拉贝奥鲶鱼（Labeo catla）中性别特异性的肠道微生物组动态：与生殖激素、代谢二态性及环境因素的关联

《Frontiers in Microbiology》：Sex-specific gut microbiome dynamics in Labeo catla: links to reproductive hormones, metabolic dimorphism, and environmental factors

性别差异与肠道菌群动态：以印度主要淡水鱼Labeo catla为例，通过16S rRNA测序和功能预测分析，揭示了产卵前期雌雄鱼肠道菌群的结构、多样性和代谢功能存在显著差异，并与血清激素水平和环境因子（如pH、溶解氧）密切相关。研究首次系统解析了L. catla性别特异性肠道菌群特征及其对繁殖生理的调控机制，为水产养殖中基于菌群的功能性饲料开发及环境优化提供理论依据。

　　在水产养殖领域，肠道微生物群落对鱼类的生长、消化、免疫以及繁殖性能具有重要作用。以印度主要鲤鱼之一——*Labeo catla*（Catla）为例，其在水产养殖中具有重要经济价值，广泛分布于印度次大陆及邻近国家。然而，目前对于其肠道微生物群落结构和功能动态，尤其是在繁殖期前的关键阶段，了解仍然有限。这项研究通过高通量测序技术，结合组织学和激素水平分析，系统探讨了Catla雄性和雌性个体在繁殖前的肠道微生物组成、多样性及其与繁殖性能和生理状态的关系，为水产养殖中微生物调控策略提供了新的视角。

### 一、研究背景与意义

水产养殖是农业中增长最快的行业之一，印度在全球渔业生产中排名第二，为农村就业、生计创造和营养安全做出了重要贡献。作为“鲤鱼之国”，印度的主要鲤鱼种类构成了淡水养殖的核心，其中Catla因其快速生长、体型较大、肉质优良和口感好而备受青睐。然而，其繁殖管理仍是当前水产养殖中的一大挑战。研究显示，鱼类的性别差异不仅体现在形态和行为上，还涉及内分泌调控和微生物群落的差异。Catla的肠道微生物群落与宿主的代谢、免疫、疾病抵抗和生殖功能密切相关，但具体机制尚不明确。

研究Catla的肠道微生物群落有助于揭示其在繁殖前的生理变化，并为提高繁殖性能和整体健康提供依据。此外，了解微生物与宿主之间的相互作用，可以为可持续的水产养殖提供科学支撑。通过研究肠道微生物的性别特异性差异，可以更好地优化繁殖管理策略，提高养殖效率和经济效益。

### 二、研究方法与技术路线

为了系统分析Catla肠道微生物群落的性别差异，研究采用了多种方法。首先，通过组织学分析，确认了Catla在繁殖前阶段的生殖细胞生成情况。随后，使用酶联免疫吸附测定法（ELISA）检测了血清中的激素水平，包括11-酮睾酮（11-KT）、雌二醇（E2）、促卵泡激素（FSH）和促黄体生成激素（LH）。这些激素在生殖调控中起关键作用，如FSH和LH促进卵泡发育和排卵，而11-KT则主要影响雄性生殖功能。

为了深入解析微生物群落的结构和功能，研究采用了Illumina MiSeq平台进行16S rRNA基因高通量测序。这一方法能够提供高分辨率的微生物组成信息，帮助识别优势菌群和性别特异性差异。此外，研究还通过QIIME 2和DADA2软件进行序列处理和多样性分析，以评估微生物群落的丰富度和多样性。功能预测则通过PICRUSt2进行，结合KEGG数据库，分析微生物群落的潜在代谢功能，包括氨基酸代谢、脂质代谢、碳固定等。

为了进一步揭示微生物群落与宿主生理状态之间的关系，研究采用了正交对应分析（CCA）和方差分解分析（VPA），评估环境因素和生物因素对微生物组成的影响。此外，通过构建微生物共现网络，分析不同菌群之间的相互作用，识别关键物种和网络结构。

### 三、研究结果与分析

#### 1. 环境与生物参数的差异

研究发现，Catla的性别差异不仅体现在生殖发育上，还影响其肠道微生物群落的结构。环境参数如水温、pH、溶解氧（DO）、硬度、磷酸盐（PO?3?-P）和氨氮（NH??-N）对微生物组成有显著影响。然而，生物因素（如体重、肝重、肠道重、生殖腺重、肝体比、脂肪指数等）对微生物多样性的影响更为显著，占比高达63.97%。这表明，宿主的生理状态是影响肠道微生物群落变化的主要因素。

#### 2. 肠道微生物组成与功能

在Catla的肠道微生物中，Proteobacteria是主要的优势菌门，占所有序列的59.97%（雌性）和45.85%（雄性）。Fusobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes也占据重要比例。在属水平上，*Cetobacterium*和*Shewanella*是最常见的两种菌属，它们在雄性和雌性肠道中的分布存在显著差异。通过功能预测分析，研究发现肠道微生物与生殖、脂质代谢、消化和免疫等功能密切相关。例如，某些菌属与雌二醇呈正相关，可能通过调控激素水平来促进生殖过程；而*Bacteroidetes*则与11-KT呈负相关，可能抑制雄性生殖功能。

