只野生小鼠（*Rattus flavipectus*）的粪便样本，研究团队发现 *E. bieneusi* 感染并未显著改变肠道细菌的多样性，但对病毒组的组成和功能产生了明显的影响。这一发现有助于进一步理解寄生虫感染如何在宿主与微生物之间形成复杂的相互作用，并揭示这些变化对宿主健康和生态系统的潜在意义。

### 研究背景与意义

肠道微生物群落是宿主健康的重要组成部分，它们在维持免疫系统平衡、调节代谢功能以及防御病原体入侵方面发挥着关键作用。近年来，越来越多的研究表明，病原体感染可以显著改变肠道微生物群的结构和功能，从而影响宿主的生理状态。*E. bieneusi* 是一种能够感染多种宿主的微孢子虫，包括人类和野生动物。它在自然界中广泛存在，尤其是在鼠类中，被认为是人类和动物感染的重要传播媒介。尽管已有大量研究关注其他病原体对肠道微生物的影响，例如 *Helicobacter pylori* 和 *Clostridium difficile*，但关于 *E. bieneusi* 感染如何改变肠道病毒组的研究仍然较为有限。

肠道病毒组，即宿主肠道中的病毒群落，与微生物群之间存在复杂的相互作用。这些病毒可能通过影响宿主的免疫反应和微生物群的动态变化，间接影响感染的进程和宿主的健康状况。因此，了解 *E. bieneusi* 感染是否以及如何改变肠道病毒组的组成和功能，对于揭示宿主与病原体之间的互动机制，以及评估其对生态和公共卫生的影响具有重要意义。

### 研究方法

研究团队采用了一套系统的方法来分析肠道微生物群和病毒组的变化。首先，他们从20只野生小鼠的粪便样本中提取了DNA，并通过Illumina HiSeq平台进行了宏基因组测序。这些样本涵盖了10只感染 *E. bieneusi* 的小鼠和10只未感染的小鼠，且未检测到其他常见的肠道寄生虫，如 *Cryptosporidium* spp.、*Blastocystis*、*Giardia*、*Cyclospora* 或 *Balantioides coli*。随后，他们使用 MetaPhlAn4 进行物种水平的微生物群落分析，并通过 *de novo* 拼接方法构建了基因目录，用于功能注释。

为了识别病毒序列，研究团队对测序数据进行了深入处理。他们利用 CheckV 和 Vibrant 等软件，筛选出高可信度的病毒序列，并排除了宿主来源的污染。通过对病毒序列的聚类分析，研究团队构建了一个包含1,029个病毒操作分类单元（vOTUs）的非冗余病毒目录。进一步的统计分析和可视化工具，如 PERMANOVA、PCoA 和 Spearman 相关性分析，用于评估微生物群和病毒组的组成差异及其与细菌的相互关系。

### 研究结果

在肠道微生物群落的多样性分析中，研究发现 *E. bieneusi* 感染并未显著改变小鼠肠道细菌的多样性。无论是通过 Alpha 多样性指数（如丰富度、Simpson 指数和 Shannon 指数）还是 Beta 多样性分析（如 Bray–Curtis 距离和 PCoA 图），两组之间均未表现出明显的分离。这表明，尽管 *E. bieneusi* 感染对肠道微生物群落的结构产生了影响，但这种影响并未显著改变整体的多样性水平。

然而，在病毒组的分析中，研究团队发现 *E. bieneusi* 感染显著增加了肠道病毒的多样性。通过对18,192个高质量病毒序列的分析，他们发现感染组的病毒组比未感染组表现出更高的多样性。此外，178个病毒操作分类单元（vOTUs）在两组之间显示出显著的丰度差异，其中161个vOTUs在感染组中被显著富集。这些结果表明，*E. bieneusi* 感染可能通过影响病毒组的组成，间接改变宿主肠道的生态平衡。

在功能分析方面，研究团队发现 *E. bieneusi* 感染显著改变了肠道微生物的功能分布。特别是与萜类和聚酮类代谢、消化系统功能、其他次级代谢物的生物合成以及辅因子和维生素代谢相关的通路在感染组中表现出显著的富集。这些代谢通路的改变可能反映了宿主在感染过程中对肠道微生物群落的适应性调整，以维持或恢复正常的生理功能。此外，研究还发现，某些病毒与特定细菌之间存在独特的相互关系，这些关系在未感染组中并未观察到。

### 研究结论与生态与公共卫生意义

研究的主要结论是，*E. bieneusi* 感染虽然不会显著改变肠道细菌的多样性，但会对病毒组的组成和功能产生重要影响。感染组的病毒多样性明显高于未感染组，且存在大量独特的病毒-细菌相互作用。这些变化可能表明，*E. bieneusi* 感染促使肠道微生物群落发生适应性调整，从而影响宿主的免疫反应和生理状态。

从生态角度来看，野生小鼠作为 *E. bieneusi* 的重要宿主，可能在自然环境中起到传播和维持病原体生态平衡的作用。因此，研究 *E. bieneusi* 感染对肠道病毒组的影响，有助于更全面地理解这种寄生虫在生态系统中的作用。此外，这些发现也对公共卫生具有重要意义，因为 *E. bieneusi* 是一种能够感染人类和动物的病原体，其传播途径可能涉及野生动物。了解感染对肠道微生物和病毒组的影响，有助于评估其对宿主健康的潜在风险，并为制定有效的防控策略提供依据。

