中间菱形海胆的地域特异性肠道微生物群与代谢物相互作用是导致其饲料效率差异的原因

《Aquaculture》：Region-specific gut microbiota and metabolite crosstalk underlie feed efficiency variation in Strongylocentrotus intermedius

　　摘要：本研究通过结合肠道微生物群与代谢组学分析，探讨了海胆Strongylocentrotus intermedius饲料效率变化背后的机制。为准确测量个体摄食量，研究人员设计了单回路循环水养殖系统。经过25天的喂养试验后，根据饲料转化率将84只海胆分为高饲料效率组（低FCR）和低饲料效率组（高FCR）。16S rDNA测序显示，两组海胆的大肠和小肠微生物群结构存在差异，高饲料效率组的大肠中变形菌门比例较高，而小肠中厚壁菌门比例较高。相反，低饲料效率组则具有较高的螺旋体门含量以及可能有害的Ruminococcus_gnavus_group类群。功能预测分析表明，高饲料效率组的微生物生物标志物在与碳代谢和氨基酸生物合成相关的途径中更为丰富。对体腔液进行的非靶向代谢组学分析发现了107种差异显著的代谢物，其中与高饲料效率相关的关键代谢物包括参与脂质代谢和氧化还原调节的PE、LPC和蓝蓟素。相关性分析显示，特定的肠道微生物类群与这些差异代谢物之间存在显著关联。此外，研究还发现消化道存在功能分区：小肠主要负责酶促消化，而大肠则负责营养吸收。这些发现表明，微生物群与代谢物之间的相互作用在调控饲料效率方面起着关键作用，也为评估海胆的饲料效率提供了可靠方法。