#### 3. 微生物多样性分析

通过α-和β-多样性分析，研究发现雌性Catla的肠道微生物多样性显著低于雄性。这可能与雌性在繁殖前的生理状态变化有关，如生殖腺发育和能量分配的改变。而β-多样性分析显示，微生物群落结构在性别之间存在显著差异，说明性别特异性的微生物组成可能与不同的生理需求有关。

#### 4. 微生物与宿主生理的关联

研究还发现，某些微生物群落与宿主的生理指标（如体重、肝体比、脂肪指数）存在显著相关性。例如，*Clostridium perfringens*和*Pseudomonas stutzeri*虽然在肠道中占比较低，但它们在微生物网络中扮演关键角色，对群落结构和稳定性有重要影响。这些关键菌属可能通过调节其他微生物的相互作用，间接影响宿主的生理状态。

#### 5. 微生物共现网络分析

通过构建共现网络，研究发现雄性和雌性Catla的肠道微生物存在不同的互动模式。雌性微生物群落表现出更高的聚类系数和模块性，说明其微生物相互作用更为复杂和紧密。而雄性微生物群落则表现出更高的网络密度和连通性。这些差异可能与性别特异性的生理需求和代谢活动有关，如雌性需要更多的能量支持卵子发育，而雄性则更关注精子生成和质量。

### 四、讨论与启示

#### 1. 微生物群落的性别特异性

研究结果表明，Catla的肠道微生物群落在性别之间存在显著差异。这种差异可能源于不同的内分泌调控机制和生理需求。例如，雌性Catla的肠道中*Bacteroidetes*比例较高，这可能与其较高的脂质代谢需求有关，而雄性肠道中*Clostridium*和*Exiguobacterium*的丰富度更高，可能与能量代谢和蛋白质合成相关。此外，某些菌属如*Serratia*和*Shewanella*在雌性肠道中更为常见，它们与雌二醇呈正相关，可能通过影响激素水平来促进生殖发育。

#### 2. 微生物功能与宿主生理的关联

通过功能预测分析，研究发现Catla的肠道微生物与多种生理功能密切相关。例如，某些菌属可能通过调节脂质代谢和氨基酸合成，支持宿主的生长和生殖需求。此外，微生物群落还可能通过调节免疫功能，增强宿主对疾病的抵抗力。这些功能预测为理解微生物如何影响宿主健康提供了理论依据。

#### 3. 环境因素对微生物群落的影响

研究还发现，环境因素如水温、pH、溶解氧等对肠道微生物群落结构有重要影响。这些因素可能通过改变微生物的生存环境，影响其代谢活动和种群分布。例如，高溶解氧和低氨氮可能有利于某些有益菌群的生长，而低溶解氧和高氨氮则可能抑制其生长。因此，优化养殖环境参数对于维持健康的微生物群落至关重要。

#### 4. 微生物网络与生态位竞争

共现网络分析揭示了Catla肠道微生物之间的复杂互动关系。某些菌属如*Cetobacterium*和*Pseudomonas*可能通过竞争资源或抑制其他菌群的生长，影响整个微生物网络的稳定性。而其他菌属如*Akkermansia*可能通过促进肠道屏障功能和免疫调节，维持微生物群落的平衡。这些相互作用可能对宿主的健康和繁殖性能产生深远影响。

### 五、结论与展望

本研究首次系统分析了Catla在繁殖前阶段肠道微生物的性别特异性变化，揭示了其在代谢、免疫和生殖功能中的潜在作用。研究发现，性别差异显著影响肠道微生物的组成和功能，而生物因素在微生物群落变化中起主导作用。此外，某些关键菌属如*Clostridium perfringens*和*Pseudomonas stutzeri*在维持微生物网络结构和稳定性方面具有重要作用。

这些发现不仅加深了对Catla肠道微生物群落的认识，还为水产养殖中的微生物调控策略提供了科学依据。通过优化微生物群落结构，可以提高Catla的繁殖性能和整体健康，从而支持可持续的水产养殖实践。未来研究可以进一步结合多组学技术，如宏基因组学、代谢组学和蛋白质组学，以更全面地揭示微生物与宿主之间的相互作用机制。此外，研究还可以扩展到其他鲤科鱼类，以探索性别特异性微生物调控的普遍性。

### 六、研究意义与应用前景

Catla的肠道微生物群落研究具有重要的应用价值。首先，该研究为优化Catla的繁殖管理提供了新思路。通过调控肠道微生物组成，可以促进生殖激素的分泌，提高繁殖成功率。其次，研究揭示了微生物群落与宿主健康之间的关系，有助于制定更有效的疾病防控策略。此外，研究还强调了环境因素对微生物群落的影响，为改善养殖环境、提高鱼体免疫力和生长性能提供了理论支持。

在实际应用中，这些发现可以用于开发微生物调控的养殖技术。例如，通过引入特定的益生菌或调整饲料成分，可以优化Catla的肠道微生物群落，提高其繁殖性能和健康水平。此外，研究还为水产养殖的可持续发展提供了科学依据，有助于减少抗生素使用，提高养殖效率。

总之，这项研究为理解Catla肠道微生物群落的性别特异性变化提供了新的视角，并为水产养殖中的微生物调控策略奠定了基础。未来的研究可以进一步探索微生物如何影响宿主的生殖激素水平，以及如何通过调控微生物群落来提高Catla的繁殖性能和健康水平。这些研究不仅有助于提升Catla的养殖效益，还为其他鲤科鱼类的微生物研究提供了参考。