中国喀斯特地区两种地方鸡品种粪便微生物群落的品种间多样性与时间动态研究

《Poultry Science》：Inter-breed diversity and temporal dynamics of the fecal microbiota in two local chicken breeds from karst regions in China

　　

本研究旨在探究贵州省两种地方鸡品种在孵化后早期阶段粪便微生物群落的时间动态及品种间差异。研究人员选取600只雏鸡，包括300只贵州黄鸡（GY）和300只长顺绿壳蛋鸡（CG），在完全一致的条件下饲养，并于孵化后第1、3、7、14、30和45天采集粪便样本。采用16S rRNA基因测序技术分析微生物群落。Alpha多样性分析显示，两个品种的微生物丰富度和多样性均随日龄增加而逐步提升，其中CG品种在第45天达到峰值，而GY品种在第30天达到峰值。Beta多样性分析显示品种特异性聚类，反映了不同的时间演替模式。分类学分析表明，厚壁菌门（Bacillota）在所有时间点均为优势菌门，肠球菌属（Enterococcus）和产乳酸杆菌属（Ligilactobacillus）为核心菌属，早期样本富集埃希氏菌-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）和梭菌属（Clostridium）。LEfSe分析鉴定出日龄特异性和品种特异性的微生物生物标志物，总体呈现早期以梭菌纲（Clostridia）和埃希氏菌-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）为主导、中期富集包括分节丝状菌属（Candidatus Arthromitus）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）在内的多种菌属、后期以乳酸菌（如乳杆菌属（Lactobacillus）和链球菌属（Streptococcus））为主的趋势。功能预测表明碳水化合物和氨基酸代谢为微生物主要功能。生态过程量化分析显示，同质选择（homogeneous selection）构成主导机制，全面控制微生物群落组装，随机过程仅发挥次要且品种特异性的作用。CG品种表现出快速、定向的演替模式，最终形成稳定且系统发育保守的群落，提示宿主遗传因素可能施加了强而一致的确定性选择，从而促进特化微生物群落的形成。相比之下，GY品种表现出更为渐进和可变的组装过程，形成了具有更高时间更替率和更大系统发育可塑性的群落。总体而言，研究结果表明品种间多样性不仅体现在组成层面，还延伸至调控群落演替的潜在生态学规则。同时，这些发现提示品种间多样性可能受宿主遗传因素塑造，进而影响早期肠道微生物群落的时间组装和功能特征，为地方家禽品种的精准营养管理和健康优化提供了见解。

论文解读

一、研究背景与意义

家禽养殖是全球农业的重要支柱，在保障食品安全方面发挥着不可或缺的作用。然而，随着集约化生产模式的快速推进，饲养密度显著增加，带来了氨气排放升高、垫料质量恶化以及禽流感和新城疫等传染病暴发风险上升等一系列挑战。历史上，抗生素被广泛用于家禽生产以控制疾病和减少生产损失，但过度或不恰当的使用加速了抗菌药物耐药性的产生，促使许多生产体系限制抗生素生长促进剂的使用。这一监管转变促使科研人员寻求维持禽群健康和性能的可持续替代方案。在此背景下，深入了解肠道微生物群落及其功能作用，已成为推进家禽可持续生产的重要科学和实践途径。

肠道微生物在家禽体内发挥多重关键功能，包括营养吸收、免疫调节、生长促进和疾病抵抗等。鸡的后肠（hindgut）是胃肠道中微生物群落最丰富和多样化的部位，这些微生物群落对膳食纤维降解、短链脂肪酸产生和维生素合成等核心代谢过程至关重要，同时在宿主黏膜免疫系统发育和肠道屏障完整性维持方面发挥决定性作用。鉴于后肠微生物对宿主健康和性能的关键影响，分析粪便微生物动态变化为禽群健康和营养利用的精准管理提供了一种有价值的非侵入性策略。