引言：在水产养殖业中，饲料成本占生产总成本的30%至70%（de Verdal等人，2017），因此饲料效率是养殖水生生物的重要指标。提高饲料效率不仅能提升经济收益，还能减少未消化饲料的排放，从而减轻对环境的影响（L. Nie等人，2025）。饲料转化率是指饲料摄入量与体重增长量的比值，是衡量饲料效率最常用的指标。较高的FCR意味着较低的饲料效率，反之则说明饲料效率较高；这一指标已被广泛用于研究Strongylocentrotus intermedius的饲料效率（Siikavuopio等人，2014）。目前，该指标也被应用于多种动物的饲料效率评估，如牛（Lanzoni等人，2025）、家禽（Obi等人，2025）、鱼类（Delgadin等人，2026；Monisha等人，2025）、虾（Firdausy等人，2024）以及海胆（Jiang等人，2025；You等人，2025）。准确测量个体的饲料摄入量是准确计算FCR的基础。对于水生动物而言，复杂的环境和进食行为给准确测量个体饲料摄入量带来了挑战。根据不同物种和实验情况，人们采用了多种方法来测定水生动物的个体饲料摄入量。例如，让鱼食用含有放射性不透明玻璃珠的饲料，然后对其进行麻醉、称重并拍摄X光片，根据影像中的玻璃珠数量估算其饲料摄入量，并为不同的时间和饲料类型建立校准回归方程（Difford等人，2023；Kause等人，2006）。对于斑马鱼等小型模式鱼，可通过光度法检测卤虫体内残留的类胡萝卜素含量，从而快速量化其个体饲料摄入量（Mashhadi等人，2020）。虹鳟鱼则通过编码标记，再通过视频监控确定其摄入的饲料颗粒数量，以此优化喂食方案（Just等人，2021）。在大黄鱼的研究中，结合PIT标签和YOLO v5模型，通过专用喂食站可准确捕捉个体多餐进食的差异，在14天的饲养实验中，饲料计数准确率达到了94.5%（Feng等人，2025）。对于凡纳滨对虾这类甲壳类动物，可采用分组分离和定时计数的方法，通过每6分钟统计一次剩余饲料颗粒的数量，研究发现鱿鱼粉等成分可提高其进食速率（Yuan等人，2021）。此外，还可以通过计算每个饲养容器中的饲料总量和剩余量来确定个体的饲料摄入量（Besson等人，2019；Rodde等人，2020）。在这些方法中，X光检测需要海胆吞食玻璃珠，可能会对其造成伤害；分组分离和定时计数方法以及类胡萝卜素含量的光度检测方法也不符合海胆的进食习性。而视频监控和YOLO v5模型则需要对外部进行标记和个体追踪，对于喜欢群居饲养的海胆来说更难以实施。不过，海胆养殖的饲料通常为大藻类。由于Strongylocentrotus intermedius生长缓慢，要准确测定其饲料摄入量并计算饲料效率，就需要较长的实验时间。个体喂食系统则能为精确测量其进食量带来很大优势。因此，本研究设计了一种专门用于海胆单养的循环水系统，通过个体级监测，能够可靠地评估Strongylocentrotus intermedius的饲料效率。肠道微生物群与其宿主共同进化，承担着宿主自身无法完成的重要生理功能（Krajmalnik-Brown等人，2012）。此外，肠道微生物群还在肠道发育与功能维持、肠道环境稳定、微量营养素合成以及生理代谢调控等方面发挥着关键作用（Krajmalnik-Brown等人，2012）。值得注意的是，即使在相同的环境条件下，生长速度较慢的个体与生长较快的个体相比，其微生物多样性也存在显著差异（Trinh等人，2017）。对金色短吻鳄鱼的研究表明，平衡的肠道微生物群有助于维持肠道的消化和吸收功能，从而通过降低FCR来提高饲料效率（Liu等人，2021）。还有证据表明，肠道微生物有助于提升宿主饮食的营养价值（Wang等人，2024a），进而显著影响饲料效率（Lumpkins等人，2010；Singh等人，2012，Singh等人，2014）和体重增长速度（Kim和Isaacson，2015；Kim等人，2015；Looft等人，2014），而这些因素对海胆的生长发育至关重要（Chen等人，2024）。研究肠道微生物群的组成和功能特征，有助于深入理解微生物群与宿主生理及代谢之间的相互作用，从而为海胆养殖中开发更高效的育种策略提供可能（Chen等人，2024）。代谢组学的出现使得人们能够系统地研究生化过程和代谢途径，便于识别各种因素引发的代谢特征变化（Hu等人，2025）。肠道腔内的代谢物反映了肠道微生物群与宿主介导的消化和营养吸收过程之间的相互作用结果（Coleman等人，2019）。目前，代谢组学为揭示水生动物饲料效率的分子机制提供了核心技术支持，在相关研究中取得了显著成果。对平鲍的研究表明，通过代谢组学分析发现，dl-蛋氨酸亚砜等差异显著的代谢物与肠道微生物群之间的相互作用能够促进氨基酸代谢，提升营养利用效率，为优化饲料效率提供了分子依据（Yu等人，2022）。对银鲑的研究则证实，肝脏代谢谱数据可作为预测饲料效率的核心指标，将这些数据与多组学数据相结合，可显著提高预测精度，为高效筛选高饲料效率个体提供技术支持（Young等人，2023）。此外，通过对锦鲤的代谢组学相关研究，人们还将代谢过程与饲料营养转化效率联系起来，解决了人工养殖中饲料营养转化效率低的问题（Fang等人，2024）。因此，代谢组学分析在海胆饲料效率研究中也发挥着重要作用。将肠道微生物群与代谢组学相结合的分析方法，为识别与生物生长特征相关的关键微生物和代谢物提供了全面视角，从而有助于深入理解其背后的代谢机制（Yang等人，2023）；通过这种方法，已有多种物种的研究取得了重要发现。在针对滩羊的研究中，研究人员分析了高饲料效率组和低饲料效率组滩羊的胃肠道微生物群结构和瘤胃代谢物，发现某些特定微生物和代谢物与饲料效率密切相关，为提高饲料利用效率提供了理论依据（Sun等人，2025）。在对鲍鱼的研究中，发现高饲料效率组与低饲料效率组的肠道微生物群结构存在显著差异，高效率组的微生物多样性更高，且假交替单胞菌和Cobetia等特定细菌属与DL-蛋氨酸亚砜和多巴胺等代谢物有关。这些发现表明，微生物、代谢物和酶之间的相互作用会调控多个代谢途径，从而影响饲料效率（Yu等人，2022），为将代谢组学与微生物组分析结合用于海胆饲料效率特性分析提供了理论基础。海胆因其高营养价值、美味的口感和细腻的质地而备受重视（Zhang等人，2023a）。然而，由于过度捕捞、气候变化和栖息地破坏，野生海胆种群数量已大幅下降（Di等人，2023）。因此，海胆养殖成为提高产量、减轻对野生海胆资源压力的有效手段（Gong等人，2025）。这一策略凸显出，需要采用科学的方法来提高饲料效率，以实现更高的经济收益。尽管海胆具有重要的经济价值，但关于海胆肠道微生物群的生理功能以及消化系统内的微生物多样性，目前仍缺乏深入了解（Faddetta等人，尤其是关于消化道各部位肠道微生物群的空间分布特征）。针对上述问题，我们开发了一种精确评估海胆饲料效率的方法，并研究了海胆消化道的不同区域。在本研究中，研究人员分析了海胆消化道不同区域——即大肠和小肠——的肠道微生物群，旨在明确与各区域特定消化功能相关的微生物群，从微生物学角度深入了解饲料效率的形成机制。此外，由于海胆属于棘皮动物门中的基干后口动物（Warner等人，2014），其代谢过程依赖于封闭的体腔液系统，而该系统在营养运输和免疫功能维持方面起着关键作用（Soleimani等人，2021；Wahltinez等人，2023），因此本研究选择体腔液作为代谢组学分析的样本基质，以便研究Strongylocentrotus intermedius的饮食摄入与代谢反应之间的关系。总之，本研究对比分析了高饲料效率组（低FCR）和低饲料效率组（高FCR）的Strongylocentrotus intermedius的肠道微生物群和体腔液代谢组，探讨了肠道微生物群与体腔液代谢组之间的相互作用在调控饲料效率中的作用。同时，本研究旨在通过综合分析方法，系统探究Strongylocentrotus intermedius饲料效率变化背后的机制。本研究的主要目标有三个：首先，开发一种专门的单回路循环水养殖系统，以便精确测量个体的饲料摄入量，从而可靠地评估饲料效率；其次，通过比较不同饲料效率海胆大肠和小肠中的微生物群，阐明肠道微生物群的区域特异性结构；第三，将体腔液的非靶向代谢组学分析与微生物组数据相结合，揭示调控饲料效率的特定相互作用和代谢途径。

