健康相关Anaerostipes hadrus的菌株水平变异调控营养生态位占据：碳水化合物利用与短链脂肪酸产生的机制解析

为解决肠道微生物营养生态位占据机制不清的问题，研究人员开展Anaerostipes hadrus（AH）菌株水平碳水化合物利用差异的主题研究，发现其通过水平基因转移（HGT）获得差异性碳水化合物代谢基因簇，导致菌株特异性SCFA（短链脂肪酸）生产谱式，并揭示共培养中菌株互作对代谢输出的非叠加性影响，为活生物治疗产品（LBP）开发提供菌株水平设计依据。

　　

肠道微生物通过发酵碳水化合物产生短链脂肪酸（SCFA），包括乙酸、丙酸和丁酸，这些代谢产物对宿主健康具有重要调节作用。然而，对于许多肠道厌氧菌，特别是厚壁菌门（Bacillota）中的毛螺菌科（Lachnospiraceae）成员，其营养生态位占据的具体机制以及菌株水平上的功能差异仍不明确。Anaerostipes hadrus（AH）作为毛螺菌科中产丁酸盐的重要成员，其碳水化合物利用能力和代谢输出在菌株水平上的变异，以及这种变异如何影响微生物群的组装和功能，是当前研究的焦点。

为了深入探究这些问题，研究人员在《ISME Communications》上发表了最新研究成果。他们通过对19株来自健康人粪便的AH分离株以及5株Blautia wexlerae（BW）对照株进行系统的基因组学和功能学分析，揭示了AH菌株在碳水化合物利用基因库、营养生态位访问以及SCFA生产方面存在的显著菌株水平差异。研究还探讨了在共培养条件下，菌株间相互作用对代谢输出的复杂影响。

研究采用了多项关键技术方法：1）基因组注释与比较基因组学（使用Prokka、dbCAN3和KEGG工具）；2）水平基因转移（HGT）预测（HGTector2）和移动遗传元件（MGE）鉴定（geNomad）；3）表型微阵列技术（Biolog PM板）筛选190种碳源利用；4）气相色谱-质谱联用（GC-MS）定量短链脂肪酸（SCFA）和碳水化合物；5）共培养实验与qPCR菌株定量。样本来源于已发表的分离株生物库（包括7名健康捐赠者）。

研究结果部分：

AH strains exhibit diversity in genes for carbohydrate use

研究人员首先发现，与拟杆菌门（Bacteroidota）相比，毛螺菌科编码的碳水化合物活性酶（CAZymes）数量较少，但AH分离株仍具有显著的碳水化合物代谢潜力。重要的是，基于糖苷水解酶（GH）和转运蛋白的分布，AH与其他毛螺菌科物种明显分开，形成独立簇群。对19株AH的深入分析显示，其碳水化合物相关基因（包括GH、PTS和ABC转运蛋白以及碳水化合物代谢基因）存在广泛的菌株水平变异，这些变异与16S rRNA序列相似性（99.77%）或平均核苷酸一致性（ANI，98.45%）无关。进一步分析表明，AH分离株中预测为水平基因转移（HGT）来源的基因占相当比例，且碳水化合物相关基因在HGT来源基因中的比例显著高于非HGT基因。同时，基因组中预测到多个移动遗传元件（MGE），表明HGT是AH菌株获得差异性营养生态位访问能力的重要机制。

Strain-level variation in nutrient niche access

通过表型微阵列筛选，研究人员测试了19株AH和5株BW在190种碳源上的生长情况。56种化合物支持至少一株菌的生长，包括9种二糖和18种单糖。AH菌株对多糖（如菊粉和果胶）以及某些寡糖（如麦芽三糖、棉子糖和水苏糖）的利用能力存在差异。值得注意的是，菌株间在D-海藻糖、水苏糖、肌醇、乳糖和乳果糖等碳源利用上表现出明显差异。碳源利用谱与基于全基因组编码基因（r=0.907）或仅碳水化合物相关基因（r=0.921）的聚类高度相关，但与基于单拷贝基因集的系统发育树（r=0.045）无关，表明功能差异主要源于 accessory genome 的变异。

