对非洲动物的研究阐明了环境、饮食和肠道微生物群之间的联系

近年来，微生物研究领域发展迅速，提供了有关人类和动物体内微生物的新知识和新问题。一项新的研究通过使用DNA分析来检验饮食、环境和微生物之间的关系，从而为这一知识奠定了基础。

“环境变化可能会影响动物吃什么,因此,影响他们的微生物和健康以多种方式,只有在自然环境中,才能理解”研究的主要作者泰勒Kartzinel,生态学和进化生物学助理教授布朗大学和前普林斯顿大学的博士后研究员。

他补充说，这项研究基于dna的创新方法可能最终也会为研究和理解人类微生物群落提供新的途径。

Tyler Kartzinel在肯尼亚中部的Ol Jogi保护中心收集粪便样本。研究人员分析了1000多个粪便样本。

Photo by Robert Pringle

这项研究发表在11月4日的《美国国家科学院院刊》上。研究人员收集并分析了非洲大草原上33种食草动物的1000多个粪便样本。

建立在早期研究的发现,该研究小组——一个协作生态学和进化生物学部门的科学家布朗大学和普林斯顿大学,和他的同事们从肯尼亚国家博物馆的植物学部门——试图研究各种各样的物种通过分析样本来自它们的自然栖息地。

大部分的野外工作是在位于肯尼亚的Mpala研究中心完成的，该中心由普林斯顿大学与史密森学会、肯尼亚国家博物馆和肯尼亚野生动物服务机构合作管理。

“粪便样本提供一个了不起的窗口到野生动物的生物学,从它的肠道细菌生活在什么吃什么什么样的寄生虫,”罗伯特•普林格尔说,普林斯顿大学生态学和进化生物学副教授和该研究的资深作者。“我们刚刚开始挖掘基于法医dna的野生动物生态学方法的潜力，它可以让我们了解这些事情，这些事情在历史上即使不是不可能调查，也是非常困难的。”

通过分析样本中的DNA来推断动物的饮食和微生物群落，研究人员得出了三个主要结论。与他们的预期一致的是，他们发现近亲物种有着相似的微生物群落，并且在较小程度上有着相似的饮食。

他们的第二个发现是，食用不同食物的物种(以及同一物种内的个别动物)往往具有不同的微生物群落。

最后，研究发现，饮食经历了重大季节变化的动物，其微生物群落也往往会经历重大的季节变化。但研究团队惊讶地发现，驯化物种如牛、羊、山羊、驴和骆驼的微生物群落随着季节的变化比野生动物的微生物群落变化更大，甚至与饮食相似的亲缘关系最密切的野生动物相比也是如此。

Kartzinel提出了三个可能的因素来解释家畜和野生动物之间的微生物组差异:驯养、人类牧民引导家畜获得最佳食物和水源，以及夜间在畜栏中保护家畜。他和他的同事们计划精确地探索为什么某些物种的微生物群落对季节变化更敏感。

Kartzinel指出，研究中使用的方法允许进行更深层次的分析。过去，研究人员通过两种方式来研究微生物群落:一些研究人员进行“种间”研究，检查代表不同物种的几种动物的微生物群落——例如，比较绵羊和奶牛的微生物群落。另一些人进行了“物种内研究”，比较了更多来自同一物种的动物的微生物群落——比如，不同季节的动物。然而，由于Kartzinel和他的同事分析了来自同一环境中许多不同物种的个体样本的DNA来测量饮食，因此他们能够同时进行物种间和物种内的研究。

以前的种间研究倾向于发现亲缘关系密切的物种有更多相似的微生物群落，而种内研究发现季节影响动物的微生物群落。目前的研究为这些发现增添了更多的细微差别。

Kartzinel说:“我们发表的研究成果开始将这些发现联系起来，使它们之间的关系不再那么二元。”“例如，季节变化不只是存在或不存在;相反，我们发现反应强烈的微生物群落和反应轻微的微生物群落之间存在一种梯度。”

研究中产生了各种各样的附加问题。例如，微生物组的季节性敏感性是健康的信号还是麻烦的信号?

“你可以想象动物改变它们的饮食和微生物群落，因为它们善于适应环境的变化，”Kartzinel说。“但你也可以想象他们这样做，因为他们压力很大，只是想在环境变化时生存下来。”

更广泛地说，Kartzinel和他的同事们还希望确定哪种因素——饮食或微生物组——对动物的环境更敏感。他说:“同一种植物可以在一个季节为动物提供多汁的果实，而在下一个季节只提供耐嚼的嫩枝——如果动物在两个季节都吃它，我们的方法不会记录下动物饮食的变化，但动物的肠道微生物群会。”

在Mpala研究中心，一只羊正在吃一棵审判植物。研究人员发现，与野生动物相比，绵羊、牛和骆驼等家养动物的饮食和微生物群落变化更大。

Photo by Robert Pringle

他还希望通过实验来确定饮食和微生物群落更替对野生动物健康的重要性。

“在这个不断变化的世界里，草食动物的微生物群的敏感性会帮助它保持健康的饮食吗?””他问道。“或者在动物决定如何生存时，其他的调整和条件会成为先例吗?”也许两者兼而有之。我们讨论的是几种濒临灭绝的物种，以及人们赖以生存的牲畜，所以考虑这些可能性很重要。”

如果微生物组确实对动物的健康和行为产生重大影响，Kartzinel说，那么它可能“影响整个食物网、社区和生态系统，因为它将决定谁能生存，谁不能。”想想就觉得很神奇。”

他补充说，在与更多同事的合作中，该团队开始研究这项研究可能影响人类的可能性。

Kartzinel说:“生物医学领域真正感兴趣的是，我们能否——以及如何——管理人类肠道微生物群，以改善健康、压力和营养。”“加上一整套的研究方法，我们认为这些连接饮食和微生物组的基因方法可以为野生动物生态学家和生物医学研究者提供额外的信息。”

2016年从普林斯顿大学获得生态学和进化生物学学士学位的朱丽安娜·辛(Julianna Hsing)在她的毕业论文中参与了实验室研究。Bianca Brown是布朗大学生态学和进化生物学博士候选人，她对微生物组进行了计算分析。来自肯尼亚国家博物馆的Paul Musili是另一位贡献者。

布朗学院的研究由环境和社会、大自然保护协会的NatureNet奖学金,普林斯顿大学环境学院,普林斯顿大学的自然科学基金为新思想从院长办公室研究中,卡梅伦Schrier基金会,美国国家科学基金会(deb – 1355122、deb – 1457697和ios – 1656527)和研究生研究奖学金计划。

作者凯丽·本森(Kerry Benson)，就职于布朗大学(Brown University)和普林斯顿大学(Princeton University)。