实验设计与样本采集：本研究从莱州的莱阳养殖场获得了200只Strongylocentrotus intermedius，将其放入水温为19±1℃、盐度为30±1 ppt、溶解氧为7±0.5 ppm的海水中进行适应性培养。随后选取了84只这种海胆作为喂养试验的样本，其标准差为23.0±1厘米，平均湿重为4.0±1克。这些海胆被饲养在单单元流式养殖系统中，系统的水温得到严格控制。

饲料效率表型：共对84只Strongylocentrotus intermedius的饲料效率进行了评估，结果显示这84只海胆的平均饲料转化率为3.94，变异系数为0.27。它们的平均体重增长量为3.74克，平均贝壳生长量为6.33毫米，平均食物摄入量为0.57克（见表1）。在基于该系统的养殖环境中，海胆的存活率超过98%。不同个体间的FCR值在群体中存在显著差异，并呈现正态分布（图2A）。讨论在大多数养殖物种中，具有高FCR值的个体通常能带来更高的经济收益，因此FCR是水产养殖育种计划中的关键经济性状。由于海胆具有独特的生物学和行为特征，用于评估鱼类（Difford等人，2023；Just等人，2021；Mashhadi等人，2020）及甲壳类动物（Yuan等人，2021）FCR的传统方法并不适用于海胆。在本研究中，研究者采用了单循环水养殖系统。结论总之，本研究建立了一种精确测定单个海胆FCR值的方法，同时成功构建了适用于单个海胆养殖的循环水系统，这不仅提高了海胆的存活率，还提升了FCR测定精度。此外，通过分析肠道微生物组和代谢组，进一步阐明了中间强棘海胆FCR值变化的潜在机制。微生物群落存在显著差异。CRediT作者贡献说明林聪：可视化、数据整理、写作——审稿与编辑。严月涵：软件、数据整理、写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写。关宇：资源提供、数据整理、写作——初稿撰写。董家亮：方法学、概念设计。秦子玲：方法学、数据整理。郑毅：可视化、软件应用。宋哲：方法学、概念设计。王天琪：方法学、概念设计。王晓彤：验证、项目管理、研究实施。利益冲突声明作者们声明在发表本文时不存在任何利益冲突。林聪|严月涵|关宇|董家亮|秦子玲|郑毅|宋哲|王天琪|王晓彤|于文超中国农业大学烟台研究院，中国烟台264670