微生物群通过肠-睾轴调控雄性鹅外生殖发育

《Poultry Science》：Microbiota contributes to regulates the external genitalia development through gut-testis axis in male geese

　　

鹅是为数不多具有完整外生殖器的家禽物种，外生殖器发育异常已成为限制鹅产业繁殖效率的重要因素。近期研究表明肠道微生物群在调控雄性生殖过程中发挥重要作用，但其在雄性鹅外生殖器发育中的调控机制仍不清楚。本研究选取外生殖器正常发育（ND）与异常发育（AD）雄性鹅为对象，采用多组学技术探究微生物介导的肠-睾轴对外生殖器发育的调控作用。转录组层面，研究人员在ND与AD组的睾丸与外生殖器中鉴定出关键差异表达基因（DEGs）（KNG1、P2RY4、SSTR5及HRH3），其显著富集于神经活性配体-受体互作通路。代谢组学分析显示ND与AD组差异代谢物（DMs）显著富集于芳香氨基酸代谢与神经信号转导相关通路。宏基因组结果进一步表明，ND组鉴定出影响外生殖器发育的关键细菌属g_Blautia与g_Faecousia，其与短链脂肪酸（SCFAs）合成及神经内分泌信号调控相关。整合多组学数据揭示，肠道来源的神经活性代谢信号可能通过调节G蛋白偶联受体（GPCRs）信号参与雄性鹅外生殖器发育的分子调控。该发现不仅为肠-睾轴调控雄性鹅外生殖器发育提供新见解，亦有助于提升雄性鹅繁殖性能。

研究背景方面，自然界中仅约3%雄性鸟类具完整外生殖器，雄性四川白鹅是少数依赖完整外生殖器实现体内受精的家禽，外生殖器退化直接导致自然交配受精率下降。目前关于鹅外生殖器发育的表型特征与遗传机制信息有限，而哺乳动物研究已证实肠道微生物及其代谢产物可经肠-睾轴参与宿主内分泌调节、免疫稳态维持与性腺发育，但在鹅中尚未见报道，因此阐明肠道微生物调控雄性鹅外生殖器发育的机制具有明确产业价值。研究人员以360日龄四川白鹅为材料，按外生殖器基径、自然长度、伸直长度、螺旋数及阴茎刺有无将个体分为ND与AD两组，每组各取12只采集睾丸、外生殖器与盲肠内容物，开展表型、组织学、转录组、非靶向代谢组与宏基因组联合分析，得出结论：ND组富集g_Blautia与g_Faecousia等产SCFA菌属，盲肠中多巴胺与酪胺水平更高，睾丸与外生殖器中KNG1与P2RY4上调、HRH3与SSTR5下调，神经活性配体-受体互作通路为跨组学共同枢纽，肠道来源神经活性胺类经GPCRs与激肽原（KNG1）相关信号轴调控外生殖器发育；该成果发表于《Poultry Science》，为通过微生物干预改善雄鹅繁殖力提供理论基础。

关键技术方法上，研究人员建立ND与AD雄性四川白鹅队列（每组12只，取自重庆市荣昌区重庆市畜牧科学院家禽育种试验场同日孵化群体），取睾丸、外生殖器与盲肠内容物分别进行H&E染色组织学观察、Illumina Stranded mRNA转录组测序（比对鹅参考基因组PRJEB75655）、UHPLC-Orbitrap非靶向代谢组检测（VIP>1且p<0.05筛差异代谢物）、Illumina宏基因组测序（MEGAHIT组装、Prodigal预测ORF、CD-HIT聚非冗余基因集）及LEfSe与KEGG功能注释，并以qRT-PCR验证KNG1、P2RY4、HRH3、SSTR5表达趋势。

研究结果部分，“ND与AD组睾丸与外生殖器表型及组织学特征分析”显示ND组外生殖器自然长、伸直长、基径、重量及睾丸各项径长与重量均显著大于AD组，HE染色见ND组精曲小管结构完整、外生殖器角质化上皮（KE）与胶原层（OC）发育正常，AD组呈萎缩退化。“睾丸与外生殖器转录组分析”通过RNA-seq在睾丸与外生殖器分别获992与1567个DEGs，KEGG富集集中于神经活性配体-受体互作、细胞因子-受体互作与钙信号，PPI网络锁定KNG1、P2RY4、SSTR5、HRH3等节点，qRT-PCR印证ND组KNG1/P2RY4高表达、AD组HRH3/SSTR5高表达。“盲肠内容物代谢组特征”鉴定166个DMs（140上调、26下调），VIP分析指向肽与芳香氨基酸代谢，KEGG显著富集酪氨酸代谢、苯丙氨酸代谢、色氨酸代谢及神经活性配体-受体互作，跨组学交集证实芳香氨基酸源多巴胺与酪胺为关键神经活性介质。“盲肠内容物宏基因组特征”显示AD组α多样性改变，PCoA/NMDS分离明显；ND组g_Blautia、g_Faecousia、g_Fusicatenibacter富集（厚壁菌门 lineage），AD组g_Eggerthella、g_Gordonibacter、g_Raoultibacter富集（放线菌门 lineage），ND组功能注释偏神经活性配体-受体互作、催产素信号、apelin信号与精氨酸生物合成。“整合多组学分析揭示肠-睾轴调控雄性鹅外生殖器发育”表明多巴胺、酪胺与KNG1/P2RY4正相关，与HRH3/SSTR5负相关，g_Blautia/g_Faecousia与多巴胺/酪胺正相关，提出肠道神经活性代谢信号经GPCRs与激肽-凝血相关轴调控发育的模型。

讨论部分总结：外生殖器异常从宏观表型延伸至KE变薄与OC层状结构消失的组织微环境层面；KNG1作为激肽原（Kininogen）经激肽释放酶切出缓激肽，通过B1/B2受体调节血管通透、炎症与细胞外基质（ECM）重塑，可能影响血睾屏障（BTB）与组织重建；芳香氨基酸代谢产多巴胺/酪胺，在多种哺乳动物睾丸有DRD2等受体表达，肠源单胺经受体介导影响生殖基因表达；ND组SCFA菌属通过GPR41/GPR43维持低炎内环境，且ND组菌群功能富集中枢神经内分泌相关通路，共同支持神经活性配体-受体互作作为肠-生殖轴关键整合枢纽。结论部分翻译：综上，该研究阐明雄性鹅外生殖器发育复杂性，宏基因组鉴定g_Blautia与g_Faecousia为核心优势肠属，代谢组显示多巴胺与酪胺等神经活性代谢物关联外生殖器发育，联合转录组表明肠道来源神经活性代谢信号可能通过调控GPCRs与凝血/激肽相关信号轴参与分子调控，为雄性鹅外生殖器发育的遗传调控网络提供细节，并助于提升雄鹅繁殖性能。