鹿科动物肠道微生物组的高原适应性进化与宿主协同演化研究

研究人员针对高原极端环境下鹿科动物适应性机制不明的科学问题，通过宏基因组组装基因组(MAGs)技术构建了迄今最全面的鹿科肠道微生物目录（41,847个MAGs和3,193个高质量物种级基因组箱）。研究发现高原鹿种肠道菌群在能量代谢通路发生基因组水平适应性进化，Alistipes和Faecousia属菌株通过结构变异(SVs)显著富集碳水化合物活性酶(CAZymes)，揭示了肠道微生物与宿主在高原环境下的协同演化关系，为极端环境适应机制提供了新见解。

　　

在被称为"地球第三极"的青藏高原，极端的高海拔环境对野生动物提出了严峻挑战。尽管高原鼠兔(Ochotona curzoniae)等小型哺乳动物的适应机制已有研究，但作为重要有蹄类动物的鹿科动物(Cervidae)如何适应高原环境仍存在巨大知识空白。肠道微生物作为"第二基因组"，在宿主能量代谢、免疫调节等方面发挥关键作用，但其在高原动物适应性进化中的具体功能角色和协同演化机制尚不明确。

为解答这一科学问题，中国科学院西北高原生物研究所等机构的研究人员联合开展了跨区域的比较宏基因组学研究。团队采集了青藏高原4种鹿科动物（高原马鹿、白唇鹿等）和平原地区4种近缘物种共414份粪便样本，结合公共数据库数据，利用Illumina平台生成7.07 Tb高质量测序数据。通过创新性的生物信息学分析流程，系统揭示了肠道微生物组在鹿科动物高原适应中的进化机制。

关键技术方法
研究采用深度测序（平均15.72 Gb/样本）和SPAdes组装策略，结合MetaBAT2分箱获得41,847个MAGs。使用CheckM评估基因组质量，dRep进行去冗余处理，GTDB-Tk进行物种注释。通过PhyloPhlAn构建系统发育树，结合ParaFit、PACo和eMPRess分析宿主-微生物协同演化关系。利用dbCAN2注释CAZymes，MUM&Co检测结构变异，KEGG进行通路富集分析。

研究结果
Metagenome sequencing and assembly of cervids
研究成功构建包含25,144个低质量、8,053个中等质量和8,650个高质量MAGs的肠道微生物资源库。高原鹿种中未注释物种级基因组箱(SGBs)比例显著高于平原物种（p<0.05），其中62.7%的SGBs为新发现物种。Bacillota_A（1,839 SGBs）和Bacteroidota（812 SGBs）为优势菌门， archaea中Methanobacteriota（13 SGBs）参与甲烷代谢。

Coevolution and genomic metabolic features
线粒体基因组系统发育分析结合微生物组数据揭示显著的宿主-微生物协同演化（ParaFitGlobal p=0.012）。Alistipes属菌株形成两个进化分支：高原宿主主导的Clade 1（81.16%）具有更短遗传距离和更强碳水化合物代谢能力，其CAZymes相对丰度显著高于平原主导的Clade 2（p<0.005）。KEGG分析显示Clade 1显著富集淀粉代谢、糖酵解等能量通路。

Functional features of SVs in plateau cervid MAGs
高原鹿种肠道菌群检测到31,117个结构变异(SVs)，以插入(16,765)和重复(1,923)为主。插入/重复变异基因显著富集脂肪酸降解（log₂
FC>2）、戊糖磷酸途径等能量代谢通路，而缺失变异(17,792)主要关联抗生素合成等次级代谢通路。白唇鹿SGBs携带最多SVs（12,760个），反映高原选择压力驱动的基因组可塑性。

结论与意义
该研究首次系统揭示了鹿科动物肠道微生物组的高原适应机制：1）发现2,001个新微生物物种，拓展了极端环境微生物资源库；2）证实宿主-微生物在基因组水平的协同演化关系，Alistipes和Faecousia属菌株通过CAZymes扩增增强能量代谢；3）阐明结构变异作为关键进化驱动力，使微生物基因组快速适应高原低氧环境。研究成果发表于《BMC Biology》，为理解宿主-微生物共适应极端环境的分子机制提供了范式，对保护生物学和微生物资源开发具有重要价值。