利用粪便菌群移植技术（FMT）改善圈养大熊猫肠道菌群结构的研究

In previous studies, we have reported that despite living on a bamboo-dominated diet, the captive giant panda harbors a carnivore-like gut microbiota, and the digestion efficiency of cellulose and hemicelluloses was significantly lower than herbivores. This may have unintended negative consequences on the work of re-introduction of captive giant pandas into the wild. In the study of gut microbiota of wild and captive giant pandas, we have found that the gut community structure and function was significantly different in the wild and captive giant pandas, Pseudomonas which has the potential to degrade lignocellulose was the most abundant genus detected in wild giant pandas, and Streptococcus and Escherichia/Shigella, without the ability to degrade lignocellulose, were the most abundant genera in captive giant pandas. Fecal microbiome diversity of captive giant pandas was significantly lower than those of the wild giant pandas. Additionally, captive giant pandas also had reduced functional potential for cellulose and hemicelluloses degradation. On this basis, we plan to improve the gut bacteria community structure and function of captive giant pandas by fecal microbiota transplant. The result is expected to open up a new way of thinking for the conservation of giant pandas and other endangered animals.

我们先前的研究发现：尽管以竹子作为主要饮食，圈养大熊猫依然保留着一套典型的肉食动物肠道菌群，纤维素和半纤维消化效率显著低于草食动物。这可能会对目前开展的圈养大熊猫野外放归计划带来不利的影响。我们针对野外和圈养大熊猫的研究进一步揭示野外和圈养大熊猫肠道菌群群落结构和功能显著不同，野外大熊猫肠道优势菌群为具有木质纤维素降解潜能的Pseudomonas属，而圈养大熊猫优势菌群（Streptococcus、Escherichia/Shigella）不具有降解木质纤维素的功能，野外大熊猫肠道菌群多样性、纤维素及半纤维素降解基因丰度显著高于圈养大熊猫。在此基础上，本项目拟通过移植野外大熊猫粪便菌群来改善圈养大熊猫肠道菌群结构和功能，从而帮助圈养大熊猫在放归野外后能适应野外的环境和饮食。本研究成果有望为大熊猫和其他濒危动物的保护工作开辟一种新的思路。

大熊猫基因组中缺乏编码降解竹子相关酶的基因，肠道菌群代谢竹子被认为是大熊猫获取营养的主要方式。尽管相关研究已证实大熊猫肠道菌群具有降解纤维素、半纤维素的作用，但是圈养大熊猫肠道降解纤维素、半纤维素效率较低，基于此，本项目拟揭示大熊猫肠道菌群降解竹子中另一重要成分-木质素的潜能和具体机制，并探索移植野外大熊猫菌群至圈养大熊猫肠道以提高其对竹子消化率的可能。项目首先通过分析大熊猫及不同动物肠道宏基因组以明确野外大熊猫肠道菌群是否富集木质素及其衍生物代谢相关的通路，接着对野外大熊猫肠道具有降解木质素作用的菌株进行分离、鉴定及功能研究，最后将假单胞杆菌移植至小鼠体内后验证其是否能够显著提高小鼠降解竹子的效率。研究结果发现野外大熊猫肠道菌群显著富集木质素衍生物降解重要代谢通路β-酮二酸途径的儿茶酚、β酮己二酸途径的原儿茶酸及龙胆酸通路，通过单菌基因组解析发现这些木质素衍生物代谢相关的基因主要来自野外大熊猫肠道优势菌属假单胞杆菌，体外实验进一步发现野外大熊猫肠道优势菌属假单胞杆菌具有较强降解木质素的作用，其通过β-酮二酸途径的儿茶酚、β酮己二酸途径的原儿茶酸及龙胆酸通路产生的乙酰辅酶A、琥珀酰辅酶A和延胡索酸可以由大熊猫肠道吸收后用于自身合成代谢，这可能是大熊猫获取营养的潜在机制，此外，移植假单胞杆菌至小鼠体内能够提高小鼠对竹子饮食的消化率。本项目首次清晰揭示大熊猫利用木质素完整代谢通路，理论上更新大熊猫肠道菌群经木质素代谢途径适应竹子饮食的新机制，同时，为通过移植野外菌群改善大熊猫对竹子饮食的适应性提供了充足的理论基础，从肠道菌群的视觉为大熊猫保护工作开辟一种新的思路，也为其他濒危物种的保护工作提供借鉴。