《Nature Communications》：Alginate foraging is conserved in geographically and taxonomically distinct ruminant microbiomes
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海藻在碳循环中发挥着至关重要的作用，有望成为可持续生物质的宝贵资源，可应用于生物燃料生产、人类营养和动物饲料。尽管海藻在历史上曾被沿海地区放牧的牲畜用作饲料来源，但其在瘤胃中的消化过程仍然未知。在此，研究人员利用体内和体外实验系统展示了褐藻Saccharina
海藻在碳循环中发挥着至关重要的作用，有望成为可持续生物质的宝贵资源，可应用于生物燃料生产、人类营养和动物饲料。尽管海藻在历史上曾被沿海地区放牧的牲畜用作饲料来源，但其在瘤胃中的消化过程仍然未知。在此，研究人员利用体内和体外实验系统展示了褐藻Saccharina latissima在两种不同反刍动物瘤胃生态系统中的分解代谢过程。通过结合动物模型、细菌成像、多层次宏组学和酶生物化学，研究人员获得了消化存在的证据。结果表明，地理上不同的反刍动物含有保守的褐藻酸盐利用基因座，其关键酶在日粮中存在S. latissima时表达上调。虽然在整个种群中保留了参与褐藻酸盐代谢的核心酶，但辅助酶似乎是通过基因重复或缺失事件而获得或丢失的。这些系统的保守性表明，反刍动物微生物组保留了代谢海洋多糖的潜在能力。
气候变化对陆地食物和饲料的生产带来了严峻挑战，促使研究人员将目光转向海洋以寻求可持续的生物质资源。大型海藻生长迅速且不占用耕地和淡水资源，成为理想的动物饲料补充剂。褐藻Saccharina latissima（糖海带）的细胞壁富含褐藻酸盐等多糖，其降解需要特定的褐藻酸盐裂解酶。已有研究表明人类肠道微生物可从海洋细菌中获得海藻降解机制，但对于以放牧为主的反刍动物而言，其肠道微生物如何适应这种外源海洋多糖仍属未知。为探究此问题，研究人员以分别来自挪威和加拿大的羔羊及牛为动物模型，结合体内饲养实验和瘤胃模拟技术（RUSITEC）开展研究，揭示反刍动物瘤胃微生物组对海带褐藻酸盐的代谢适应性。该研究成果已发表于《Nature Communications》。本研究主要运用了以下关键技术方法：基于气相色谱-质谱联用（GC-MS）的糖苷键分析技术用于解析海藻多糖结构；结合16S rRNA基因测序、鸟枪法宏基因组测序与宏基因组组装基因组（MAGs）重构的多层次宏组学方法解析微生物群落结构及功能基因；结合荧光标记多糖（FLA-SLAT）与荧光显微镜成像验证微生物与多糖的细胞互作；利用宏蛋白质组学技术确证功能基因表达；并通过重组酶异源表达结合薄层色谱（TLC）、高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测（HPAEC-PAD）及液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）等生化手段进行酶学特性表征。研究所用的样本队列分别来源于挪威白种羔羊的体内饲养实验，以及加拿大带瘤胃瘘管的安格斯杂交小母牛瘤胃液运行的RUSITEC体外发酵系统。
研究结果部分阐述如下：
在“S. latissimi的藻类多糖”研究中，研究人员利用糖苷键分析技术确定了海带的细胞壁多糖组成，发现纤维素含量最高，岩藻多糖和褐藻酸盐分别约占17.3%和14.9%，其中古洛糖醛酸连接占比更高。这为后续降解研究提供了底物结构基础。
在“生态位特化决定初识反刍动物对褐藻多糖的分解”研究中，通过16S rRNA基因测序和宏基因组分析发现，在喂食低剂量海带的羔羊体内，整体微生物群落结构未发生显著改变；但在高浓度添加（高达50%）的RUSITEC系统中，观察到微生物群落结构发生明显变化，特别是拟杆菌属的相对丰度显著增加。同时，通过荧光标记多糖成功证实了微生物细胞对S. latissima多糖的摄取。宏基因组重构鉴定出包含褐藻酸盐裂解酶的MAGs，且这些酶大多与典型的多糖利用基因座关键的TonB依赖性受体（SusC样）和SusD样底物结合蛋白聚集并存。
在“功能活跃的褐藻酸盐消耗普雷沃氏菌群”研究中，研究人员利用宏蛋白质组学检测到两种属于PL6家族的褐藻酸盐裂解酶，它们对应于丰度随饮食海带增加而上升的两种普雷沃氏菌MAGs，且证实这些酶连同SusC/SusD样蛋白在海带补充组中显著上调表达。这表明普雷沃氏菌在瘤胃中具有活跃的褐藻酸盐代谢能力。
在“全球分离瘤胃生态系统中的普雷沃氏菌AULs”研究中，比较分析表明，来自不同大陆和不同反刍物种的普雷沃氏菌MAGs含有高度同线且序列相似度极高的褐藻酸盐利用基因座。这些核心裂解酶复合体（如PL6和PL17对）通过基因重复和物种形成事件进化，而非水平基因转移。生化表征证实，来自不同进化分支的重组PL6酶均能降解海带褐藻酸盐产生寡糖，部分酶甚至能彻底降解为单糖。
在讨论部分，研究人员指出，尽管海带中的岩藻多糖丰度极高，但未在反刍动物微生物组中检出特异性的岩藻多糖降解酶，暗示瘤胃微生物对其无法有效消化。宏蛋白质组学证据确认了普雷沃氏菌利用包含核心PL6/PL17复合基因簇的结构变异体来特化消化褐藻酸盐。高剂量底物体外实验表明，瘤胃内具有广泛存在的褐藻酸盐降解潜力。荧光多糖摄取实验证明了微生物利用“自私机制”在细胞外周摄取底物。系统发育分析与基因树调和揭示，这些AULs是通过基因重复和物种形成等垂直进化途径获得，而非来自近期海洋环境的水平基因转移，缺乏碳水化合物酯酶进一步证实了其针对海藻底物的特异性。最后，研究结论指出，反刍动物瘤胃拟杆菌物种含有高度保守的褐藻酸盐利用基因座，其通过祖先垂直遗传并在日粮中添加S. latissima时显著上调表达。这些基因是反刍动物微生物组原生具有且能适应外源海洋多糖降解的固有能力，表明微生物在缺乏底物的情况下依然保留代谢海洋多糖的“潜在特性”，这为应对气候变化导致的饲料结构突变提供了宝贵的适应性进化机制。
