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大胃王如何维持“完美”体形?Nature子刊:鲸鱼肠道微生物助力脂质消化

2020-06-08
中科新生命
2165

鲸鱼作为海洋中最大的动物,每天捕食吨级的浮游生物和小型猎物,通过消化大量富含油脂的猎物,维持其能量密集型的生活方式,排出对海洋生物化学循环而言十分重要的营养物质。因此,鲸鱼对食物的消化反应是海洋食物链中能量、有机物和其他营养物传递的首要基础。那么鲸鱼是怎样消化这些“油腻”的食物的呢?胃肠道微生物是否起到了重要的作用呢?

为更好地了解这个问题,来自美国伍兹霍尔海洋研究所的研究人员在《The ISME Journal》(IF=9.493)杂志发表“Coordinated transformation of the gut microbiome and lipidome of bowhead whales provides novel insights into digestion”的研究论文。作者通过组学手段对阿拉斯加爱斯基摩人捕获的38头弓头鲸(Balaena mysitetus)的126个消化道样本的脂类组成和肠道微生物进行了组学分析。结果表明,脂质的消化与鲸鱼胃肠道微生物菌群有很强的相关性。

研究路线

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研究结果

鲸鱼肠道的脂质变化与菌群变化显著相关

为了确定鲸鱼肠道微生物群与鲸鱼饮食中脂类消化的关系,作者收集了鲸鱼消化道前胃、小肠、大肠、结肠、回肠等区段的内容物,通过16S扩增子测序分析内容物中微生物种类及丰度情况,通过脂质组学分析脂质在不同消化道区段的变化。对微生物菌群差异及脂质组差异物分析发现,二者间存在极显著的相关性。因此推测,鲸鱼消化道微生物广泛参与了脂质的消化利用过程,且不同区域的微生物对不同脂质的消化作用存在显著差异。

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鲸鱼消化道内微生物群落组成和多样性

16S扩增子测序分析发现,鲸鱼胃肠道所有区段的相关细菌中,97%的细菌来自:硬壁菌(64%)、蛋白细菌(16%)、梭杆菌(12%)、拟杆菌(5%)。硬壁菌是胃部的优势菌类,而蛋白细菌和梭杆菌是小肠中的优势菌类,类杆菌是大肠中的优势菌类。胃腔中发现的核心菌群包括梭杆菌、鲸蜡杆菌、消化链球菌、乳球菌等。大肠核心菌群主要是梭状芽孢杆菌目,包括梭状芽孢杆菌、地芽孢杆菌、消化球菌等。综上,消化道不同部位之间微生物的群落变化显著,其中胃、小肠和大肠的群落差异最大,小肠存在明显的区域差异。

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鲸鱼消化道内脂质组成和多样性

已有研究表明,鲸鱼可以很好地消化富含高能量脂质的食物,从而提供能量补充或维持体内脂肪储备。为了研究鲸体内脂质成分消化过程,研究人员对鲸鱼胃肠道内容物的脂质组学结果进行了分析,检测到546种脂质,分属于蜡酯、甘油三酯、甾醇及甾醇酯、脂肪酸等八大类。其中,蜡酯和甘油三酯是鲸鱼胃腔内容物的主要脂质成分,表明弓头鲸所摄入食物的主要脂质成分是这两类。而甾醇和甾醇酯等脂质成分在消化道的下段含量急剧增加,尤其是小肠等区段,表明脂质在该区段富集。以上结果表明,蜡酯是弓头鲸胃肠道中最丰富的脂质,其含量随着在消化道向下端移动逐渐降低,因此推测蜡酯很有可能是在小肠的中远端被消化。

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鲸鱼对蜡酯的消化

鉴于蜡酯在许多海洋动物的“能源经济”中所起的主要作用,而且数据表明,蜡酯至少储存了全球海洋初级生产产生的一半碳,因此阐明鲸鱼是如何促进这一重要海洋脂质循环过程,是一个非常有意义的课题。基于此,作者分析了鲸鱼消化道不同部位蜡酯含量差异。蜡酯在总脂质占比表明,胃部和十二指肠壶腹(小肠开始时的腔室)中蜡酯类的平均相对丰度最大,整个小肠中蜡酯类的平均相对丰度稳定下降,回肠和近端大肠中蜡酯脂质类的平均相对丰度最低,不同解剖部位蜡酯的相对丰度分布存在显著差异。与第一胃腔中的蜡酯丰度相比,消化道远端之间的相对丰度显著降低50%以上。与近端肠中甘油三酯显著减少不同,蜡酯直到小肠末端才达到最低丰度。因此,无论是因为食用量大还是其化学性质,蜡酯可能需要更多的时间或暴露于小肠的物理化学/生物特性中,以便在头鲸体内消化。另外作者观察到放线杆菌(MED4152)和鲸杆菌属(MED4350)与空肠中的蜡酯丰度相关,暗示这些肠道微生物有助于蜡脂消化。

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结论

为了研究鲸鱼的消化能力,本研究通过对胃肠道内容物进行16S扩增子测序和脂质组学联合分析的方法,深入探讨了微生物对须鲸消化能力的重要影响。结果表明微生物与鲸鱼体内的脂类有关,并发现鲸鱼微生物群可能在脂类,特别是蜡酯的消化中发挥作用,蜡酯不仅对鲸鱼个体及其物种生存至关重要,也是海洋循环中的重要分子。由于蜡酯很难被其他海洋脊椎动物消化,在海洋中构成了一个巨大的碳库,该研究进一步阐明了鲸鱼及其胃肠道微生物群在高纬度海洋碳和营养物的生物地球化学循环中所起的重要作用。