高纤维无水果饮食转变对圈养婆罗洲猩猩（Pongo pygmaeus）肠道微生物组、行为及生理健康的纵向影响

《Zoo Biology》：Impact of a High-Fiber, Fruitless Diet on the Gut Microbiome, and Health of Captive Orangutans

　　

饮食是调节肠道微生物组（gut microbiome）的关键因素，理解圈养灵长类动物中这些相互作用对其健康和福利至关重要。本研究评估了向高纤维、低糖饮食转变对五只圈养婆罗洲猩猩（Pongo pygmaeus）肠道微生物组、行为和身体健康的影响。研究人员假设，改变饮食模式会显著影响肠道微生物组多样性、组成以及行为和生理指标。在12周内，猩猩从富含水果的饮食逐步过渡到高纤维、无水果饮食，每2周实施渐进式饮食改变。整个研究期间收集粪便样本，并使用16S rRNA扩增子测序（16S rRNA amplicon sequencing）分析微生物多样性和组成。采用线性混合效应模型（linear mixed-effects models, LME）的统计分析评估微生物多样性和组成随时间的变化。同时，定期监测粪便稠度、行为和体况评分（body condition score, BCS）。结果显示，与饮食转变相关的微生物丰富度和多样性发生显著变化，特定类群如Prevotella属和Ruminococcaceae科丰度增加。微生物组变化伴随体况和粪便评分改变，以及应激相关行为减少（p < 0.05）、摄食持续时间增加（p < 0.001）和社会行为增加，包括种内互动（p < 0.05）。本研究提供初步证据，表明高纤维、低糖饮食方式可能影响动物园饲养猩猩的肠道微生物组组成和选定的行为指标。

研究背景：饮食是肠道微生物组的重要调节因素。圈养管理下，饮食可显著影响动物微生物群，部分物种细菌多样性降低或增加。人类中饮食与微生物组关联已较明确，并涉及心脏代谢疾病、糖尿病、神经性厌食症和炎症性肠病等；非人灵长类中，饮食和环境也是肠道微生物群多样性的关键因素。宿主系统发育是肠道微生物组组成的关键决定因素，但饮食仍是可调节的驱动因素。对于非人灵长类，多项研究建议减少水果摄入以限制过量糖摄入并增加膳食纤维，这与预防牙齿疾病、肥胖和糖尿病等健康结局相关。然而，圈养猩猩中此类饮食改变如何影响肠道微生物组仍知之较少。圈养环境中饮食可控制、可监测，理解这一关系对制定营养策略、尽可能模拟野生饮食模式至关重要。猩猩为极危物种，野生食性复杂，日活动中约40%–60%用于摄食，水果占摄入60%–90%，并辅以叶、树皮及少量昆虫等；圈养水果常含较高可消化糖和较低结构纤维。野生水果中性洗涤纤维（Neutral Detergent Fiber, NDF）约33.6%–46.8%，总体NDF摄入可达64%–78%，而圈养日粮通常仅含10%–20% NDF且富含简单糖和淀粉。因此，研究人员旨在表征向低糖、高纤维饮食转变对圈养猩猩肠道微生物组成、预测微生物功能、粪便稠度和行为的影响，并假设增加膳食纤维、减少可消化糖会促进更多样化的肠道微生物组，增加与纤维利用和短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）产生相关的Prevotellaceae、Ruminococcaceae和Lachnospiraceae等类群，并伴随粪便更坚实、摄食时间延长及应激相关自我导向行为减少。

关键技术方法：研究纳入同一动物园五只圈养婆罗洲猩猩（Pongo pygmaeus）：AF1、AF2、YF1、OF1和AM1，分两组饲养。研究采用16周纵向设计，Phase 1基线4周，Phase 2高纤维颗粒逐步替代原颗粒4周，Phase 3水果递减至完全去除并增加蔬菜和树枝8周。每只猩猩在研究期间收集6份粪样，保存于FTA卡，扩增16S rRNA基因V4区，Illumina MiSeq测序；使用QIIME2、DADA2、SILVA v138进行分类，PICRUSt2和MetaCyc预测功能；采用LME、ANCOM-BC和Fisher置换检验分析。行为以CyberTracker进行焦点动物和瞬时扫描观察，并定期评估BCS和粪便评分。