然而，现有关于鸡肠道微生物组的研究大多集中于商业品种，而地方品种——其可能拥有由当地环境适应和独特选择历史塑造的独特微生物谱系——在很大程度上仍未得到充分探索。中国地方鸡品种经过长期本地适应、独特遗传背景和选择历史的塑造，其肠道微生物群落可能与商业品种存在显著差异。孵化后早期是微生物定植的关键窗口期，对终生的健康和生产力结果具有深远影响。贵州黄鸡（GY）以适应性强、生长快和饲料转化效率高著称，而长顺绿壳蛋鸡（CG）作为国家保护遗传资源，以其抗逆性强、肉质细嫩和营养增强的绿壳蛋而备受重视。尽管这两个品种具有重要的经济和文化意义，但其肠道微生物群落的发育动态在很大程度上仍属未知。

二、研究内容与主要结论

本研究采用16S rRNA基因测序技术，对GY和CG两种贵州地方鸡品种在孵化后第1至45天的粪便微生物群落进行了系统分析。研究旨在实现三个目标：表征早期生长过程中粪便微生物群落的时间变化、比较品种间微生物群落结构和多样性、鉴定品种特异性微生物特征。研究发现，两个品种的粪便微生物群落均表现出动态组装和显著的时间变异性，但呈现出根本不同的演替轨迹。CG品种表现出快速、定向的演替模式，最终形成稳定且系统发育保守的群落；而GY品种则表现出更为渐进和可变的组装过程，形成了具有更高时间更替率和更大系统发育可塑性的群落。研究还发现，两个品种的微生物群落组装均主要由确定性过程（尤其是同质选择）主导，但GY品种中随机过程的影响相对更强。功能预测显示，两个品种的核心代谢功能保守，但微生物表型特征存在显著的品种间差异。这些发现表明，品种间多样性不仅体现在组成层面，还延伸至调控群落演替的生态学规则，宿主遗传因素可能在塑造早期肠道微生物群落的时间组装和功能特征方面发挥关键作用，为地方家禽品种的精准营养管理和健康优化提供了重要见解。

三、主要技术方法

研究人员从600只雏鸡（GY 300只、CG 300只）中，在每个采样时间点随机选取6只体重相对均匀的个体采集新鲜粪便样本，共获得36份粪便样本。样本采集采用非侵入性方式，无需屠宰。研究人员使用E.Z.N.A.? Soil DNA Kit提取粪便样本总DNA，扩增细菌16S rRNA基因的V3–V4高变区，在Illumina Nextseq 2000平台进行双端测序（2×250 bp）。测序数据经质控和拼接后，以97%相似度聚类为操作分类单元（OTU），使用RDP Classifier比对SILVA数据库（v138）进行物种注释。随后利用PICRUSt2预测微生物群落功能潜力，通过BugBase平台预测微生物表型特征，并采用βNTI（β最近分类单元指数）结合RC_Bray（基于Bray-Curtis的Raup-Crick指标）量化确定性和随机生态过程的相对贡献，同时使用中性群落模型（NCM）评估随机过程对群落组装的贡献。

四、研究结果

微生物群落丰富度与概览

通过韦恩图分析OTU分布发现，CG品种在各时间点的独有OTU数量分别为79、22、155、10、76和638个，其中CG45时间点独有OTU数量最高，占总OTU的38.09%，仅38个OTU（2.27%）在所有六个时间点共享，构成CG品种早期发育的核心微生物群。GY品种各时间点独有OTU数量分别为248、36、37、85、248和106个，在GY30出现显著峰值（占总OTU的15.75%），核心微生物群更小，仅含12个OTU（0.76%）。此外，GY品种在第45天的总OTU数（595个）远低于CG品种（1,238个）。

粪便微生物群落的Alpha多样性

Alpha多样性分析显示两个品种的微生物群落发育轨迹存在差异。CG品种的物种丰富度指数（Chao1和Ace）在CG45显著高于CG1、CG3和CG14，Shannon指数在CG1显著低于CG3、CG7、CG30和CG45，而Simpson指数在CG1显著高于其他所有组，呈现渐进式增加并在第45天达到峰值的模式。GY品种的GY30表现出最高的物种丰富度，其Chao1和Ace指数显著高于所有其他时间点，Shannon指数在GY30显著高于GY1和GY3，Simpson指数在GY1显著高于GY14、GY30和GY45，呈现先升后降的复杂时间模式。

