在碱性胁迫下，对草鱼转录组学与肠道微生物组的整合分析

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Integrative analysis of transcriptomics and gut microbiome in grass carp under alkalinity stress

青鱼在碳酸氢钠胁迫下肠道转录组与菌群协同响应机制研究。通过整合肠道菌群16S rRNA测序和宿主转录组分析，发现48小时后菌群多样性下降，放线菌门显著增加，同时鉴定到1620个差异表达基因，涉及免疫应答和能量代谢通路。qPCR验证了aqp1a、ca6等关键基因的表达变化，揭示了菌群-宿主互作在碱性胁迫适应中的分子调控网络。

　　

郭建林|徐毅|陈琪|张海琪

中国浙江省淡水渔业研究所遗传与育种重点实验室，湖州

摘要

碱度是盐碱生态系统中的关键环境压力因素，对水生生物的生长和存活有负面影响。通过遗传改良耐碱鱼类品种，为利用盐碱水资源提供了有前景的策略；然而，对碱度压力反应的分子机制仍知之甚少。本研究旨在通过整合肠道微生物组分析与宿主转录组数据，识别草鱼在碱度暴露下的新型分子特征。组织学分析显示，NaHCO?处理后，肠道褶皱的高度、肌肉层厚度和褶皱宽度发生了显著变化，同时碱度压力下杯状细胞数量增加。差异基因表达（DEGs）分析显示，在NaHCO?处理24小时、48小时和72小时后，分别有1620个、6564个和3190个基因的表达发生了显著变化。通过实时定量PCR验证了几个已知的耐碱基因，如水通道蛋白1a（aqp1a）、碳酸酐酶6（ca6）、热休克蛋白30（hsp30）、前列腺素-内过氧化物合酶2b（ptgs2b）、半胱天冬酶23（casp23）、溶质载体家族7a（slc7a）、Toll样受体5（tlr5）和Toll样受体13（tlr13）。基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析表明，免疫和疾病相关信号通路在缓解急性碱度压力中起着关键作用。此外，通过16S rRNA测序共获得了1,521,323条经过质量过滤的序列，平均长度为416 bp。生物信息学分析表明，NaHCO?处理降低了草鱼的微生物多样性并改变了肠道微生物群组成。值得注意的是，在碱度压力后48小时，Fusobacteriota的数量显著增加，而Firmicutes和Proteobacteria的数量大幅减少。综合分析进一步突出了特定细菌类群与耐碱差异表达基因（DEGs）之间的强相关性。这些发现为碱度压力的分子机制提供了宝贵见解，并确定了通过分子育种提高草鱼耐碱性的潜在靶点。

引言

中国的盐碱水体面积约为4587万公顷，主要分布在东北部、西北部和沿海地区（Yao等人，2010年；Lin等人，2013年）。这些水体的物理化学特性，包括高pH值、高盐度和碳酸盐碱度（CA），对水生生物的生存和发育构成了重大障碍（Song等人，2021年）。因此，大部分盐碱水资源仍未得到利用且被忽视（Sharma和Minhas，2005年；Chen等人，2025年）。最近的研究表明，盐碱水产养殖是有效利用这些资源的一种方式。因此，建立具有增强耐碱性的淡水鱼类育种计划是推进盐碱水产养殖的关键步骤（Liu等人，2021年）。

了解赋予鱼类耐碱性的调控机制是实现碱水环境中水产养殖成功商业化的重要前提（Zhang等人，2023年）。近年来，对多种硬骨鱼类在急性碱度压力下的比较多组学分析已经开展。在O. niloticus（Zhao等人，2015年）、O. latipes（Yao等人，2010年）、T. yarkandensis（Chen等人，2020年）、Magadi tilapia（Kavembe等人，2015年）和Amur ide（Xu等人，2013a，2013b）等物种中的转录组分析，发现了许多可能与耐碱性反应相关的基因和通路。利用质谱（MS）的高通量代谢组学研究也表明，Carassius carassius的代谢变化对于在高碱环境中的生存至关重要（Sun等人，2018年；Wei等人，2023年）。此外，越来越多的证据表明，环境因素可以诱导DNA甲基化变化，这在适应盐碱条件中起着关键作用（Morán等人，2013年；Heckwolf等人，2020年；Li等人，2020年）。

肠道微生物群对水生生物的健康至关重要，影响营养吸收、免疫功能和环境压力耐受性（Yi等人，2019年；Hao等人，2025年）。关于盐碱环境的研究发现，盐碱栖息地与淡水栖息地之间的肠道微生物组成、丰度和多样性存在显著差异（Fan等人，2021年；Wen等人，2023年）。虽然这些发现强调了肠道微生物群在调节碱度压力反应中的重要性，但具体的分子调控网络和微生物机制仍需进一步探索。本研究通过对暴露于NaHCO?处理的草鱼进行肠道转录组变化和肠道微生物群组成的比较分析，旨在揭示肠道微生物群与宿主在应对碱度压力时的协调机制。通过分析对碱度有反应的差异表达基因（DEGs）和微生物类群，本研究旨在揭示驱动草鱼适应碱环境的分子和微生物网络，为利用分子标记和基于微生物群的方法开发耐碱品种提供宝贵见解。

实验动物和伦理声明

本研究中使用的健康草鱼幼鱼来自中国浙江省宁波市，在实验前经过了全面的健康筛查以确保数据的可靠性。这些鱼的平均体长为12.33±0.93厘米，平均体重为31.72±8.88克。鱼在室内水泥池中适应了一周，并每隔一天喂食商业饲料。水条件得到严格控制，保持温度在25.0–27.0°C之间。

组织病理学观察

组织学检查显示，草鱼的肠道结构保存完好，主要由浆膜、黏膜下层和肌肉层组成，在正常条件下黏膜具有纵向的“Z”形褶皱。如图1所示，碱度压力显著降低了肠道褶皱的高度和肌肉层的厚度，而NaHCO?处理组的褶皱宽度明显宽于对照组。此外，

讨论

碳酸盐碱度（CA）是盐碱水体的主要环境压力因素，过高的CA水平会损害大多数鱼类的渗透调节（Varsamos等人，2005年）、结构完整性（Shirangi等人，2016年）、抗氧化系统（Liu等人，2022年）、免疫功能（Birrer等人，2012年）、能量代谢（Wu等人，2017年）以及生长和存活（Robinson等人，2010年）。然而，一些物种已经发展出了在自然盐碱环境中生存的独特策略（Poertner等人

CRediT作者贡献声明

郭建林：撰写——初稿，概念构思。徐毅：方法学，研究。陈琪：验证，软件，正式分析。张海琪：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，概念构思。

未引用的参考文献

Tian等人，2017年

Uematsu和Fujimoto，2010年

Yao等人，2012年

利益冲突声明

作者确认不存在利益冲突。

致谢

本研究由生物育种重大项目（2023ZD04065）和浙江省农业科学研究专项基金（编号：2025CZZX04）资助。