環境和飲食與腸道微生物的關係

2020-12-05 中國數字科技館

Tyler Kartzinel在肯亞中部的Ol Jogi保護中心收集糞便樣本。（圖片來源：Robert Pringle）

近年來，微生物領域研究發展迅速，提出了有關人類和動物體內微生物的新知識和新問題。一項新的研究通過使用DNA分析來研究飲食、環境和微生物之間的關係，對這一領域的基礎知識進行了補充。

該研究的第一作者、布朗大學生態學和進化生物學助理教授、前普林斯頓大學的博士後研究員Tyler Kartzine說：「環境變化會影響動物吃什麼，從而以多種方式影響它們的腸道微生物和機體健康。這項基於DNA研究的創新方法最終可能也會為理解人類腸道微生物提供新的途徑。」

這項研究發表在美國國家科學院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上。研究人員收集並分析了非洲大草原上33種食草動物的1000多個糞便樣本。這些食草動物中既有矮小的羚羊，又有巨型的長頸鹿和大象。

在肯亞的Mpala研究中心，一隻大象正在覓食。 （圖片來源：Robert Pringle）

為了在以往研究的基礎上開展進一步工作，來自布朗大學和普林斯頓大學生態學和進化生物學部門的科學家們以及肯亞國家博物館的植物學部門的工作人員組成了一個研究團隊，分析了來自自然棲息地的多種物種樣本。大部分的野外工作是在位於肯亞的穆帕拉研究中心（Mpala Research Centre）完成的，該中心由普林斯頓大學與史密森學會（Smithsonian Institution）、肯亞國家博物館和肯亞野生動物服務機構合作管理。

該研究的作者之一、普林斯頓大學生態學和進化生物學副教授Robert Pringle說：「糞便樣本為野生動物研究提供了一個窗口，通過糞便我們可以了解到它們的飲食、腸道微生物乃至體內寄生蟲的種類。我們這才剛剛起步，而基於DNA技術的野生動物生態學方法可以幫助我們實現過去很難進行的研究。」

通過分析樣本中的DNA來推斷動物的飲食和腸道微生物，研究人員得出了三個主要結論。首先，他們發現近親物種有著相似的腸道微生物，飲食結構也在一定程度上較為相似。其次，飲食結構不同的物種（以及同一物種內的不同個體）往往具有不同的腸道微生物。

最後，研究發現，如果動物的飲食結構隨季節而變化，那麼它們的腸道微生物往往也會出現季節變化。研究小組還驚奇地發現，牛、羊、山羊、驢和駱駝等家養動物的腸道微生物隨季節的變化比野生動物腸道微生物的變化更大，即使與飲食相似的親緣關係最密切的野生動物相比也是如此。

一隻網狀的長頸鹿在Mpala研究中心挑選了滿嘴的芙蓉花。 （圖片來源：Robert Pringle）

Kartzinel和他的同事們想要探索為什麼某些物種的腸道微生物對季節變化更敏感，提出了三個可能的原因來解釋家畜和野生動物之間的微生物組差異：家畜受到了馴化，牧民會引導家畜獲得最佳食物和水源，以及夜間家畜在畜欄中能夠得到保護。

研究人員過去通過兩種方式來研究動物的腸道微生物：一種是研究人員進行了「種間」研究，檢查幾種代表不同物種的動物的腸道微生物，例如比較綿羊和奶牛的腸道微生物；另一種是進行「種內」研究，比較了不同季節、同一物種的更多動物的腸道微生物。

Kartzinel指出，新研究中使用的方法可以進行更深層次的分析。他和同事分析了來自同一環境中許多不同物種的個體樣本的DNA以評估其飲食結構，因此他們能夠同時進行物種間和物種內的研究。

以前的種間研究傾向於發現親緣關係密切的物種有更多相似的腸道微生物，而種內研究則發現季節影響動物的腸道微生物。目前的研究為這些發現增添了更多的細微差別。

Kartzinel說：「我們發表的研究成果開始將這些發現聯繫起來，使它們之間的關係不再分裂。例如，腸道微生物的季節變化並非一個單純的『有』或者『沒有』的問題，而是存在一梯度差異——有些腸道微生物對季節變化的響應很大，另一些則很小。」

研究中產生了各種的附加問題。例如，微生物組的季節敏感性是健康的信號還是亞健康的信號？

Kartzinel說：「在環境變化時，善於適應環境的變化的動物在壓力下改變了它們的飲食和腸道微生物以生存下來。」

Kartzinel和他的同事們還希望更進一步，確定到底是動物的飲食結構還是微生物對環境更敏感。他說：「一種植物在一個季節為動物提供多汁的果實，而在另二個季節只提供耐嚼的嫩枝。如果動物在兩個季節都吃這種植物，我們的方法不會察覺到動物的飲食有任何變化，但動物的腸道微生物會。」

他還想要通過實驗來確定飲食和腸道微生物更替對野生動物健康的重要性。他問道：「在這個不斷變化的環境裡，草食動物微生物群的敏感性是否有助於它保持健康的飲食？又或者其他的條件會在動物生存決策中佔據上風？因為我們研究的是幾種瀕臨滅絕的物種，還有與人類緊密相關的家畜，所以必須考慮到這些可能性。」

Kartzinel說：「如果微生物組確實會對動物的健康和行為產生重大影響，那麼它可能影響整個食物網和生態系統，因為它將決定誰能生存。」他補充說，他們的團隊正在與更多的合作者一起，試圖探討這項研究對人類的可能影響。

Kartzinel說：「生物醫學領域對能否以及如何管理人類腸道微生物以改善健康、壓力和營養非常感興趣。我們認為，結合一整套的研究方法，這些將飲食和微生物組聯繫起來的遺傳學方法可以為野生動物生態學家和生物醫學研究者提供更多信息。」

翻譯：徐相輝

審校：於穎卓

引進來源：布朗大學

引進連結：https://phys.org/news/2019-11-african-animals-illuminates-links-environment.html

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