养殖密度对草鱼（Ctenopharyngodon idella）宿主 - 环境微生物连通性及后肠状况的影响

《Aquaculture》：Effects of stocking density on host-environment microbial connectivity and posterior gut condition in grass carp ( Ctenopharyngodon idella)

　　

# 养殖密度对草鱼黏附面宿主-环境微生物连通性的影响

## 摘要

养殖密度是集约化水产养殖中的关键管理因素，但其对鱼类黏附面宿主-环境微生物连通性的影响仍知之甚少。本研究在循环水养殖系统中，将草鱼（*Ctenopharyngodon idella*）分别置于低、中、高三组养殖密度（10、15和20 kg/m3）下饲养105天。记录生长性能和饲料利用率以提供生产背景信息，并利用16S rRNA基因测序和来源追踪分析肠道、鳃、皮肤、水体、饲料和底泥中的微生物群落。此外，进一步评估了后肠道形态、肠道葡萄糖浓度以及钠-葡萄糖协同转运蛋白1（*sglt1*）和葡萄糖转运蛋白2（*glut2*）的表达水平。较高的养殖密度降低了个体生长性能和饲料利用效率。总体而言，微生物群落结构主要受样本类型而非养殖密度的驱动。外部黏附部位，尤其是鳃，表现出更强的环境耦联，而肠道微生物群最为独特，且具有最高比例的未知来源。在黏附部位内部，密度相关的响应因组织而异，肠道表现出最全面的重构，鳃表现出可检测的成员水平变化，而皮肤则相对保持稳定。来源追踪进一步揭示了水体、底泥和未知来源贡献之间存在显著的"组织×密度"交互作用，表明微生物来源信号在不同黏附面之间发生了依赖于密度的重新加权。较高的养殖密度还与后肠道结构状态下降、*sglt1*表达降低以及肠道葡萄糖浓度下降相关。肠道微生物多样性和特定发酵类群与后肠道特征呈正相关变化。这些结果表明，养殖密度、生长性能、黏附微生物组成、宿主-环境微生物连通性和后肠道状况之间存在协调性关联，从而提示了以来源为导向的微生物监测在集约化草鱼养殖中以健康为导向的密度管理中的潜在价值。

## 引言

水产养殖已成为全球水产食品生产和水产粮食安全中日益重要的组成部分。根据《2024年世界渔业和水产养殖状况》报告，2022年全球渔业和水产养殖产量达到2.232亿吨，水产动物养殖产量首次超过捕捞渔业（FAO, 2024）。水产养殖的持续扩展和集约化增加了对将生产效率与环境稳定性、动物健康和生态系统韧性相结合的管理策略的需求（Naylor等, 2021; Gui, 2024）。草鱼（*Ctenopharyngodon idella*）是世界上最广泛养殖的淡水鱼类之一，在中国淡水养殖中发挥着核心作用，据《2023年中国渔业统计年鉴》报告，其产量为590万吨（渔业渔政管理局, 2023）。在集约化池塘系统和池塘内水箱养殖中，养殖密度是一个核心管理因素，因为它影响生物量负载、摄食压力、废物积累、鱼之间的物理接触以及养殖环境的稳定性（Li等, 2012; Long等, 2019; Lu等, 2022; Liu等, 2024）。

养殖密度通常通过生长性能、存活率、饲料利用率和产量来评估，但密度相关的应激也可能通过生理调节、肠道状况、免疫状态和微生物群结构表现出来。以往在养殖鱼类中的研究表明，密度增加可改变内分泌应激反应、抗氧化能力、脂质代谢、消化酶活性、肠道组织学、屏障功能和肠道微生物组成（Refaey等, 2018; Sundh等, 2019; Wang等, 2019; Wang等, 2020; Jia等, 2022; Parma等, 2020; Xie等, 2024; Zheng等, 2023）。在草鱼中，养殖管理和营养调节与生长、饲料利用率、消化酶、抗氧化能力和免疫反应的变化相关（Adineh等, 2021; Ahmadifar等, 2020），且糖转运蛋白基因已被证明对养殖密度条件有响应（Liang等, 2020）。这些发现表明，密度管理不应仅从最终生产产量的角度考虑，还应从鱼类状况、黏附面稳定性和可能先于养殖性能可见恶化的早期生物学信号的角度来考虑。

水产养殖生产单元是一个连通的微生物生态系统，其中养殖水体、底泥、饲料和鱼相关表面形成了相互作用的源和汇区室。水体和底泥微生物参与营养转化、有机质降解和氮循环，从而有助于养殖系统中的生态稳定性（Huang等, 2018; Huang等, 2021; Chen等, 2022）。它们也可能影响养殖环境中的病原动态和菌群失调风险（De Schryver和Vadstein, 2014; Infante-Villamil等, 2021）。同时，宿主相关微生物对消化、营养加工、黏膜发育、免疫稳态、屏障防御和应激韧性做出贡献（Banerjee和Ray, 2017; Kelly和Salinas, 2017; Egerton等, 2018; Luan等, 2023; Diwan等, 2023）。由于这些区室通过水流、摄食、排泄、底泥再悬浮和直接宿主-环境接触在物理上相互连通，养殖鱼中微生物的响应应在周围环境的微生物背景中解释，而非作为孤立的宿主单一现象。