### 病毒组与细菌群落的相互作用

在病毒组与细菌群落的相互作用方面，研究发现 *E. bieneusi* 感染显著改变了肠道病毒与细菌之间的关联模式。在未感染组中，病毒与细菌之间的相关性较为有限，仅有约2.53%的相关性在感染组中也观察到。这一结果表明，*E. bieneusi* 感染可能通过影响宿主的免疫反应和代谢状态，间接改变病毒与细菌之间的相互作用网络。

例如，研究发现某些病毒与特定细菌之间存在独特的关联，如 *GGB3717_SGB5040*、*Fusobacteriaceae_unclassified_SGB59307* 和 *Barnesiella intestinihominis* 等。这些病毒-细菌相互作用可能对宿主的疾病发展和免疫调节具有重要作用。此外，病毒组的多样性变化可能反映了宿主在感染过程中的适应性反应，例如通过调整病毒的丰度来维持肠道生态系统的稳定。

### 微生物功能的适应性变化

研究还揭示了 *E. bieneusi* 感染对肠道微生物功能的深远影响。通过分析基因目录和功能注释，研究团队发现感染组中某些代谢通路显著富集，如萜类和聚酮类代谢、消化系统功能、次级代谢物的生物合成以及辅因子和维生素代谢。这些代谢通路的改变可能与宿主在感染过程中对肠道微生物群落的调节有关，例如通过促进某些细菌的增殖或抑制其他细菌的生长，以维持肠道生态平衡。

此外，研究团队还发现，某些病毒可能通过影响宿主的免疫反应，间接改变肠道微生物的功能。例如，感染可能引发宿主的免疫信号通路（如干扰素和白细胞介素的产生），从而影响病毒的生命周期和微生物群落的动态变化。这种复杂的相互作用表明，病毒组与细菌群落之间的关系并非独立存在，而是相互影响、共同调节宿主的生理状态。

### 未来研究方向

尽管这项研究提供了重要的初步证据，但仍然存在一些局限性。首先，样本数量相对有限，可能影响结果的普适性。其次，虽然研究发现了病毒组和细菌群落的组成变化及其与功能的关联，但具体机制仍需进一步探索。未来的研究可以结合纵向分析，观察感染前后肠道微生物群落的变化趋势，以更深入地理解感染过程中的动态调整。

此外，研究还可以进一步探讨特定细菌和病毒在 *E. bieneusi* 感染中的功能角色，例如某些细菌是否能够通过代谢活动帮助宿主抵抗感染，或者某些病毒是否能够通过改变宿主的免疫状态促进病原体的传播。这些研究不仅有助于揭示宿主-微生物-病毒之间的复杂关系，还可能为开发新的治疗方法或防控策略提供理论支持。

### 生态与公共卫生的启示

从生态角度来看，*E. bieneusi* 感染对野生小鼠肠道病毒组的影响，反映了寄生虫感染在生态系统中的潜在作用。这种影响可能不仅限于宿主个体，还可能通过改变宿主的微生物组成和功能，间接影响整个生态系统的稳定性。因此，理解 *E. bieneusi* 在自然环境中的传播机制及其对宿主微生物的影响，对于生态学研究和疾病防控具有重要意义。

从公共卫生角度来看，*E. bieneusi* 是一种重要的食源性病原体，能够引起人类和动物的肠道疾病。其感染通常与免疫功能低下有关，因此，了解感染如何改变肠道微生物和病毒组的组成，有助于评估其对宿主健康的潜在影响。此外，研究还发现，某些病毒可能与 *E. bieneusi* 感染密切相关，这提示我们应更加关注肠道病毒组在病原体传播中的作用。通过监测这些病毒的丰度变化，可以更早地发现感染风险，并采取相应的防控措施。

### 研究的局限性与展望

尽管这项研究取得了重要的进展，但仍存在一些局限性。首先，样本数量较少可能限制了结果的代表性，尤其是在分析病毒-细菌相互作用时，样本量的不足可能导致某些相关性未能被充分揭示。其次，研究主要关注了病毒组和细菌群落的组成和功能变化，但并未深入探讨这些变化的具体机制，例如哪些细菌或病毒在感染过程中发挥了关键作用，或者它们是如何相互作用的。

未来的研究可以进一步扩大样本规模，以提高结果的可靠性。此外，结合多种组学技术（如宏基因组、宏转录组和宏蛋白组）可以更全面地揭示肠道微生物和病毒组的动态变化。同时，研究可以探索感染对宿主免疫系统的影响，以及这些影响如何进一步改变病毒组的组成和功能。这些研究不仅有助于理解 *E. bieneusi* 感染的生物学机制，还可能为疾病的预防和治疗提供新的思路。

总之，这项研究揭示了 *E. bieneusi* 感染对野生小鼠肠道微生物群落和病毒组的复杂影响。虽然感染并未显著改变细菌的多样性，但对病毒组的组成和功能产生了明显的影响，这可能反映了宿主在感染过程中对肠道生态系统的适应性调整。这些发现不仅有助于理解寄生虫感染与宿主微生物之间的关系，也为生态学和公共卫生领域的研究提供了新的视角和方向。