整合肠道微生物群与代谢组学揭示后生元补充对尖吻鲈（Lates calcarifer）的健康益处

《Biology》：Integrative Analysis of Gut Microbiota and Metabolome Reveals Health Benefits of Postbiotic Supplementation in Asian Seabass (Lates calcarifer)

　　

后生元（postbiotics）是由灭活的有益微生物及其组分制成的制剂，可能在不使用活菌的情况下帮助改善动物健康。本研究评估了在饲料中添加商业后生元产品SYNSEA Premium对尖吻鲈（Lates calcarifer）的生长、免疫力、抗病力、肠道微生物群及宿主代谢的影响。研究人员给鱼投喂对照饲料或在饲料中添加热灭活的Lactiplantibacillus plantarum LP28、L. plantarum LP1008和Bacillus subtilis，剂量分别为108（LSP）或109（HSP）cells kg?1饲料，持续56天。后生元补充未显著影响生长性能、饲料效率、产量、肥满度或背肌组成，但显著提高了存活率。接受后生元的鱼在溶藻弧菌（Vibrio alginolyticus）和虹彩病毒（iridovirus）攻毒后也表现出更高的存活率。这些保护效应伴随着超氧化物歧化酶（superoxide dismutase）、吞噬活性（phagocytic activity）和溶菌酶（lysozyme）活性的增强，以及免疫相关基因（包括tgf-β1、tnf、ifn-γ1、c3和mx）的调控。仅限于对照组和LSP组的探索性微生物组和代谢组学分析，识别出特定肠道微生物分类单元相对丰度的差异，以及微生物组成与宿主代谢谱之间的关联。LSP组中潜在病原体如肠道沙门氏菌（Salmonella enterica）、格氏乳球菌（Lactococcus garvieae）和华纳葡萄球菌（Staphylococcus warneri）的相对丰度较低，尽管两组间的整体微生物群落结构无显著差异。LSP组的代谢组学分析进一步显示，与对照组相比，D-葡萄糖、磷酸戊糖途径中间产物、还原型谷胱甘肽、辅酶A（CoA）和2-甲基乙酰乙酰辅酶A（2-methylacetoacetyl-CoA）发生变化。总之，SYNSEA Premium在不显著影响生长性能的前提下，提高了存活率、免疫应答及对细菌和病毒感染的抵抗力，而针对LSP处理的探索性组学分析则识别出相关的微生物和代谢变化。

论文解读：整合肠道微生物群与代谢组学揭示后生元补充对尖吻鲈的健康益处

一、研究背景与目的

尖吻鲈（Lates calcarifer）是印度-西太平洋地区重要的经济鱼类，其养殖常受到病毒性神经坏死症、链球菌病和弧菌病等传染病的制约，导致严重死亡和经济损失。抗生素耐药性问题日益严峻，促使水产养殖业寻求有效的非抗生素替代品。功能性饲料添加剂，如益生菌和后生元（postbiotics），已成为增强免疫功能、促进肠道健康和提升抗病力的有前景策略。后生元定义为灭活微生物和/或其细胞成分的制剂，能对宿主产生可测量的健康益处。相较于活益生菌，后生元在饲料加工和储存过程中更稳定，因此被视为更具实用性的替代方案。然而，关于后生元能否同时增强对细菌和病毒病原体的抵抗力，以及结合肠道微生物组和宿主代谢组进行综合评估的研究仍十分匮乏。为此，本研究旨在评估饲料中添加SYNSEA Premium对尖吻鲈幼鱼的生长性能、对溶藻弧菌（Vibrio alginolyticus）和虹彩病毒（iridovirus）感染的抵抗力及相关先天免疫反应，并通过对照组和低剂量后生元（LSP）组的比较，探索肠道微生物组成和宿主代谢谱的变化。

二、关键技术方法

1. 1.
   实验设计与饲养试验：在台湾国立屏东科技大学进行为期56天的饲养试验，将尖吻鲈幼鱼随机分配到三个处理组：对照组（基础饲料）、低剂量后生元（LSP，10⁸ cells kg^?1饲料）和高剂量后生元（HSP，10⁹ cells kg^?1饲料）组。
2. 2.
   病原攻毒试验：分别采用腹腔注射溶藻弧菌（V. alginolyticus）和虹彩病毒（iridovirus）的半致死剂量（LD₅₀）进行攻毒，通过Kaplan-Meier生存曲线分析存活率。
3. 3.
   免疫参数检测：测定头肾白细胞的呼吸爆发（respiratory burst）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性、吞噬活性（phagocytic activity）以及血清溶菌酶（lysozyme）活性。
4. 4.
   免疫相关基因表达分析：利用实时荧光定量PCR（qPCR）检测肾脏和肝脏组织中多个免疫相关基因（如tgf-β1、tnf、ifn-γ1、c3、mx等）的表达水平。
5. 5.
   肠道微生物群分析：对对照组和LSP组鱼的肠道内容物进行16S rRNA基因全长（V1-V9区）测序，分析微生物群落的多样性和组成。
6. 6.
   代谢组学分析：采用超高效液相色谱-四极杆-静电场轨道阱高分辨质谱联用技术（UPLC-Q Exactive Orbitrap MS）对对照组和LSP组鱼的肝脏和背肌组织进行非靶向代谢组学分析。
7. 7.
   整合相关性分析：通过Spearman等级相关分析，探究肠道微生物分类单元与差异代谢物之间的关联，并构建微生物-代谢物互作网络。