Beta多样性揭示品种特异性聚类

NMDS分析显示，CG和GY品种的微生物群落结构存在显著分离。CG组的NMDS排序应力值为0.17，R2为0.43711，P值为0.001，CG1组与其他所有组明显分离，而后期时间点组（CG3、CG7、CG14、CG30和CG45）在排序空间中显著重叠，表明群落结构随时间趋向收敛和趋同。GY组的NMDS分析应力值为0.153，R2为0.43884，P值为0.001，GY30和GY45形成与其他组分离的独特聚类，而GY1和GY3位置接近，表明早期粪便微生物组成高度相似。

品种特异性微生物组成差异

在门水平上，厚壁菌门（Bacillota）在所有样本中占据绝对优势，假单胞菌门（Pseudomonadota）和拟杆菌门（Bacteroidota）为主要亚优势菌门，但相对丰度在特定时间点出现显著波动。GY品种表现出更高比例和更大变异性的低丰度菌门（如放线菌门（Actinomycetota）、弯曲菌门（Campylobacterota）），表明其群落水平异质性更高。在科水平上，肠球菌科（Enterococcaceae）在早期群落（CG1、GY1）显著主导，而乳杆菌科（Lactobacillaceae）在后期阶段（CG45、GY45）成为优势科。GY品种表现出更复杂的多种次要科（如链球菌科（Streptococcaceae）、毛螺菌科（Lachnospiraceae））的短暂富集。在属水平上，早期优势的肠球菌属（Enterococcus）逐渐被产乳酸杆菌属（Ligilactobacillus）取代，后者相对丰度显著增加并在GY45达到峰值。梭菌属（Clostridium）和埃希氏菌-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）在中间时间点出现短暂峰值。桑基图分析进一步揭示了两品种在门到属分类层级上的不同群落演替轨迹和品种特异性通量模式。

判别和差异丰度菌群的鉴定

LEfSe分析鉴定出时间有序的品种特异性判别菌群。CG品种的演替快速且定向：从早期厌氧菌（如CG1的梭菌属（Clostridium））出发，经过以埃希氏菌-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）和肠球菌属（Enterococcus）为标志的过渡状态（CG3），到第7天富集产乳酸杆菌属（Ligilactobacillus）和丁酸球菌属（Butyricicoccus）等潜在有益菌属，最终在CG45形成以乳杆菌属（Lactobacillus）和柯林斯菌科（Coriobacteriaceae）为主导的成熟状态。GY品种的演替则延长且呈现多个菌群的连续主导：GY3以埃希氏菌-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）和肠球菌属（Enterococcus）为主，GY7出现布劳特氏菌属（Blautia）和瘤胃球菌属扭链群（Ruminococcus_torques_group）的上升，GY14依次出现粪杆菌属（Faecalibacterium）等丁酸产生菌，GY30出现罗姆布茨菌属（Romboutsia），最终在GY45形成乳杆菌属（Lactobacillus）和链球菌属（Streptococcus）共同主导的状态。Kruskal-Wallis H检验定量验证了这些模式，确认GY品种在早期时间点肠球菌属（Enterococcus）和埃希氏菌-志贺氏菌属（Escherichia-Shigella）丰度显著更高（p<0.01），CG品种在中期至后期乳杆菌属（Lactobacillus）和粪杆菌属（Faecalibacterium）持续显著富集，阿克曼菌属（Akkermansia）几乎仅在CG品种中显著存在，而拟杆菌属（Bacteroides）和普雷沃氏菌属（Prevotella）在GY品种中普遍更丰富。

不同发育轨迹塑造粪便微生物群落演替

Beta偏差指数分析显示，CG和GY品种在整个发育时间线中存在显著分离。CG品种的微生物组成表现出更快速和定向的转变，更早趋于稳定；而GY品种的演替路径更为渐进和可变，在中间阶段（第14-30天）组内离散度更大，提示更随机的组装过程。按出现频率将菌群分为短暂型、间歇型和持续型后发现，CG品种中持续型（核心）菌群迅速占据主导，在第7-14天即达到高相对丰度和稳定性；GY品种中短暂型菌群在整个45天期间维持显著更高的比例，持续型核心的确立较慢且不显著。生态策略分析显示，成熟的CG群落显著富集特化菌群（specialists），与稳定、高选择性的肠道环境一致；成熟的GY群落则含有显著更高比例的泛化菌群（generalists），表明其环境更有利于代谢可塑性和广生态位宽度。丰度与生态位宽度的关系分析显示，更丰富的菌群拥有更宽的生态位宽度，泛化菌群聚集在高丰度-宽生态位区域，在GY群落中的主导地位直观印证了泛化策略。

