宿主种群密度对野生布氏田鼠肠道微生物组变异的驱动作用研究

《BMC Microbiology》：The gut microbiota of Brandt’s vole under varying population densities reveals contrasting patterns in the natural environment

　　

摘要

背景

啮齿动物的种群密度受内源性因素和外源性因素的影响而波动，从而对生物体及其栖息地产生密度依赖性效应。食草动物的肠道微生物群在消化、免疫、环境适应和宿主适合度方面发挥着关键作用。拥挤程度和宿主种群密度被认为是影响啮齿动物肠道微生物组的主要驱动因素之一。在实验室条件下，布氏田鼠（Brandt's voles）的肠道微生物组对密度和拥挤表现出不同的响应，但实验室环境是可控环境，无法模拟自然系统；然而，其自然环境下的响应尚缺乏研究，而自然系统更加复杂，受生物和非生物相互作用的塑造。本研究在饮食和社会结构动态变化的自然条件下，对布氏田鼠（Lasiopodomys brandtii）在不同种群密度下的肠道微生物组进行了全面的特征分析。

结果

在所有密度水平下，优势细菌门均为厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidota）、脱硫杆菌门（Desulfobacterota）、Campylobacterota、放线菌门（Actinobacteriota）和Patescibacteria。中等密度（0.57%±0.117）和高密度（0.65%±0.423）下Patescibacteria的丰度显著低于低密度（0.93%±0.339），而中等密度（0.84%±0.518）下变形菌门（Proteobacteria）的丰度高于低密度（0.43%±0.18）和高密度（0.54%±0.34）。与低密度和中等密度相比，高密度下Clostridia_vadinBB60和F082的丰度有所降低；与低密度和高密度相比，中等密度下Lactobacillus（乳杆菌属）的丰度较低。各密度水平下的微生物生物标志物为（p<0.05，LDA>3）：（低密度：Bacilli、Helicobacter、Clostridiales_vadinBB60、F082和Saccharimonadia）；（中等密度：Christensenellaceae）；（高密度：Lactobacillus、Prevotella和Lachnospiraceae）。高密度下的α多样性显著低于低密度和中等密度。在高密度下，Pielou均匀度指数、Shannon多样性指数、观测丰富度和Simpson多样性均显著低于低密度和中等密度（p<0.05）。低密度与高密度之间、中等密度与高密度之间的群落结构差异显著，但低密度与中等密度之间无显著差异（p<0.05）。细菌预测功能通路在低密度与中等密度之间、高密度与中等密度之间差异显著，但低密度与高密度之间无显著差异（p<0.05）。密度、碱度（AP）和pH值是微生物群落变异的初级驱动因素（p<0.05）。Mantel检验显示，布氏田鼠肠道微生物多样性与密度（r=0.26，p=0.0006）和含水量（r=0.19，p=0.025）显著相关；微生物丰度与土壤含水量（r=0.26，p=0.001）和地上生物量（AGB）（r=0.24，p=0.001）相关。密度对微生物群落产生负面影响，但对土壤理化因子产生正面影响。

结论

本研究表明，宿主种群密度是野生布氏田鼠肠道微生物组变异的主要驱动因素，土壤特性和植物生物量则作为次级环境过滤器发挥作用。本研究强调了宿主种群动态在自然系统中塑造肠道微生物组的核心作用，对于理解拥挤胁迫如何影响野生小型哺乳动物的宿主-微生物互作具有重要的潜在意义。

背景

啮齿动物的种群密度受内源性因素和外源性因素的影响而波动，从而对生物体及其栖息地产生密度依赖性效应。食草动物的肠道微生物群在消化、免疫、环境适应和宿主适合度方面发挥着关键作用。拥挤程度和宿主种群密度被认为是影响啮齿动物肠道微生物组的主要驱动因素之一。在实验室条件下，布氏田鼠的肠道微生物组对密度和拥挤表现出不同的响应，但实验室环境是可控环境，无法模拟自然系统；然而，其自然环境下的响应尚缺乏研究，而自然系统更加复杂，受生物和非生物相互作用的塑造。本研究在饮食和社会结构动态变化的自然条件下，对布氏田鼠（Lasiopodomys brandtii）在不同种群密度下的肠道微生物组进行了全面的特征分析。

结果

在所有密度水平下，优势细菌门均为厚壁菌门、拟杆菌门、脱硫杆菌门、Campylobacterota、放线菌门和Patescibacteria。中等密度（0.57%±0.117）和高密度（0.65%±0.423）下Patescibacteria的丰度显著低于低密度（0.93%±0.339），而中等密度（0.84%±0.518）下变形菌门的丰度高于低密度（0.43%±0.18）和高密度（0.54%±0.34）。与低密度和中等密度相比，高密度下Clostridia_vadinBB60和F082的丰度有所降低；与低密度和高密度相比，中等密度下Lactobacillus的丰度较低。各密度水平下的微生物生物标志物为（p<0.05，LDA>3）：（低密度：Bacilli、Helicobacter、Clostridiales_vadinBB60、F082和Saccharimonadia）；（中等密度：Christensenellaceae）；（高密度：Lactobacillus、Prevotella和Lachnospiraceae）。高密度下的α多样性显著低于低密度和中等密度。在高密度下，Pielou均匀度指数、Shannon多样性指数、观测丰富度和Simpson多样性均显著低于低密度和中等密度（p<0.05）。低密度与高密度之间、中等密度与高密度之间的群落结构差异显著，但低密度与中等密度之间无显著差异（p<0.05）。细菌预测功能通路在低密度与中等密度之间、高密度与中等密度之间差异显著，但低密度与高密度之间无显著差异（p<0.05）。密度、碱度和pH值是微生物群落变异的初级驱动因素（p<0.05）。Mantel检验显示，布氏田鼠肠道微生物多样性与密度（r=0.26，p=0.0006）和含水量（r=0.19，p=0.025）显著相关；微生物丰度与土壤含水量（r=0.26，p=0.001）和地上生物量（r=0.24，p=0.001）相关。密度对微生物群落产生负面影响，但对土壤理化因子产生正面影响。

结论

本研究表明，宿主种群密度是野生布氏田鼠肠道微生物组变异的主要驱动因素，土壤特性和植物生物量则作为次级环境过滤器发挥作用。本研究强调了宿主种群动态在自然系统中塑造肠道微生物组的核心作用，对于理解拥挤胁迫如何影响野生小型哺乳动物的宿主-微生物互作具有重要的潜在意义。