三、研究结果

3.1 生长性能

经过56天的饲养，各组鱼在末重、增重率、饲料效率、蛋白质效率比、总产量和肥满度方面均无显著差异。但后生元补充组（LSP和HSP）的存活率显著高于对照组。

3.2 细菌和病毒攻毒试验

在溶藻弧菌攻毒后，后生元补充组的累积存活率显著高于对照组。在虹彩病毒攻毒后，后生元补充组的最终存活率同样显著高于对照组。这表明SYNSEA Premium能够增强尖吻鲈对两种病原体的抵抗力。

3.3 免疫应答

后生元补充组（LSP和HSP）的超氧化物歧化酶（SOD）活性、吞噬活性和溶菌酶活性均显著高于对照组。其中，LSP组的吞噬活性显著高于HSP组。呼吸爆发活性在各组间无显著差异。

3.4 免疫相关基因

后生元补充显著上调了肾脏中tgf-β1和tnf的表达。LSP组还显著上调了ifn-γ1和肝脏中c3的表达。在神经坏死病毒（NNV）刺激24小时后，后生元补充组脾脏中的mx基因表达显著高于对照组，且HSP组显著高于LSP组。

3.5 肠道微生物群

LSP组与对照组相比，肠道微生物群的α多样性（香农指数、辛普森指数、均匀度）降低，但物种丰富度无显著差异。主坐标分析（PCoA）显示两组间整体微生物群落结构无显著差异。但在具体分类单元上，LSP组中潜在病原菌肠道沙门氏菌（Salmonella enterica）、格氏乳球菌（Lactococcus garvieae）和华纳葡萄球菌（Staphylococcus warneri）的相对丰度显著低于对照组。

3.6 代谢组学

正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）显示，LSP组与对照组的肝脏和肌肉代谢物谱均存在明显分离。在肝脏中，LSP组增加了辅酶A（CoA）、还原型谷胱甘肽（GSH）等代谢物，而降低了D-葡萄糖、2-甲基乙酰乙酰辅酶A等代谢物。在肌肉中也观察到类似的能量代谢和抗氧化相关代谢物的变化。

3.7 微生物群与代谢物的相关性

整合分析发现，潜在致病菌（Salmonella、Staphylococcus、Lactococcus）的相对丰度与D-葡萄糖、氧化型谷胱甘肽等代谢物呈正相关，而与鸟苷二磷酸甘露糖、还原型谷胱甘肽呈负相关。

四、讨论与结论

本研究表明，饲料中添加SYNSEA Premium虽未显著促进尖吻鲈的生长，但能有效提高其存活率，增强先天免疫反应（如SOD、吞噬和溶菌酶活性），并上调关键免疫调节基因（如tgf-β1、tnf、ifn-γ1、c3）及抗病毒效应分子mx的表达，从而提升了对溶藻弧菌和虹彩病毒的抵抗力。肠道微生物群分析揭示了后生元可能通过降低潜在病原菌的相对丰度来塑造肠道微生态。代谢组学分析则表明后生元影响了宿主的能量代谢（如糖酵解、TCA循环）、辅酶A代谢和谷胱甘肽抗氧化系统。微生物-代谢物关联分析进一步提示，肠道菌群组成与宿主碳水化合物代谢及氧化还原状态之间存在潜在的相互联系。

研究结论：膳食补充SYNSEA Premium不会显著影响尖吻鲈的生长性能或背肌组成，但能显著提高存活率、先天免疫反应以及对细菌和病毒感染的抵抗力。仅在对照组和LSP组进行的探索性组学分析，识别出了特定肠道细菌分类单元相对丰度的差异和宿主代谢谱的变化。这些组学发现仅限于LSP的比较，不能用于推断剂量依赖性的微生物或代谢反应。整合的微生物组-代谢组分析发现了特定微生物类群与宿主代谢物之间的相关性，但这些关联应视为探索性的，并不建立因果或机制关系。总体而言，研究结果支持将SYNSEA Premium用作改善尖吻鲈健康和抗病力的功能性饲料添加剂。该论文发表于《Biology》。