知名流量女星（花花）居然爱吃这个！？

       作为肉食动物却喜欢吃竹子的国宝大熊猫，但是自身缺乏可以编码消化纤维素所需的酶，因此推测其肠道微生物群与纤维竹饮食有关。然而它们的具体作用仍然未知。

实验设计思路：

01、Illumina+Nanopore宏基因组测序：构建大熊猫肠道微生物基因组（MAGs）数据集；

02、宏转录组测序：利用宏基因组和宏转录组测序技术，比较大熊猫肠道微生物与肉食动物、草食动物和杂食动物的消化道微生物；

03、LC-MS代谢组：小鼠灌胃实验验证大熊猫肠道关键微生物氨基酸代谢。

图1  实验设计概述示意图

研究结果：

1、大熊猫肠道MAGs数据集构建

       通过二代+三代宏基因测序，共组装到408个非冗余MAGs，其中，148个高质量基因组。主要以厚壁菌门 (204个MAGs) 、变形菌门 (139个 MAGs)和拟杆菌门 (33个 MAGs) 为主。

图2  408个MAGs的分类注释和系统发育树

2、大熊猫肠道微生物宏转录组学分析

       宏转录分析肠道微生物的表达情况，物种丰度和宏基因组有差异，大肠杆菌在宏基因组中丰度排名第三，在宏转录组中排名第六。

图3 基于宏基因组和宏转录组的Top10物种相对丰度（表达量）

3、大熊猫微生物代谢途径

       基于宏基因组和宏转录组数据，对草食性（牛和羊）、杂食性（猪，老鼠和人）和肉食性猫进行比较。重点关注主要营养物（碳水化合物）代谢中的微生物代谢途径，发现大熊猫的肠道微生物不具备利用竹子纤维获得额外能量的潜能，竹子中的蛋白质可能是大熊猫的主要能量来源。

        因此，大熊猫肠道微生物对宿主食性改变的适应性贡献仍然有待深入探究。

图4  不同寄主肠道菌群中膳食纤维代谢酶相关基因的组成及表达模式

4、大熊猫肠道微生物群在宿主必需氨基酸生物合成中的作用

       研究探索了大熊猫肠道微生物丰度最高的菌（乳酸链球菌）是否有助于宿主合成必需氨基酸。根据乳酸链球菌的相对丰度讲熊猫分为高丰度、中丰度、低丰度三组，发现某些必需氨基酸合成有关的KEGG通路（map00300 、map00400 ）丰度显著高于中丰度、低丰度组，说明乳酸链球菌可能对大熊猫氨基酸合成有重要的贡献。

图5  不同乳酸链球菌水平大熊猫必需氨基酸生物合成途径KEGG的相对丰度

       通过小鼠模型验证乳酸链球菌的重要性。从大熊猫中分离出乳酸链球菌灌胃给低蛋白和正常蛋白日粮的BALB/c小鼠，3周取空肠内容测定代谢组。发现对于低蛋白饮食的小鼠，灌胃组的非必需氨基酸和必需氨基酸的总丰度均显著高对照组。正常日粮下，变化没有统计学意义。

图6  不同处理组小鼠氨基酸丰度比较

研究结论

本研究通过深度宏基因组测序构建大熊猫肠道MAGs，发现大熊猫的肠道微生物群在蛋白质代谢而非碳水化合物代谢中起到了重要作用，乳糖链球菌参与了大熊猫肠道的蛋白质代谢。本研究为大熊猫肠道微生物多样性和代谢潜力的认识提供了新方向，从微生物氨基酸代谢的角度解释大熊猫肠道微生物对大熊猫食性转变的作用，为解析大熊猫的适应性进化提供新视角。

参考文献

The unique gut microbiome of giant pandas involved in protein metabolism contributes to the host’s dietary adaption to bamboo.Microbiome,2023.