梭菌及其它肠道菌群对大熊猫食性转换期高纤维素性食物的适应性机制研究

The giant panda is a great precious animal only in our country, and its main food is bamboo. As vegetarian of carnivore, whose digesting high-fiber food, experienced a long evolution process. But here is no evidence can prove that the giant panda has the encoded enzyme gene of digesting cellulose in itself. Instead, it has been discovered that the Clostridium of adult giant panda's intestinal flora plays an important role in digesting cellulose and hemi-cellulose. The diet transition is a very important period that the main diet of sub-adult panda is from high protein to high cellulose, and the key growing period to adapting high cellulose diet. This project intends to use the metagenomics and high-throughput sequencing technology to comprehensive analysis the structure and diversity of intestinal Clostridium and other flora, in order to reveal the adaptive regulatory mechanism of giant panda on high-fiber food, understand the functional adaptable relationship between giant panda's intestinal flora and their host. The research results will provide important basic data for improving the digestion and utilization on bamboo food, and the reproduction, protection and reintroduction projects of the giant panda.

大熊猫是我国特有的珍稀物种，以竹类为主要食物。作为食肉目中的素食者，其消化高纤维素性食物经历了一个漫长的进化过程。但已有研究表明，大熊猫基因组中并没有编码消化纤维素的酶类基因，而成年大熊猫肠道菌群中的梭菌对消化纤维素与半纤维素发挥了重要作用。食性转换期是亚成体大熊猫由高蛋白食物向以竹类为主食的转化过程，是大熊猫一生中适应高纤维素食物的最关键生长期。因此本项目拟采用肠道细菌宏基因组学及高通量测序技术，对这一时期的肠道梭菌及其它菌群的构成与多样性进行全面解析，以期揭示大熊猫对高纤维素性食物的适应性调控机制，深入认识大熊猫肠道菌群与宿主的功能性适应关系。研究成果将为提高大熊猫对竹类食物的消化利用率以及大熊猫的种群繁衍、保护和野外放归工程提供重要基础资料。

肠道微生物在营养、代谢和其他方面与宿主密切相关，这对于濒临灭绝的大熊猫来说尤为重要。研究大熊猫肠道菌群功能的一个关键阶段是食性转换期。在这个时期（一般为0.5岁至2岁），大熊猫的主要饮食结构由母乳逐渐变化为竹类，对大熊猫适应高纤维食物的具有特殊的意义。在这项研究中，我们利用宏基因组学、宏转录组学以及生物信息学方法对处于食性转换期的3只0.5~1岁和3只1.5~2岁大熊猫肠道微生物群的组成结构、功能和变化趋势进行了研究。我们还分离了至少34株芽孢杆菌，对这些细菌的种类、纤维素分解能力、抗微生物作用和常用抗生素药物敏感性等生物学特性进行了研究，并对模式菌株枯草芽孢杆菌HH2株的高纤维环境转录适应机制进行了深入研究，从另一方面来研究肠道菌群对食性转换期大熊猫的益生作用，以作为测序研究结果的补充。.通过多组学测序和生物信息学分析，我们对食性转换期大熊猫肠道菌群有了更深入的了解：第一，这一时期大熊猫肠道菌群主要由厚壁菌门和变形菌门组成，乳杆菌（0.5岁时）、梭菌和埃希氏菌是主要的功能细菌。第二，我们证实了GH基因在大熊猫肠道菌群中广泛存在，这些基因的转录调节对细菌的适应食物中竹子的增加起到了重要的作用。第三，季节是影响大熊猫肠道群落结构的主要因素之一。这可能是由于不同季节竹子和其他食物的营养成分不同导致的，也可能是由于季节影响了大熊猫的采食习惯。第四，大熊猫肠道菌群在食性转换期之间朝着结构更稳定、多样性更低、专一性更强的微生态结构发展。GH基因对大熊猫肠道菌群适应食性转换期中的选择压力起到了重要的作用。第五，由于能够分解纤维素、分泌抗菌肽等优势，芽孢杆菌尤其是枯草芽孢杆菌可以作为今后大熊猫益生菌的候选菌株或育种的方向之一，以帮助食性转换期大熊猫更好地适应高纤维食物的转变。.我们的研究结果表明，随着高纤维食物的增加大熊猫肠道中产生了一种选择压力，以增加含有GH基因、能够分解纤维素的细菌的比例同时筛选不能够适应高纤维环境的细菌。因此，大熊猫和它的肠道菌群在对竹子的消化中产生了一种非常有效的合作机制。