粪便微生物群落中的确定性和随机过程

生态过程量化分析显示，同质选择（homogeneous selection）构成两个品种群落组装的主导机制，占最大比例，表明宿主相关过滤因素（如生理、饮食）持续塑造微生物群落。随机过程（扩散限制、漂变）的总体贡献较小。中性群落模型（NCM）对CG（R2=0.183）和GY（R2=0.110）品种的拟合度均较差，显著偏离中性预期，证实随机扩散无法单独解释群落结构。值得注意的是，GY品种的迁移率估计值（m）和元群落-迁移乘积（Nm）略高于CG品种，表明随机扩散和漂变的影响虽为次要但略强。

粪便微生物群落的预测功能差异

COG功能类别分析显示，两个品种的功能谱一致，翻译、核糖体结构和生物发生相关通路（类别J）相对丰度最高，其他主要功能类别包括氨基酸转运和代谢（E）、碳水化合物转运和代谢（G）以及转录（K）。BugBase表型预测则显示显著的品种间差异：潜在致病性微生物的相对丰度在两个品种间显著不同，与氧需求相关的性状（如厌氧、需氧、兼性厌氧）、移动元件存在性和革兰氏染色特征均表现出显著差异。这表明虽然微生物群落的核心功能潜力保守，但涉及宿主互作和环境适应的表型属性在CG和GY品种间存在显著差异。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，两个品种早期孵化后肠道微生物群落呈现动态组装和显著时间变异性。核心微生物群规模极小（CG为2.27%，GY为0.76%），支持雏鸡肠道作为开放、快速组装生态系统的观点。Alpha多样性的品种间差异轨迹表明，最优或“成熟”肠道微生物群落的定义可能具有品种特异性。Beta多样性分析显示CG品种随时间趋向结构收敛，而GY品种在后期形成独特群落结构，反映了品种间不同的生态位分化和选择压力。分类组成分析揭示，在保守的高层系统发育结构内，两个品种的演替脚本存在动态且品种特异的差异。生态策略分析表明，CG品种的肠道环境施加更强、更一致的确定性过滤，快速选择出稳定、富含特化菌群的核心微生物群；GY品种的肠道环境则更具可变性，选择泛化菌群并维持更高的群落更替率。组装机制量化证实确定性过程（尤其是同质选择）在两种品种中均占绝对主导，但GY品种中随机过程的残余影响略强，这与其更高的变异性、延迟的稳定化和泛化策略的成功相一致。功能预测揭示保守的核心代谢潜力和品种间差异的微生物表型特征，表明宿主施加的环境过滤优先作用于介导生态位适应和跨界信号传导的微生物性状，而基本管家功能受进化纯化选择约束。研究也承认粪便采样在反映不同肠道区室微生物组成方面的局限性，并建议未来研究应比较不同肠道区室、延伸采样至实际上市日龄，并采集配对粪便和肠道区室样本。

结论部分指出，本研究在标准化饲养条件下鉴定了贵州两种地方鸡品种早期生命阶段粪便微生物群落的独特演替模式。长顺绿壳蛋鸡（CG）品种表现出快速、定向的演替模式，最终形成稳定且系统发育保守的群落。相比之下，贵州黄鸡（GY）品种表现出更渐进和可变的组装过程，形成了具有更高时间更替率和更大系统发育可塑性的群落。这一模式与相对较弱或更可变的宿主选择压力一致，使得随机过程的相对影响更大。组装生态学的这一根本性分歧进一步反映在品种特异性的预测微生物表型中，提示宿主遗传因素可能影响与生态位适应相关的功能性状。因此，最优肠道微生物组的概念应被视为品种特异性的。这一见解强调了制定精准养殖策略的必要性，即营养和健康干预措施应与塑造微生物生态系统的独特宿主遗传框架相协调，从而优化家禽健康和生产可持续性。