迁徙性豆雁肠道微生物组揭示种群内病原体与抗生素抗性基因分布差异及其微生物组基础

《npj Biofilms and Microbiomes》：Gut microbiome profiling of a migratory Anser serrirostris population reveals two groups with distinct pathogen and ARG contents

本研究针对迁徙鸟类作为病原体和抗生素抗性基因（ARGs）传播载体的关键问题，通过对迁徙豆雁（Anser serrirostris）种群进行肠道微生物组分析。研究人员采用全长16S rDNA测序和宏基因组学方法，首次发现同一种群内存在具有显著差异的两个肠道微生物组群（E1/E2）。E1组富含机会性病原菌（如Pseudomonas、Erwinia）和ARGs，且微生物互作网络受损；E2组则富集短链脂肪酸（SCFAs）合成和植物代谢物降解功能。研究通过基因组中心分析鉴定出多种携带毒力因子和ARGs的病原基因组（如Salmonella enterica、Vibrio parahaemolyticus）。该研究为理解迁徙鸟类种群内病原/ARG变异的微生物组基础提供了新见解，对制定针对性防控策略具有重要意义。

　　

每年秋冬季节，成千上万的豆雁（Anser serrirostris）从俄罗斯北极苔原飞越数千公里，来到中国东部沿海湿地越冬。这些长途跋涉的候鸟不仅是自然界的奇观，更是潜在的微生物"特快专列"——它们可能在迁徙过程中携带并传播各种病原体和抗生素抗性基因（ARGs）。然而，科学家们一直困惑的是：为什么同一种群、相同栖息地的候鸟个体间，携带的病原体和ARGs含量存在巨大差异？这背后是否有着不为人知的微生物组基础？

为了解决这一谜题，扬州大学张云增教授团队在《npj Biofilms and Microbiomes》上发表了最新研究成果。研究人员选择江苏盐城湿地国家级自然保护区的一个豆雁种群为研究对象，这个保护区是豆雁重要的越冬地，每年有超过22.9万只个体在此栖息。研究团队在2020年12月的一个早晨，从一个专门被豆雁群占据的大麦幼苗田中，精心采集了70份新鲜粪便样本。通过严格的形态学鉴定和空间分布控制，确保每份样本来自不同个体，且避免了土壤污染。

研究采用PacBio HiFi平台进行全长16S rDNA测序，并对25个代表性样本进行深度宏基因组测序，构建了包含3,121,626个非冗余基因的豆雁肠道微生物基因目录。分析发现，尽管所有个体生活在相同环境、享有相同食物来源，它们的肠道微生物组却自然分化为两个截然不同的群组：E1组（27个个体）和E2组（43个个体）。这种分层现象在16S测序和宏基因组分析中均得到一致验证。

主要技术方法

研究采用全长16S rDNA测序（PacBio ccs）对70个粪便样本进行微生物组成分析，OTU聚类使用97%相似度阈值。选取25个代表性样本进行Illumina NovaSeq宏基因组测序，产生339.8 Gb数据。使用MEGAHIT进行共组装，Prodigal进行基因预测，构建非冗余基因目录。功能注释通过eggNOG-mapper完成，ARGs使用CARD数据库鉴定，毒力因子通过VFDB数据库分析。利用metaWRAP进行宏基因组组装基因组（MAGs）提取，CheckM评估基因组质量。分子生态网络（MENs）基于随机矩阵理论构建。

微生物组结构差异

E1组表现出显著不同的微生物组成，其Pseudomonadota相对丰度显著升高，而Bacillota、Bacteroidota和Actinomycetota显著降低。在属水平上，19个属表现出显著差异，其中Erwinia（8.99% vs. 0.49%）、Pseudomonas（11.89% vs. 3.21%）和Enterobacter（6.86% vs. 0.14%）在E1组中显著富集。网络分析显示，E2组微生物形成更复杂的模块化网络结构，而E1组微生物互作受损。

功能特征对比

E1组显著富集与微生物竞争和致病性相关的功能，包括完整的T6SS（VI型分泌系统）机制、铁载体合成基因、脂多糖（LPS）生物合成、T3SS（III型分泌系统）效应物和阳离子抗菌肽（CAMP）抗性基因。相反，E2组富集植物次生代谢物（PSMs）降解和短链脂肪酸（SCFAs）生物合成途径，其中Bradyrhizobium是降解酚类化合物的主要贡献者。

抗生素抗性基因分布

研究鉴定出1,505个ARGs，归属于224个抗生素抗性本体（AROs）。E1组ARGs平均丰度是E2组的32.44倍，其中19.82%的ARGs位于移动遗传元件（MGEs）上。Erwinia、Enterobacter、Leclercia和Pseudomonas是E1组ARGs的主要携带者。

病原基因组鉴定

通过宏基因组组装获得91个MAGs，其中多个被鉴定为重要人类病原体。Salmonella enterica bin89在E1组中丰度显著更高，携带300个毒力因子和52个ARGs。Vibrio parahaemolyticus bin35与临床分离株高度相似，含有热稳定直接溶血素（tdh）等关键毒力因子。Acinetobacter baumannii bin59在种群中广泛分布，携带多种临床重要ARGs。Pseudomonas sp. bin58含有完整的致病相关基因簇。

研究结论与意义

本研究首次在迁徙鸟类种群中揭示了肠道微生物组驱动的内部分化现象。E1/E2分组不仅反映了微生物组成的差异，更体现了功能特征和健康风险的显著不同。E2组具有更稳定、功能有益的微生物群落，擅长植物成分降解和有益代谢物产生；而E1组则富含机会病原体和ARGs，微生物互作网络脆弱。这种分化不能由饮食或遗传背景差异解释，可能受到年龄、性别、健康状况等未记录因素的影响。

该研究构建了首个迁徙野生鸟类肠道微生物基因目录，为理解野生动物微生物组提供了重要资源。研究发现迁徙鸟类种群内存在显著的病原体和ARGs分布异质性，提示在监测项目中需要更全面的个体采样。鉴定出的病原基因组（如A. baumannii bin59）与临床株高度相似，表明豆雁可能是重要人类病原体的自然储存库。

研究结果对公共卫生具有重要意义，特别是考虑到豆雁常在农田中取食和排泄，可能通过直接接触、生物气溶胶等途径传播病原体和ARGs。未来研究需要开发非侵入性方法收集个体元数据，并结合环境采样，以揭示微生物组分化的驱动因素，为管理迁徙鸟类介导的病原传播提供科学依据。