同域地下与地上啮齿动物盲肠细菌群落及预测功能谱的种间差异：以东北鼢鼠与达乌尔黄鼠为例

《Microorganisms》：Differences in Cecal Bacterial Communities and Predicted Functional Profiles Between Sympatric Subterranean and Aboveground Rodents

　　

肠道菌群参与宿主营养和代谢，但其在同域分布且生活方式对比明显的啮齿动物之间的变异仍未被充分认识。研究人员比较了中国内蒙古东北部草甸草原东北鼢鼠（Myospalax psilurus）与达乌尔黄鼠（Spermophilus dauricus）的盲肠细菌群落。对60只成年个体（每种30只；13只雄性、17只雌性）的样本进行16S rRNA基因测序分析。主要比较采用Wilcoxon秩和检验（Wilcoxon rank-sum tests）、基于Bray–Curtis的主坐标分析（PCoA）结合置换多元方差分析（PERMANOVA）、差异丰度分析和共现网络。功能潜力采用PICRUSt2和FAPROTAX推断。M. psilurus的Chao1丰富度更高（p < 0.001），而Shannon多样性无显著差异。群落结构在物种间存在差异（PERMANOVA，p < 0.001）。Bacillota和Bacteroidota在两个群落中均占主导。Muribaculaceae相关类群、[Eubacterium]_siraeum_group和RF39相关类群在M. psilurus中更丰富（Wilcoxon，p < 0.001），而Alistipes、Desulfovibrio和Christensenellaceae相关类群在S. dauricus中更丰富（Wilcoxon，p < 0.05）。S. dauricus网络连接更密集，而M. psilurus网络模块度更高。PICRUSt2预测M. psilurus中碳水化合物代谢和膜转运相对富集，S. dauricus中氨基酸代谢相对富集。这些差异可能与物种特异性生态和生理特征有关；两物种比较不能分离生活方式效应。需要直接膳食评估、更多宿主物种和功能测量以阐明其生物学意义。

草原啮齿动物参与植物群落更新、土壤扰动、养分循环和食物网维持；其肠道菌群参与营养获取、能量代谢和免疫调节，并可能与宿主生态适应相关。在草食性哺乳动物中，复杂植物碳水化合物的微生物发酵可产生短链脂肪酸等代谢物，为宿主提供额外能源。肠道微生物群落变异与宿主系统发育、膳食资源、栖息地和生理状态相关。同域分布且生态特征对比明显的啮齿动物比较，有助于在共享区域背景下刻画物种相关微生物变异，但同域并不意味膳食、微生境或环境微生物暴露相同。东北鼢鼠（Myospalax psilurus）主要地下活动并利用根和根茎等地下植物资源，达乌尔黄鼠（Spermophilus dauricus）在地表取食并表现季节性生活史和生理变化。既往对鼢鼠的研究描述了种间肠道微生物组成和功能潜力变异及肠道细菌与洞土环境的关系；对达乌尔黄鼠的研究记录了与季节或生理状态相关的微生物变异。现有认识多为单物种研究，缺少在同一区域、同一月份、匹配样本量和性比的直接比较，且生活方式与宿主系统发育、膳食和生理差异相互混杂。因此，研究人员在共同分析框架下比较两同域物种盲肠细菌多样性、分类组成、共现模式和预测功能谱，以提供物种相关微生物变异的基线证据并生成后续功能研究假设。该研究不能隔离生活方式的独立效应。

研究人员于2024年5月（春季）在内蒙古呼伦贝尔市陈巴尔虎旗草甸草原（48°48′18″ N，118°22′30″ E，海拔958 m）采集样本。共捕获32只M. psilurus和31只S. dauricus，为平衡样本量和性比，每种30只（13雄、17雌）纳入分析。采集盲肠内容物后进行16S rRNA基因V3–V4区扩增子测序，并以ASV（amplicon sequence variant，扩增子序列变体）水平分析α多样性（alpha diversity）、β多样性（beta diversity）、差异类群、共现网络及PICRUSt2和FAPROTAX预测功能。主要结论为：两同域物种盲肠细菌丰富度和群落结构不同，Shannon多样性无显著差异；优势门相同但差异类群分布不同；网络拓扑和预测代谢潜力存在差异；这些差异可能与物种生态和生理特征相关，但两物种设计不能分离生活方式效应。研究意义在于提供物种相关微生物变异基线，并为后续膳食、功能和群落装配研究提出假设。

关键技术方法概括（不超过250字）：关键技术包括16S rRNA基因V3–V4区扩增子测序（Illumina NovaSeq；DADA2和QIIME 2处理，SILVA注释）；采用Wilcoxon秩和检验、Bray–Curtis主坐标分析（PCoA）和PERMANOVA/PERMDISP分析多样性与群落结构；采用Wilcoxon-FDR和LEfSe分析差异类群；采用SparCC构建ASV共现网络，并以igraph、Louvain算法及Zi–Pi评价拓扑；采用PICRUSt2推断KEGG通路，采用FAPROTAX推断生态功能。样本来源为2024年5月内蒙古呼伦贝尔市陈巴尔虎旗草甸草原捕获的M. psilurus和S. dauricus，最终每种30只纳入分析。

