大口黑鲈（Micropterus salmoides）-水芹（Oenanthe javanica）鱼菜共生系统中的微生物群落动态与核心微生物群

《Aquaculture》：Microbial community dynamics and core microbiota in a largemouth bass Micropterus salmoides-water celery Oenanthe javanica aquaponic system

　　

： 鱼菜共生系统（Aquaponic systems）作为一种资源高效和环境可持续的食物生产模式，正日益受到认可。然而，鱼菜共生环境与鱼类肠道微生物群之间的相互作用仍未得到充分理解。本研究调查了一个大口黑鲈（Micropterus salmoides）-水芹（Oenanthe javanica）鱼菜共生系统，样品在三个时间点采集，每个间隔六周。在每个时间点，从三个重复养殖池中采集肠道样品（每池三条鱼混合为一个生物学重复）和相应的水样。利用16S rDNA高通量测序技术，研究人员分析了鱼类肠道、鱼菜共生水体和进水口三个部分的微生物群落组成、动态和核心微生物群。研究观察到鱼类肠道和鱼菜共生水体之间存在明显但又相互关联的微生物演替，肠道群落在宿主发育过程中表现出清晰的阶段依赖性变化。在肠道和水样中均持续检测到多个共享的核心微生物类群，表明鱼菜共生生态系统中存在稳定的定植微生物群。值得注意的是，与常规非鱼菜共生水产养殖系统中常见的微生物组模式不同，该鱼菜共生系统在宿主相关和环境微生物群之间表现出协调的时间动态变化。这些发现突出了宿主相关和环境微生物群落之间的结构化相互作用，为优化生物性病害预防策略和可持续的鱼菜共生管理提供了微生物生态学视角。

论文解读：大口黑鲈-水芹鱼菜共生系统中微生物群落动态与核心菌群研究

一、 研究背景、问题与目的

随着全球人口增长和粮食安全挑战加剧，协调生产力与环境的可持续农业系统创新愈发重要。鱼菜共生系统（Aquaponics）作为一种融合水产养殖与无土栽培的集成生产模式，具有资源高效和环境可持续的优势。这类系统在宏观层面的优化，如品种选择、水质管理和饲喂策略等方面已取得显著进展。然而，在微观调控机制方面，特别是微生物群落动态与宿主-病原体相互作用之间的反馈回路，仍然存在关键的知识缺口。这些微观过程是系统反复出现运行故障（如病原体爆发和养分失衡）的基础。具体而言，鱼菜共生系统中水生微生物群落的结构、组成和功能，以及鱼类肠道微生物与水环境微生物之间的相互作用，对维持系统稳定性起着至关重要的作用。鱼类肠道不仅是主要的消化、吸收和免疫器官，也是微生物群落的主要栖息地，其微生物组在宿主生长、代谢调节、免疫功能和疾病抵抗力方面扮演关键角色。

尽管已有研究强调了微生物在氮磷循环和宿主免疫调节等关键生态功能中的作用，但关于稳定定植的核心微生物群和优势细菌类群的演替模式、生态驱动因素和功能作用的全面研究仍然稀缺。此外，鱼菜共生系统中机会性和病原性微生物的存在不仅威胁系统运行稳定性，也对鱼类和植物健康构成潜在风险。调控肠道和环境微生物组被认为是鱼菜共生系统中有效的生物防治替代策略。然而，目前大多数关于大口黑鲈微生物组的研究集中在传统池塘或循环水养殖系统的肠道或环境微生物群落上。对于鱼菜共生如何重塑宿主相关微生物群与水环境微生物群之间的协同动态与协调性，目前知之甚少。鉴于这些相互作用对维持水质和生产效率至关重要，因此，本研究旨在探究大口黑鲈肠道微生物组的个体发育轨迹及其在三个阶段与水环境微生物群的生态相互作用，以期为提高系统韧性、生物安全和长期可持续性提供微生物生态学见解。

二、 主要研究方法概述

本研究在重庆市农业科学院鱼菜共生人工智能设施进行。研究人员构建了三个相同的大口黑鲈-水芹共培养流水式养殖池系统。在总计18周的实验期内，研究人员在三个时间点（每个间隔6周）进行采样。在每个采样点，从三个重复养殖池采集鱼类肠道内容物（每池三条鱼混合为一个生物学重复）和对应的鱼菜共生水体水样，并采集进水口水样作为对照。所有样品通过16S rDNA高通量测序技术分析微生物群落。利用生物信息学方法处理测序数据，分析了微生物群落的Alpha多样性（包括Chao1、ACE、Shannon和Simpson指数）、Beta多样性、群落组成、差异物种以及核心微生物群。通过对系统水质关键参数（温度、溶解氧、pH、总氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐等）的监测，评估了系统的运行状况。

