刺参(Apostichopus japonicus)是我国重要的海水养殖品种,在养殖过程中个体生长存在显著性差异,部分个体出现生长迟缓,甚至生长停滞的现象,严重阻碍了其养殖产业的发展。肠道菌群及其代谢产物在宿主生长发育方面发挥着重要作用,是引起刺参生长差异的潜在因素。为解析肠道菌群对刺参生长差异影响的机理,本研究选择同家系生长显著差异的刺参为研究对象,基于微生物组测序技术及转录组和代谢组学分析,解析生长差异刺参肠道菌群结构及功能特征,鉴定对宿主生长代谢影响显著的功能细菌和代谢产物,构建肠道菌群与宿主共代谢调控网络,查明肠道菌群如何通过自身代谢及与宿主共代谢影响宿主的代谢状态,阐释肠道菌群-宿主共代谢-生长机能三者间的相关性,旨为以肠道菌群为靶点,优化肠道菌群结构,探索提高养殖产量的微生态调控途径提供一定的理论依据。主要研究内容www.selleck.cn/products/ch-223191及结论如下:1、生长差异刺参肠道组织切片观察选取同家系体重无差异(P>0.05)的刺参在相同环境下进行养殖,1年后观察其体重变化,并对在无菌条件下解剖其肠道,经HE染色后进行组织切片学研究。结果显示,养殖1年后刺参特定生长率(SGR)出现显著差异,选取SGR占比前5%个体作为速生组(FG),后5%个体作为慢生组(SG)。组织切片结果显示,FG组肠道粘膜层高度显著高于SG组(P<0.05)FG组肠道粘膜层高度是慢生组的1.4～1.6倍。结果表明,相同养殖环境下刺参会出现显著的生长差异现象,速生刺参黏膜层高度的增加可增强其对营养物质的吸收能力,因而表现出优异的生长性能。2、生长差异刺参肠道菌群结构与功能特征研究利用微生物组测序技术,解析生长差异刺参肠道菌群结构功能特征,筛选与刺参生长密切相关的特异性菌群。结果显示,速生组(FG)与慢生组(SG)肠道菌群种类组成基本相似。其中,两组优势菌门均为拟杆菌及为变形菌门;FG组第一优势菌属为Lutibacter,次优势菌属为Aquibacter、Sedimentitalea与芽孢杆菌(Bacillus)。SG组优势菌属则隶属于Sedimentitalea、Bacteroides及Lutibacter。两组差异性最大的细菌门类主要隶属于拟杆菌门和Epsilonbacteraeota,且均为FG组的差异性菌群。属水平上,FG组差异性菌群主要为Lutibacter及芽孢杆菌,SG组差异性菌群主要为Ambiguous＿taxa及Pseudomonas。值得注意的是,本研究中FG组差异菌属Lutibacter及芽孢杆菌已被证实与多糖代谢和脂质代谢相关。KEGG代谢通路富集分析结果显示,两组刺参肠道菌群共获得5453个ko,可注释到307条三级代谢通路,其中差异性三级代谢通路有28条(LDA>2),可聚集到24条二级代谢通路及5条一级代谢通路中。其中,FG组差异三级代谢通路主要为淀粉和蔗糖代谢、鞘脂类代谢和丙酸代谢等;SG组差异三级代谢通路主要为ABC转运、双组分系统及群体感应等。二级代谢通路中,FG组差异代谢通路为碳水化合物代谢、多糖的生物合成和代谢、脂质代谢等;SG组差异代谢通路为膜运输、信号传导及细胞运动。FG组和SG组富集的一级代谢通路种类相同,但相对丰度存在显著差异。其中,FG组差异性一级代谢通路主要为代谢,而SG组差异性一级代谢通路为环境信息获取。本研究表明,FG组刺参肠道菌群功能主要富集在脂肪、碳水化合物和糖代谢相关通路中。3、生长差异刺参基因调控分析对生长差异刺参肠道组织利用RNA-seq测序技术进行转录组测序,构建生长差异刺参基因www.selleck.cn/products/BafilomycinA1表达谱,筛选差异表达基因和富集的代谢通路。通过比较得到2610个差异基因,包括1368个上调基因和1242个下调基因。对差异表达基因进行KEGG聚类分析,生长差异刺参存在2610条差异表达基因,分布在33条二级代谢通路中。差异表达基因主要富集在脂质代谢、氨基酸代谢、碳水化合物代谢、信号传导及免疫系统方面。