3.1 两种啮齿动物形态差异：形态测量比较显示，S. dauricus体重（约375 vs. 220 g）和体长（约210 vs. 200 mm）显著大于M. psilurus，M. psilurus尾长（约52 vs. 36 mm）显著更长，后足长（约33 mm）无显著差异，提示两物种在体重、体长和尾长上存在显著差异。

3.2 测序深度和盲肠细菌群落多样性：稀释曲线随测序量增加逐渐平缓，等级丰度曲线呈少数高丰度ASV和多数低丰度ASV的典型分布，说明测序深度满足分析需要。Shannon指数无显著差异，Chao1指数在M. psilurus显著更高（p < 0.001）。PCoA显示两组样本明显分离，PC1解释22.03%、PC2解释2.96%的变异，群落结构差异高度显著（p < 0.001），表明两物种盲肠细菌群落结构显著不同。

3.3 个体间变异和盲肠细菌群落分类组成：S. dauricus的AVD（average variation degree，平均变异度）和β偏差指数显著高于M. psilurus，提示其个体间细菌群落组成变异更大。共享属数与群落相似性的回归中，非加权UniFrac模型R² = 0.365，高于加权UniFrac模型R² = 0.079。门水平上Bacillota和Bacteroidota主导两组；S. dauricus中Bacillota、Pseudomonadota、Actinomycetota和Verrucomicrobiota相对丰度较高，Bacteroidota和Thermodesulfobacteriota较低。属水平上，norank_f_Muribaculaceae、[Eubacterium]_siraeum_group和norank_o_RF39在S. dauricus中显著较低（p < 0.001），而Alistipes、norank_f_[Eubacterium]_coprostanoligenes_group、Desulfovibrio、norank_o_Clostridia_UCG-014、norank_f_Christensenellaceae和norank_f_Oscillospiraceae在S. dauricus中显著较高（p < 0.05），表明两物种分类组成和个体变异存在差异。

3.4 共现网络和盲肠细菌群落功能预测：网络分析显示M. psilurus和S. dauricus节点数分别为89和98，S. dauricus边数（323）明显多于M. psilurus（170），网络更密集；负相关比例分别为87.06%和87.63%，交互模式比例相近。M. psilurus模块度（0.648）高于S. dauricus（0.544），S. dauricus聚类系数（0.208）高于M. psilurus（0.151）。Zi–Pi分析显示绝大多数节点为外周节点且无网络枢纽，S. dauricus部分节点呈连接者趋势但整体中心化低。PICRUSt2 KEGG Level 2预测显示，M. psilurus中碳水化合物代谢、膜转运、信号转导、原核细胞群落、脂质代谢、细胞运动和其他次生代谢物生物合成相对较高；S. dauricus中氨基酸代谢、翻译、复制和修复、核苷酸代谢、折叠分选和降解及辅因子和维生素代谢相对较高。FAPROTAX预测显示，M. psilurus硫化合物呼吸和硫酸盐呼吸比例约13.5%，S. dauricus接近零；M. psilurus木聚糖降解略高；S. dauricus发酵和化能异养比例约30%，高于M. psilurus的约23–24%，哺乳动物肠道和人肠道相关功能约10%，高于M. psilurus的约5%。上述结果说明两物种共现网络组织和预测功能潜力不同。

讨论部分强调，两物种盲肠细菌丰富度和群落结构不同而Shannon多样性无显著差异；Shannon相同不能证明微生物功能相同或功能冗余。PCoA分离表明共享区域和季节背景下存在物种相关群落结构差异，但宿主进化历史、肠道生理、免疫过程、环境暴露和膳食资源利用均可能参与，且每种生活方式仅一个物种，不能将生活方式与物种身份及系统发育、生理特征分离。S. dauricus个体间变异较高不代表时间稳定性较低；β偏差差异需结合零模型假设解释；共享属数与UniFrac回归不能区分扩散限制、异质选择等装配过程。优势门相同不代表群落组成等价；差异类群相对丰度不能独立证明发酵效率、能量获取或宿主健康，也不能反映绝对细菌丰度。网络连接更密集和模块度更高仅描述统计关联组织，不直接证明生物相互作用、稳定性或功能特化；Zi–Pi分类也不独立证明类群生物学重要性。PICRUSt2和FAPROTAX结果属预测功能潜力，受参考基因组覆盖和功能注释可迁移性限制，不能直接测定基因表达、代谢活性或代谢产物；分类差异与PICRUSt2预测并非独立证据。研究限制包括缺乏直接膳食数据、仅比较两物种、性别和体重未作为协变量、年龄和繁殖状态等未标准化、捕获至安乐死间隔及运输饲养中给食给水未系统记录、横断面设计限制时间稳定性和长期适应推断。未来应纳入多个独立选择的地下和地上物种、重复季节采样、直接膳食评估、宿主生理测量、配对环境采样和明确零模型分析，并结合鸟枪法宏基因组、宏转录组和靶向代谢组验证。研究结论翻译如下：东北鼢鼠和达乌尔黄鼠虽同域分布，但具有不同的盲肠细菌群落；群落组成、共现模式和预测功能谱差异提示微生物组织和代谢潜力存在物种相关变异；这些模式可能与宿主生态和生理特征有关，但当前比较不能分离生活方式效应；未来研究应纳入更多宿主物种、直接膳食评估和纵向采样，并结合宏基因组和代谢组分析，以阐明群落装配过程及这些差异对宿主适应的功能相关性。