三、 研究结果

1. 大口黑鲈肠道微生物组的发育动态

研究结果表明，大口黑鲈肠道微生物群的组成和多样性在宿主发育过程中发生了显著变化，呈现出阶段依赖性的演替。在门水平上，随着鱼类生长，肠道微生物群从早期以_{Proteobacteria}为主，逐渐演变为后期以_Fusobacteria和_Firmicutes占据主导。具体而言，_{Proteobacteria}的相对丰度在实验期间显著下降，而_Fusobacteria和_Firmicutes的相对丰度则显著增加。Alpha多样性分析显示，肠道微生物的物种丰富度（Chao1和ACE指数）在发育过程中呈上升趋势，而群落均匀度（Shannon和Simpson指数）则在三个阶段保持相对稳定。这些变化表明肠道微生物群在鱼类个体发育过程中逐渐成熟和功能专业化。

2. 鱼菜共生水体微生物群落的动态变化

与肠道微生物群相比，鱼菜共生水体中的微生物群落表现出不同的动态模式。在三个采样阶段，水体微生物群落的Alpha多样性（包括丰富度和均匀度）均显著高于肠道样品。水体中的优势菌门主要包括_{Proteobacteria}、_Bacteroidota和_{Actinobacteria}。值得注意的是，水样微生物群落的Alpha多样性指数在实验期间没有显著变化，表明水环境微生物群落比肠道微生物群更为稳定。Beta多样性分析进一步证实，肠道和水体样本的微生物群落结构存在显著差异，且两者均随采样时间发生显著变化。

3. 鱼类肠道与养殖水体微生物群落的差异与联系

在第二个采样期（16周龄鱼），研究人员重点比较了鱼类肠道与养殖水体微生物群落的差异。在门水平上，_{Proteobacteria}在肠道中的相对丰度显著低于水体。这可能归因于肠道内独特的生理条件，如酸性pH、消化酶和宿主免疫活动，这些条件可能不利于某些_{Proteobacteria}的生存。尽管存在差异，研究人员也发现肠道和水体群落之间存在联系。例如，在科和属水平上鉴定出一些在肠道和水体中共有的细菌类群。通过共生网络分析，研究人员发现肠道和水体微生物群形成了一个复杂的相互作用网络，表明系统内存在跨区室的微生物交流。

4. 鱼菜共生系统中的核心微生物群

研究人员在所有样本（包括肠道和水体）中鉴定出一组共享的核心微生物类群。在属水平上，核心类群包括_{Cetobacterium}、_Bacillus、_{Acinetobacter}、_Ralstonia和_Bacteroides等。值得注意的是，_{Cetobacterium}是鱼类肠道中与营养代谢和宿主相关功能密切相关的关键有益菌。而_{Acinetobacter}则在所有区室和阶段都普遍存在，可能作为系统内的“桥梁”类群，参与关键的生态过程。这些核心类群的持续存在表明，鱼菜共生生态系统中存在一组稳定、关键的微生物居民，它们可能在维持系统功能和稳定性方面发挥重要作用。

5. 微生物功能预测

基于16S rRNA基因序列，研究人员使用PICRUSt2对微生物群落的功能潜力进行了预测。预测结果显示，与新陈代谢相关的功能途径，特别是氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢，在鱼类肠道微生物群中高度富集。在水体微生物群中，与膜运输、信号转导和细胞运动相关的功能途径则更为突出。这些功能差异反映了肠道和水体微生物群在生态系统中所扮演的不同生态角色。

四、 讨论与结论总结

在讨论部分，研究人员将本研究的发现置于更广阔的背景下进行了阐述。与传统的非鱼菜共生水产养殖系统相比，本研究发现鱼菜共生系统中宿主肠道和环境水体微生物群之间表现出协调的时间动态变化，这可能归因于鱼-植物-微生物三者之间更紧密的耦合关系。核心微生物群的鉴定，如_{Cetobacterium}和 _Bacillus，为开发针对性的益生菌或益生元策略以优化系统健康和生产力提供了潜在的靶点。同时，_{Acinetobacter}等类群在系统中的普遍存在提示需要关注其可能的条件致病性。研究人员指出，理解这些核心微生物类群的生态功能及其对管理干预措施的响应，对于设计基于微生物组的鱼菜共生系统优化策略至关重要。此外，研究观察到的肠道微生物群阶段依赖性演替强调了在鱼类不同生长阶段实施差异化微生物管理策略的必要性。最后，研究人员承认本研究主要基于相关性分析，未来需要结合宏基因组学、宏转录组学等技术和受控实验，来验证已鉴定微生物类群的具体功能及其相互作用机制。

结论部分翻译：

本研究证明了在鱼菜共生系统中，大口黑鲈肠道和水体微生物组在生长阶段间存在协调而又独特的动态关系，表现为肠道微生物群逐渐功能专业化，而环境群落稳定性增加。诸如_{Cetobacterium}和 _Bacillus等核心菌属持续与营养代谢和宿主相关功能相关联，而包括_{Acinetobacter}在内的类群则在各个区室和阶段普遍存在，可能作为系统内的桥梁类群。鱼类肠道和水体之间的微生物交换网络暗示了一个相互连接的微生态系统，其功能分化支持了营养循环和生态稳定。这些结果为鱼菜共生系统中宿主与环境微生物组的协同进化提供了见解，并为未来通过核心微生物群调控以优化鱼类健康、系统韧性和可持续性的管理策略奠定了基础。