大胃王如何维持“完美”体形？Nature子刊：鲸鱼肠道微生物助力脂质消化

鲸鱼作为海洋中最大的动物，每天捕食吨级的浮游生物和小型猎物，通过消化大量富含油脂的猎物，维持其能量密集型的生活方式，排出对海洋生物化学循环重要的营养物质。因此，鲸鱼对食物的消化反应是海洋食物链中能量、有机物和其他营养物传递的首要基础。那么鲸鱼是怎样消化这些“油腻”的食物的呢？胃肠道微生物这个过程是否起到了重要的作用呢？

为更好地了解这个问题，来自美国伍兹霍尔海洋研究所的研究人员在《The ISME Journal》 （IF=9.493）杂志发表“Coordinated transformation of the gut microbiome and lipidome of bowhead whales provides novel insights into digestion”的研究论文。作者通过组学手段对阿拉斯加爱斯基摩人捕获的38头弓头鲸（Balaena mysitetus）的126个消化道样本的脂类组成和肠道微生物进行了组学分析。结果表明，脂质的消化与鲸鱼胃肠道微生物菌群有很强的相关性。

研究路线

研究结果

鲸鱼肠道的脂质变化与菌群变化显著相关

为了确定鲸鱼肠道微生物群与鲸鱼饮食中脂类消化的关系，作者收集了鲸鱼消化道前胃、小肠、大肠、结肠、回肠等区段的内容物，通过16S扩增子测序分析内容物中微生物种类及丰度情况，通过脂质组学分析脂质在不同消化道区段的变化。对微生物菌群差异及脂质组差异物分析发现，二者间存在极显著的相关性。因此推测，鲸鱼消化道微生物广泛参与了脂质的消化利用过程，且不同区域的微生物对不同脂质的消化作用存在显著差异。

鲸鱼消化道内微生物群落组成和多样性

16S扩增子测序分析发现，鲸鱼胃肠道所有区段的相关细菌中，97%的细菌来自：硬壁菌（64%）、蛋白细菌（16%）、梭杆菌（12%）、拟杆菌（5%）。硬壁菌是胃部的优势菌类，而蛋白细菌和梭杆菌是小肠中的优势菌类，类杆菌是大肠中的优势菌类。胃腔中发现的核心菌群包括梭杆菌、鲸蜡杆菌、消化链球菌、乳球菌等。大肠核心菌群主要是梭状芽孢杆菌目，包括梭状芽孢杆菌、地芽孢杆菌、消化球菌等。综上，消化道不同部位之间微生物的群落变化显著，其中胃、小肠和大肠的群落差异最大，小肠存在明显的区域差异。

鲸鱼消化道内脂质组成和多样性

已有研究表明，鲸鱼可以很好地消化富含高能量脂质的食物，从而提供能量补充或维持体内脂肪储备。为了研究鲸体内脂质成分消化过程，研究人员对鲸鱼胃肠道内容物的脂质组学结果进行了分析，检测到546种脂质，分属于蜡酯、甘油三酯、甾醇及甾醇酯、脂肪酸等八大类。其中，蜡酯和甘油三酯是鲸鱼胃腔内容物的主要脂质成分，表明弓头鲸所摄入食物的主要脂质成分是这两类。而甾醇和甾醇酯等脂质成分在消化道的下段含量急剧增加，尤其是小肠等区段，表明脂质在该区段富集。以上结果表明，蜡酯是弓头鲸胃肠道中最丰富的脂质，其含量随着在消化道向下端移动逐渐降低，因此推测蜡酯很有可能是在小肠的中远端被消化。

鲸鱼对蜡酯的消化

鉴于蜡酯在许多海洋动物的“能源经济”中所起的主要作用，而且数据表明，蜡酯至少储存了全球海洋初级生产产生的一半碳，因此阐明鲸鱼是如何促进这一重要海洋脂质循环过程，是一个非常有意义的课题。基于此，作者分析了鲸鱼消化道不同部位蜡酯含量差异。蜡酯在总脂质占比表明，胃部和十二指肠壶腹（小肠开始时的腔室）中蜡酯类的平均相对丰度最大，整个小肠中蜡酯类的平均相对丰度稳定下降，回肠和近端大肠中蜡酯脂质类的平均相对丰度最低，不同解剖部位蜡酯的相对丰度分布存在显著差异。与第一胃腔中的蜡酯丰度相比，消化道远端之间的相对丰度显著降低50%以上。与近端肠中甘油三酯显著减少不同，蜡酯直到小肠末端才达到最低丰度。因此，无论是因为食用量大还是其化学性质，蜡酯可能需要更多的时间或暴露于小肠的物理化学/生物特性中，以便在头鲸体内消化。另外作者观察到放线杆菌（MED4152）和鲸杆菌属（MED4350）与空肠中的蜡酯丰度相关，暗示这些肠道微生物有助于蜡脂消化。

结论

作者利用转录组学和代谢组学分析，揭示了Se1基因损伤会影响淀粉代谢，导致蔗糖和麦芽糖积累，从而影响玉米的甜味。后期功能验证进一步证实了Se1沉默对皱缩籽粒表型和麦芽糖含量增加的因果效应。碳水化合物，主要是淀粉，是全球谷类作物的重要产品，对农产品的产量和品质均有重大影响，但影响籽粒组成成分和遗传网络的机制还不完全清楚。因此，深入了解淀粉代谢和调控的机理基础，对于满足未来农业和工业的应用需求具有十分重要的意义。