Gene cluster gain, loss, and disruption dictate nutrient niche access

研究人员鉴定出多个与特定碳水化合物利用相关的基因簇。例如，一个推测的海藻糖利用基因簇（包含调节因子、导入蛋白和GH13_29）仅存在于4株能利用海藻糖的AH菌株中，且位于其他菌株中保守的基因组区域。类似地，唯一能利用水苏糖的AH菌株编码了一个独特的水苏糖利用基因簇。对于肌醇和乳糖，大多数AH菌株能利用这些碳源，并编码相应的基因簇。然而，三株不能利用肌醇的AH菌株似乎丢失了该基因簇（侧翼基因相邻）。有趣的是，尽管所有AH菌株都编码一个推测的乳糖利用基因簇，但三株不能利用乳糖的菌株（AH11/12/13）在该基因簇的转运蛋白基因处存在预测的截断和contig断裂。对AH11的长读长测序证实了一个插入序列（IS）的存在于此位点。此外，一些编码完整基因簇的菌株（如AH9对肌醇，AH15/16/18/19对乳糖）在初始碳源筛选板（单一碳源基础培养基）中不生长，但在补充了相应碳水化合物的BHI-D（无葡萄糖脑心浸液培养基）中则能生长（AH9生长速率同其他菌株，AH15/16/18/19则存在延滞期延长），表明生长培养基的其他成分也影响营养生态位的访问。

Variable nutrient niche access drives differential SCFA production

在BHI-D基础培养基中，SCFA产量很低。补充葡萄糖后，所有AH菌株均能显著增加丁酸盐产量。补充乳糖、乳果糖或海藻糖后，丁酸盐产量的增加呈现菌株特异性模式，与菌株生长能力和相应基因簇的存在相一致。相反，补充肌醇主要诱导丙酸盐的产生，且同样具有菌株特异性，与肌醇利用基因簇的存在相关。在共培养实验中，只要共培养菌株中至少一株能利用所提供的碳水化合物，就能产生相应水平的SCFA。

Strain-specific nutrient niche preferences

在竞争性环境中（同时提供两种碳水化合物），菌株表现出对碳水化合物的偏好性。当提供肌醇+海藻糖或肌醇+乳糖时，肌醇利用产生丙酸盐，而海藻糖或乳糖利用产生丁酸盐。能同时利用两种糖的AH3在肌醇+海藻糖条件下优先利用海藻糖，主要产生丁酸盐。在肌醇+乳糖条件下，五株能利用这两种糖的AH菌株（AH1, AH3, AH14, AH17, AH18）表现出不同的偏好：AH1、AH3和AH14主要产生丁酸盐和少量丙酸盐；AH17同时产生丙酸盐和丁酸盐；AH18则主要产生丙酸盐。通过监测SCFA产生和碳水化合物消耗的动态过程，证实了这些偏好：AH3快速消耗乳糖而非肌醇；AH18消耗肌醇而非乳糖；AH17则同时消耗两种糖。

Intra-species interactions influence AH nutrient niche access

在AH菌株共培养实验中，当两种菌株竞争同一种碳水化合物时，SCFA谱反映了对该糖的利用（仅产生丙酸盐或丁酸盐）。当一种菌株仅利用海藻糖（产丁酸），另一种仅利用肌醇（产丙酸）时，尽管不直接竞争糖，但共培养物却产生了不同的SCFA谱：有些同时产生了丁酸盐和丙酸盐，有些则仅检测到丁酸盐。当能同时利用两种糖但偏好海藻糖的AH3与仅能利用肌醇的不同菌株共培养时，也观察到了一系列不同的SCFA谱。选择三对具有相同碳水化合物利用能力但在共培养中产生意外不同SCFA谱的菌株对进行深入分析（使用0.5% w/v碳水化合物以便分析消耗）。qPCR菌株定量表明，SCFA产生和碳水化合物消耗模式反映了共培养物中两株菌相对丰度的变化以及它们在纯培养中的行为。例如，在肌醇+海藻糖中共培养AH3（偏好海藻糖）和AH1（仅用肌醇）时，AH1显著竞争过AH3，导致丙酸盐产生和肌醇消耗；而当AH3与AH18（仅用肌醇）共培养时，AH3竞争过AH18，导致相对更高的丁酸盐产量和海藻糖消耗。

本研究得出结论，AH菌株在碳水化合物营养生态位访问方面存在显著的菌株水平变异，这种变异与特定碳水化合物利用基因簇的获得、丢失或中断相关。菌株不仅表现出不同的碳水化合物利用能力，在混合营养环境中还表现出对碳水化合物的特异性偏好。更重要的是，菌株间的相互作用在共培养中会导致SCFA谱和碳水化合物消耗的变化，其复杂程度超出了单个菌株行为的简单叠加。这些发现强调，在设计和开发针对恢复AH和丁酸盐生产的活生物治疗产品（LBP）时，必须充分考虑菌株水平上的功能差异和菌株间潜在的相互作用，以实现可预测和有效的治疗效果。