在代谢信号通路中,脂质代谢显著上调基因包含丙酮酸激酶(PK)、细胞色素P450酶(CYP2J3)、三磷酸甘油脱氢酶(PGP)等;碳水化合物代谢包含下调基因磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1(PCK1)、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶2(PCK2),上调基因己糖激酶(HK);氨基酸代谢显著上调基因包含同型半胱氨酸S-甲基转移酶1(bhmt)与鸟氨酸脱羧酶1(ODC1)等。在信号传导通路中,包含显著上调基因胰岛素样生长因子1(IGF-1)及成纤维细胞生长因子4(FGFR4)。结果表明,PK、HK、IGF-1与FGFR4对刺参生长、糖代谢与脂代谢有正向调控作用,可筛选作为刺参生长差异关键基因存在。4、生长差异刺参代谢表型分析基于非靶向代谢组学解析生长差异刺参肠道差异代谢物及其富集的代谢通路,构建生长差异刺参代谢网络,探究生长差异刺参肠道代谢表型特征。研究共筛选出155个差异代谢物,其中135个代谢物上调,20个代谢物下调。花生四烯酸(AA)、油酸、甘油二脂(DG)、磷酸二羟丙酮、6-磷酸果糖及糊精等代谢物均显著上调。对羟基苯已酸、2-苯基乙酰胺和5-苯基-1,3-恶嗪烷-2,4-二酮在SG组中显著上调。基于KEGG Pathway数据库注释,共筛选出17条差异代谢通路。其中有8个差异代谢物富集在甘油磷脂代谢,7个差异代谢物富集在花生四烯酸代谢,5个差异代谢物富集在鞘脂类代谢中。本研究表明,FG组刺参肠道差异代谢物主要集中在生长功能方面,代谢物的差异表达使FG组刺参表现出更优异的生长性能,可为刺参肠道菌群-宿主共代谢-生长机能相关性研究奠定理论基础。5、生长差异刺参肠道菌群-宿主共代谢-生长机能研究结合多组学数据,计算肠道菌群、差异基因与代谢物间相关性,鉴定对宿主生长代谢影响显著的功能细菌和表达基因,阐释肠道菌群-宿主共代谢-生长机能三者间的相关性。结果显示,速生刺参肠道差异菌群Lutibacter及芽孢杆菌与宿主生长关键调控基因PK、HK、PCK1及IGF-1等存在显著相关性,差异代谢物(6-磷酸果糖、磷酸二羟丙酮、花生四烯酸、油酸等不饱和脂肪酸)与差异基因(PCK1、PK、IGF-1、HK等)存在显著相关性。差异基因和差异代谢物参与代谢和细胞过程的相关代谢通路,主要集中在脂质代谢和碳水化合物代谢中。共有8个代谢物,100个基因参与了磷酸鞘脂代谢;7个代谢物,76个基因参与了花生四烯酸代谢;5个代谢物,45个基因集中在不饱和脂肪酸的生物合成。研究表明,与FG组刺参肠道差异菌群相关的关键候选基因与代谢信号传导通路有关,可以通过影响关键基因的表达介导PI3K-Akt信号通路、糖代谢及脂代谢通路,进而影响机体代谢表型,最终导致刺参产生生长性能上的差异。6、刺参肠粪菌群活体移植实验开展刺参肠粪菌群活体移植实验,建立肠道菌群和刺参体重的因果关系,创新性探讨刺参肠粪菌群活体移植的可行性。选取600只体重为5g的刺参幼体,平均分为2组。其中,定期收集FG组刺参粪便拌于饲料中投喂的刺参幼体,设为肠粪菌群移植组(BMG);投喂未添加FG组刺参粪便的刺参幼体,设为对照组(MG)。相同条件下饲养5周后,肠粪菌群移植组刺参(BMG)和对照组刺参(MGbiotin protein ligase)体重未出现显著性差异。16S r RNA高通量测序结果显示,两组优势菌门均在变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidota)和放线菌门(Actinobacteriota)中存在,相对丰度占比之和高达95%以上。两组主要优势菌属相似,均为Raistonia、Escherichia-Shigella和Lactobacillus等。两组间的差异菌群主要以罗尔斯通氏菌(Ralstonia)为代表。基于KEGG数据库注释,两组刺参肠道菌群在三级代谢通路上均无显著性差异。本研究中,肠粪菌群移植实验组刺参并未展示出高生长性能,且未检测到FG组刺参肠道中的差异菌群。肠粪菌群移植未成功的原因可能是由于FG组刺参关键促生菌群离体后已失活,或菌种浓度尚未达到可以再新受体中成功定植的含量,刺参肠粪移植手段和途径尚有待于进一步深入探究。