野生鸟类肠道微生物组维生素B和K2生物合成的宏基因组分析

《Avian Research》：Metagenomic analysis of vitamins B and K 2 biosynthesis by gut microbiota in wild birds

本研究针对野生鸟类肠道微生物维生素合成功能未知的问题，通过对718份样本的10,455个MAGs进行系统分析，发现1164个MAGs具备维生素B和K2从头合成能力，揭示了宿主物种、环境因子和迁徙行为对维生素合成基因分布的协同调控机制，为理解鸟类生态适应提供了微生物功能视角。

　　

在自然界中，野生鸟类展现出惊人的生态适应能力，它们迁徙千里、适应不同气候、利用多样化的食物资源。这些非凡能力的背后，除了鸟类自身的生理调节，其体内共生的肠道微生物可能扮演着关键角色。维生素B族和维生素K₂作为必需营养素，参与能量代谢、神经功能、血液凝固和钙平衡调节等多种生理过程。由于动物自身无法合成这些维生素，必须依赖膳食摄入和微生物合成。以往研究主要集中在人类和家禽模型上，而对野生鸟类肠道微生物维生素合成功能的认识仍存在大量空白。

野生鸟类生活在复杂多变的自然环境中，其饮食结构、气候条件和微生物暴露情况与驯养动物存在显著差异。这种生态复杂性可能驱动了其肠道微生物形成独特的适应性特征，包括专门的维生素生物合成能力。然而，野生鸟类肠道微生物是否具备维生素合成功能？这些功能如何受到宿主物种、环境条件和生态行为的影响？与家鸡相比是否存在功能差异？这些问题对于理解鸟类健康管理和生态适应机制具有重要意义。

为了解决这些科学问题，青岛农业大学兽医学院的科研团队在《Avian Research》上发表了最新研究成果。研究人员收集了718只野生鸟类肠道样本，通过宏基因组测序获得了10,455个宏基因组组装基因组，经过质量筛选和去冗余后，最终保留1,947个高质量基因组进行系统分析。研究团队采用了一套完整的生物信息学分析流程：首先使用Fastp进行原始数据质控，Bowtie2去除宿主基因组污染；接着利用MEGAHIT进行序列组装，MetaBAT2完成基因组分箱；通过CheckM2评估基因组质量，GTDB-Tk进行物种分类注释；使用Prodigal预测开放阅读框，DIAMOND比对KEGG数据库进行功能注释；最后通过多种统计方法和可视化工具进行深入分析。

3.1. 野生鸟类肠道微生物MAGs数据的收集

研究共收集10,455个野生鸟类肠道MAGs，经过严格质量筛选后获得2,534个质量合格的基因组，进一步通过99%平均核苷酸一致性阈值去冗余，最终保留1,947个MAGs用于后续分析。这些基因组覆盖33个门、582个属，其中Bacillota_A(23.0%)、Bacteroidota(20.1%)和Pseudomonadota(18.4%)为优势菌门，基因组完整度平均达81.63%，污染率仅1.22%，为后续功能分析提供了可靠的数据基础。

3.2. 维生素B和K₂生物合成相关基因分析

通过KEGG数据库功能注释，研究人员从1,947个MAGs中鉴定出106,336个维生素生物合成基因，涉及9种维生素的合成途径。其中泛酸合成基因数量最多(19,112个)，而维生素K₂(甲萘醌)合成基因最少(6,401个)。特别值得注意的是，钴胺素(维生素B₁₂)存在需氧和厌氧两种合成途径，而烟酸仅通过单一途径合成，其他八种维生素则存在替代合成路线。

3.3. 维生素B和K₂从头生物合成的基因组景观

深入分析发现1,164个MAGs具备至少一种维生素的从头合成能力，其中410个为高质量基因组(完整度>90%，污染<5%)。这些基因组中，3个MAGs能合成7种维生素，17个能合成6种维生素，展现出惊人的代谢潜力。烟酸合成能力最为普遍(77.80%的MAGs)，而硫胺素合成能力最为罕见(仅6.59%)。维生素合成基因主要分布于Pseudomonadota、Campylobacterota、Bacillota_A和Actinomycetota门，优势菌属包括Campylobacter_D、Escherichia和Cutibacterium。

3.4. 野生鸟类与家鸡肠道微生物维生素生物合成潜力差异

与家鸡比较发现，野生鸟类肠道微生物富含生物素、叶酸和泛酸合成基因，而家鸡则富含甲萘醌、烟酸、核黄素和硫胺素合成基因。在多样性方面，野生鸟类表现出更高的香农指数和个体间变异，反映了其微生物群落对多变环境的适应能力。这些功能差异体现了野生与驯养环境下不同的选择压力。

3.5. 宿主物种、环境和饮食共同塑造野生鸟类肠道微生物维生素生物合成潜力

多因素方差分析显示，宿主物种是解释维生素合成基因组成变异的最大因素(调整R²=12.68%)，其次是环境因素、居留状态和主要食性。不同食性鸟类表现出明显的功能分化：作物主食和昆虫主食鸟类富含多种B族维生素合成基因，而水生植物主食鸟类则特异性富集叶酸合成途径，主要由Campylobacterota门(特别是Campylobacter_D属)贡献。

3.6. 迁徙行为与维生素生物合成基因多样性及微生物贡献者的关联

迁徙鸟类维生素合成基因多样性显著高于留鸟，但两者在相对丰度上相似，表明迁徙鸟类可能通过更复杂的微生物网络来满足长途飞行中的营养需求。随机森林模型准确区分迁徙鸟和留鸟(AUC=96.4%)，Campylobacter_D(留鸟富集)和Helicobacter_G(迁徙鸟富集)成为最重要的区分标志。

这项研究首次系统揭示了野生鸟类肠道微生物维生素合成的基因组基础和生态驱动因素。研究发现野生鸟类肠道微生物具备广泛的维生素合成能力，且这种能力受到宿主遗传背景和生态因素的双重调控。与家鸡相比，野生鸟类微生物在生物素、叶酸和泛酸合成方面表现出适应性增强，反映了其对自然环境中营养波动的代谢适应。不同食性鸟类呈现出特异性的维生素合成模式，如水生植物主食鸟类依赖Campylobacter_D进行叶酸合成，而昆虫主食鸟类则通过Escherichia等菌属合成多种B族维生素。

迁徙鸟类表现出更高的维生素合成基因多样性，表明其微生物群落具备更强的代谢可塑性以适应长途迁徙中的营养需求。这种功能分工可能为迁徙鸟类提供了应对环境变化的代谢缓冲能力。研究建立的基因组资源库和分析方法为未来鸟类微生物组研究提供了重要参考。

该研究的局限性在于样本代表性有限，且缺乏实验验证。未来研究需要结合宏转录组和代谢组学方法，验证维生素合成途径的实际活性，同时整合更精细的环境和饮食数据，以更全面理解生态因素对微生物维生素代谢的调控机制。

总之，这项研究为理解野生鸟类生态适应提供了新的微生物功能视角，建立的基因组资源为后续研究奠定了坚实基础，对鸟类保护管理和健康监测具有重要指导意义。