冬眠背景下蝙蝠与其肠道微生物共生关系研究

Animal and its gut microbiota are a textbook example of mutualism between species. The gut microbiota are often affected by animal's behaviors (e.g. feeding strategies). Hibernation is a common biological phenomenon, which has a wide distribution in mammals. Comparative studies using 16S amplicon sequencing suggest that hibernation can alter the diversity and composition of mammals' gut microbiota. However, lack of functional annotation and pathway analysis makes it difficult to find the association between gut microbiota variations and hibernation physiology of its host, which limits the knowledge about the another important aspect of this mutualism, i.e., the effects of gut microbiota variations on its host. Bats are representative groups of hibernating mammals. In this study, we plan to apply 16S amplicon sequencing and metagenome sequencing, combining with comparative analyses of blood metabolin between active and torpid bats, to analyze the effects of bats' hibernation on their gut microbiota and the association between gut microbiota variations and hibernation physiology of its host. Moreover, experiments that transplanting the gut microbiota of active/torpid bats into germ-free mouses will be further conducted to verify the effects of gut microbiota variations on its host. Finally, the effects of hibernation on the mutualism between bats and their gut microbiota can be globally interpreted.

动物与其肠道微生物之间的互利共生关系是一种经典的共生关系。动物的行为（如食性选择）常常会影响其肠道微生物。冬眠是一种普遍的生物学现象，在哺乳动物中广泛存在。利用16S扩增子测序进行的比较研究表明哺乳动物的冬眠行为会导致其肠道微生物群落发生季节性变化，但由于缺乏对肠道微生物的功能注释及代谢通路分析，无法将肠道微生物的变化和宿主的冬眠生理进行关联，这就限制了对该共生关系中另一重要方面——肠道微生物变化对宿主的影响的认知。蝙蝠是冬眠哺乳动物的代表类群，本研究拟采用16S扩增子测序、宏基因组测序相结合的方法，同时结合活跃期和冬眠期蝙蝠血液代谢物分析，在分析蝙蝠冬眠行为对其肠道微生物造成影响的同时，分析微生物变化和宿主的冬眠生理间的关系。进一步通过对无菌小鼠进行活跃/冬眠期蝙蝠肠道微生物移植实验，在功能上验证微生物变化对于宿主的影响。从而全面的阐释冬眠对蝙蝠与其肠道微生物之间共生关系产生的影响。

本研究中，我们利用16S扩增子测序的方法测量了不同时期马铁菊头蝠的肠道微生物的多样性和组成，并利用PICRUSt功能预测与宏基因组学相结合的方法对蝙蝠肠道微生物的功能进行了研究。主要结果如下：. 对马铁菊头蝠四个时期5个组（春季早期、夏季早期、夏末秋初期、冬季早期冬眠状态和冬季早期觉醒状态），共39个肠道内容物样品进行了16S扩增子测序，从39只马铁菊头蝠采集的肠道内容物中，共测出来自23个门，45个纲，87个目，158个科，263个属的细菌。我们发现马铁菊头蝠肠道微生物的多样性和组成发生了季节性的变化，多样性夏末秋初期最高，夏季早期最低。变形菌门的相对丰度在夏季早期最高，其他时期显著降低。厚壁菌门的相对丰度在夏季早期最低，夏末秋初期显著增加，随后在冬季早期和春季早期显著降低。无壁菌门的相对丰度春季早期显著高于其他时期。PICRUSt功能预测表明，大多数微生物分类群功能的相对丰度随着季节发生了显著变化，尤其是代谢相关功能类群的相对丰度，包括脂质代谢、碳水化合物代谢、氨基酸代谢和能量代谢等。 . 对马铁菊头蝠四个时期共12个肠道内容物样本进行宏基因组测序，结果显示蝙蝠的肠道微生物所参与的一些功能类群在各个时期的相对丰度存在显著差异。其中不饱和脂肪酸合成功能类群的相对丰度在夏末秋初期最高，在其他时期丰度极低；而参与糖类（硫酸角质素）生物合成的功能类群相对丰度在冬季早期丰度最高，在其他时期丰度极低；参与鞘脂代谢的功能类群同样在冬季早期相对丰度最高，在其他时期较低；此外，起到基础转录因子作用的功能类群在冬季早期丰度极低，而在其他三个时期都有较高丰度。表明蝙蝠肠道微生物功能发生与宿主冬眠生理相适应的改变。. 以上结果表明，冬眠蝙蝠肠道微生物多样性、组成及功能都会随冬眠周期发生改变，这种变化是肠道微生物对蝙蝠肠道内环境改变的一种适应，同时也是肠道微生物协助宿主完成冬眠过程的途径。我们的研究在分子水平阐释了冬眠蝙蝠与其肠道微生物的共生关系。