研究结果：3.1 饮食变化对体况和粪便稠度的影响：通过BCS和粪便评分评估，转变前BCS为3/5至5/5，部分个体超重或肥胖；完成后为3/5至4/5。AF1在转变结束体重60 kg，5个月后54 kg；AF2由63 kg降至56.5 kg，且未减少热量摄入。粪便评分由基线以Type 2–3为主，最终以Type 1–2为主，Phase 3未观察到Type 4或Type 5。结论为高纤维、蔬菜丰富、减少水果的饮食与体况及粪便稠度变化相关。3.2 饮食对行为指标的影响：每只猩猩观察212次焦点 session，约35.3 h。树枝引入并伴随其他饮食变化时，抓挠、自我理毛、自我触摸、社会玩耍和理毛发生显著变化，平均摄食持续时间显著增加。水果减少20%和40%时，抓挠、冲突、攻击、撞击围栏和移动显著下降，偷食趋势未达显著；理毛和食物分享显著增加。结论为饮食改变与应激相关行为减少、摄食和社会互动增加相关。3.3 微生物组测序覆盖：经去噪后，平均每样本保留60,503.07条非嵌合高质量序列，占原始reads的92.67%；共鉴定2431个扩增子序列变体（amplicon sequence variants, ASVs），其中超过98%长度为254 nt；属水平237个类群，仅5个为古菌。结论为样本以细菌为主。3.4 饮食变化对猩猩肠道微生物多样性的影响：通过alpha和beta多样性分析，observed ASVs和Faith系统发育多样性指数（Faith's phylogenetic diversity, Faith's PD）随时间增加，OF1尤为明显，AM1呈上升趋势，YF1波动后恢复，AF1和AF2较稳定。Bray–Curtis显示个体差异，YF1形成独特聚类；LME未检测到Bray–Curtis总体时间效应显著（p = 0.207），但observed ASVs每时间点约增加14，Faith's PD约增加0.5，均显著。结论为饮食转变与微生物丰富度和系统发育多样性增加相关，但群落组成总体时间差异不显著。3.5 猩猩肠道微生物群分类组成及其对饮食变化的响应：门水平以Bacillota（Firmicutes）和Bacteroidota为主，个体间存在变异，OF1次要门Verrucomicrobiota和Cyanobacteria较高，YF1和AF1的Spirochaetota较高，AF2和AM1的Planctomycetota较高。属水平ANCOM-BC分析显示，Escherichia–Shigella和Prevotellaceae增加最大，Romboutsia、Sarcina及Christensenellaceae成员减少最大。结论为肠道微生物群对饮食改变呈动态响应，部分类群更敏感。3.6 猩猩肠道微生物群功能谱：PICRUSt2预测显示代谢通路显著变化，涉及复杂碳水化合物降解、SCFAs产生和纤维发酵，如glyoxylate cycle（GLYOXYLATE-BYPASS）、glycolate和glyoxylate降解通路（GLYCOL-GLYOXDEG-PWY）、catechol degradation I（meta-cleavage pathway, PWY-5415）及芳香族生物胺降解通路（PWY-7431）。采样2和3时，各有超过15条通路log₂倍数变化≥2；采样4–6时约10–12条通路持续显著。结论为微生物功能适应高纤维饮食。

讨论总结：讨论认为，BCS和粪便稠度改善提示高纤维、低糖饮食可能有助于圈养猩猩健康管理，BCS接近3/5，与当前文献及EAZA建议强调高纤维低糖饮食一致；Phase 3总热量增加值得注意，粪便更坚实可能与纤维增加有关，但仅凭数据不能确定胃肠健康意义，无稀便支持胃肠功能变化。行为方面，饮食组成影响心理和社会健康，摄食时间增加可能因纤维含量、低糖及总重量增加；理毛和食物分享增加与饮食影响社会互动一致；树枝增加和水果减少同时实施限制了对各因素独立效应的判断。小样本和个体差异可能造成偏倚，如AF2偷取OF1水果、AF1食物被偷可能影响实际营养摄入，并可能部分解释AF1和AF2微生物组较稳定。微生物组方面，五只猩猩的纵向研究提供价值，但普遍性受限；个体变异明显，OF1饮食史和年龄与次要门多样性较高有关；即使水果减少5%也与微生物多样性增加相关，提示微生物组对细微饮食变化敏感；小样本限制统计精度。年龄相关适应性方面，YF1最年轻但微生物韧性较低，可能群落未稳定；AF1和AF2适应性有限可能与慢性健康问题、衰老和慢性炎症有关，需个体化饮食。分类组成上，Bacillota和Bacteroidota主导与其他非人灵长类一致；Prevotella、Ruminococcaceae和Lachnospiraceae增加值得注意，Prevotella与抗炎和抗衰老相关，Ruminococcaceae和Lachnospiraceae可产生丁酸等SCFAs，有益肠道健康。功能谱显示氨基酸和碳水化合物代谢改变，如chorismate biosynthesis和arginine degradation，glyoxylate cycle上调提示微生物转向利用脂肪酸和NDF，体现代谢灵活性。未来管理应个体化饮食，常规监测微生物组，结合行为观察，并在更大、更多样群体中验证。

研究结论翻译：本研究提供证据，表明将动物园猩猩从以水果为基础的饮食转变为富含蔬菜、高纤维、低糖饮食，与显著的健康相关变化有关。该饮食转变导致体况评分明显差异、应激相关行为减少，并增强胃肠健康，如更坚实的粪便稠度所提示。此外，该饮食促进了更多样和有益的肠道微生物组，特别是通过增加抗炎类群如Prevotella和Ruminococcaceae的丰度。每只猩猩观察到的不同微生物反应强调，在动物园饲养灵长类动物管理中需要个体化饮食策略。这些发现强调肠道微生物组的复杂性和变异性，受一系列遗传、饮食、环境和年龄相关因素影响，并提示常规微生物组分析可能在增强健康监测中发挥关键作用。