鱼类黏附面并非等同的微生物栖息地。肠道微生物群受饮食、消化、肠道理化条件、上皮转运和宿主免疫调节的影响而塑造（Rombout等, 2011; Kelly和Salinas, 2017; Egerton等, 2018; Luan等, 2023），而鳃和皮肤则持续暴露于水生环境中，并作为气体交换、渗透调节、环境感知、黏液介导防御和上皮屏障保护的主要界面发挥作用（Maina, 2002; Kelly和Salinas, 2017; Legrand等, 2018）。比较鱼类微生物组研究表明，解剖部位、宿主生物学和环境暴露共同塑造黏膜微生物群落，外部黏膜部位通常表现出比肠道更强的环境信号（Minich等, 2020; Minich等, 2022）。最近的证据进一步表明，养殖密度和氧气可用性可以差异性重塑养殖鱼类的皮肤和肠道微生物群（Toxqui-Rodríguez等, 2024）。因此，养殖密度不太可能在动物体内产生均匀的微生物响应。相反，密度相关的拥挤、物理接触、有机负载改变和环境暴露改变可能以组织依赖的方式改变环境微生物输入和宿主相关筛选之间的平衡。

微生物来源相关的响应在与管理实践结合解读时最为有用，而与管理实践结合解读应与宿主侧肠道特征一同进行。在鱼类中，碳水化合物利用和葡萄糖稳态是代谢调节的重要方面（Moon, 2001）。在肠道水平上，葡萄糖吸收和感知与钠-葡萄糖协同转运蛋白1（*sglt1*）和葡萄糖转运蛋白2（*glut2*）密切相关（R?der等, 2014; Blanco等, 2017）。在草鱼中，糖转运蛋白基因（包括*sglt1*和*glut2*）表现出组织依赖性表达，并可对养殖密度做出响应（Liang等, 2020）。与此同时，肠道形态被广泛用于评估消化和黏膜状况，且在高养殖密度下，多种养殖鱼类均表现出肠道组织学和健康相关特征的改变（Refaey等, 2018; Wang等, 2019; Wang等, 2020; Zheng等, 2023）。因此，将黏膜微生物群、微生物来源信号、肠道形态和葡萄糖相关特征结合起来，可能比仅从微生物群落组成提供关于密度相关宿主状况的更整合的视角。

在本研究中，草鱼在循环水养殖系统中分别于低、中、高三组养殖密度下饲养。总结生长性能和饲料利用率以提供养殖密度处理的生产背景信息，同时分析肠道、鳃、皮肤、水体、饲料和底泥中的微生物群落，并结合后肠道形态和葡萄糖相关特征进行评价。具体而言，我们探讨：器官身份是否在肠道、鳃和皮肤之间建立了不同程度的环境耦联；养殖密度是否以组织依赖的方式改变了对水体、底泥、饲料和未分配分数的估计来源贡献；以及肠道来源模式是否伴随后肠道结构和葡萄糖相关的响应。本研究提供了一个以来源为导向的框架，用于评估密度相关的微生物和肠道响应，为集约化草鱼养殖中的健康管理提供了补充性见解。

## 章节摘要

### 实验设计与鱼类

所有实验程序均经中国华中农业大学动物伦理委员会批准（批准号：HZAUFI-2020-0011），并按照相关机构和国家指南执行。实验前，鱼类被培养2周以适应实验环境，并投喂商业浮性颗粒饲料（大北农，DBN）。设立三组养殖密度处理：10 kg/m3（低养殖密度，LSD）、15 kg/m3……

### 不同养殖密度下的生长性能

生长性能表现出明显的密度相关模式（图2；表2）。三组处理的初始体重和体长相似。在养殖期间，所有组的体重持续增加，但生长轨迹逐渐分离，LSD组的指数增长系数最高，HSD组最低。试验结束时，最终体重、体重增长率、蛋白质效率比和特定增长率依次为……

### 养殖密度效应发生在连通的养殖微生物生态系统中

集约化水产养殖系统是一个连通的微生物生态系统，其中养殖水体、底泥、饲料、悬浮颗粒、生物膜和宿主黏膜表面通过营养通量、微生物扩散和宿主-环境接触相互作用（Huang等, 2018; Huang等, 2021; Chen等, 2022）。在这些系统中，水体和底泥微生物群落参与营养转化、有机质分解、氮循环和水质调节，从而……

## 结论

总之，养殖密度与草鱼生长性能、饲料利用效率、黏膜微生物群、微生物来源归因信号和后肠道状况的变化相关，且这些变化在一个组织特异性的宿主-环境框架内发生（图9）。较高的养殖密度降低了个体生长性能和饲料利用效率。器官身份仍然是微生物群落结构的主要决定因素，但密度修饰了微生物组成和……

## 动物与人类权利声明

所有实验程序均经中国华中农业大学动物伦理委员会批准（批准号：HZAUFI-2020-0011），并按照相关机构和国家指南执行。本研究不涉及任何人类参与者的研究。

## CRediT作者贡献声明

杨秋实：写作—审阅与编辑、写作—原稿撰写、验证、软件、方法学、调查、正式分析、数据整理、概念化。李文涵：写作—审阅与编辑、验证、方法学、调查、正式分析、数据整理。邓亚乐：写作—审阅与编辑、可视化、监督、调查。张帆：写作—审阅与编辑、可视化、监督、调查。王银：写作—审阅与编辑、可视化、……

## 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

## 致谢

本研究由国家重点研发计划（2024YFE0112200）资助。感谢顾晓、吴兆军、张婷婷和徐娜在样本采集方面的宝贵协助。

**杨秋实 | 李文涵 | 邓亚乐 | 张帆 | 王银 | 张志敏 | 许婷婷 | 李华成 | 陆佳敏 | 汤融 | 喻丽勤 | 李大鹏**

洪山实验室，华中农业大学水产学院，湖北省池塘养殖工程实验室，湖北武汉430070，中国