高原鼠兔肠道菌群组成及功能对苦马豆素化合物的响应

Grassland degradation in Tibetan plateau play key role that causes the population of small mammals to outbreak and damage. The scientific questions how these small mammals deal with the poor quality in diets, overcome the negative nutritional effects of plant second compounds, and promote population densities to increase directly or indirectly were concerned by ecologists for decades. We will test the hypothesis the microbial detoxification in the gut facilitates small mammals to ingest dietary toxins. We first investigated the compositional variations of gut microbiota by conducting metagenomic sequencing on the caecum contents of plateau pikas fed control diets or diets containing swainsonine compounds. Next, we change the diets containing tannin and diterpene compounds respectively, and explore functional diversities of gut microbiota and monitor changes in toxin digestions. Last, we disrupt the microbiota using broad spectrum antibiotics, or transplant the microbiota from experienced individuals into pikas fed control diets. Together, these experiments will present a thorough investigation into the roles of gut microbiota in allowing mammalian herbivores to comsume toxic plants. The primary ovjectives of this study are to examine the effects of plant second compounds on the functions of gut microbiota and try to explain the possible molecular mechanisms of toxin tolerance and diets generalized in small mammals, and further clarify theoretical basis of why grassland degradation leads to pikas outbreaks in the Tibetan Plateau.

草地退化是引起植食性小哺乳动物种群暴发及危害发生最重要的因素。此类动物如何应对低质量食物，克服植物次生化合物的营养副效应，直接或间接影响种群的增长一直是种群生态学和恢复生态学极为关注的问题。本项目以高原鼠兔为对象，通过饲喂苦马豆素化合物，应用宏基因组学和营养生态学技术，构建菌群基因组测序文库、确定功能性分类单元、鉴定各类功能基因，测定主要菌类和各类功能基因相对丰度、菌群组成、多样性指数、短链脂肪酸水平以及纤维素降解速率等，分析苦马豆素对高原鼠兔肠道菌群组成、结构以及功能的影响，探讨高原鼠兔肠道菌群组成及结构变化与功能多样性的关系。验证植物次生化合物可调节动物肠道菌群组成，宿主偏爱选择解毒和耐受能力较高的菌类，从而促进自身对有毒植物消化及吸收的假设。目的在于阐明高原鼠兔利用有毒植物资源和食性泛化的分子机制，为揭示青藏高原小哺乳动物危害发生规律提供必要的理论依据。

草地退化是引起植食性小哺乳动物种群暴发及危害发生最重要的因素。此类动物如何应对低质量食物，克服植物次生化合物的营养副效应，直接或间接影响种群的增长一直是种群生态学和恢复生态学极为关注的问题。本项目以高原鼠兔为对象，通过野外监测、饲喂苦马豆素化合物等实验，应用宏基因组学和营养生态学技术，测定了主要菌类和各类功能基因相对丰度、菌群组成、多样性指数、短链脂肪酸水平等，分析了苦马豆素对高原鼠兔肠道菌群组成、结构以及功能的影响。研究发现，高原鼠兔粪便菌群多样性指数存在明显的季节性差异，冬季显著高于夏季；4月，菌群网络节点和连线显著高于1月；食物是驱动菌群产生季节性动态的关键因素；耐药基因丰度在4月和7月显著高于1月，1月和7月毒力因子相对丰度存在显著的差异。人工饵料可显著降低高原鼠兔肠道菌群多样性，苦马豆素可缓解高脂肪食物对肠道菌群的负效应，促进核心菌群的稳定性。苦马豆素具有维持和恢复肠道菌群网络结构复杂性的作用，提高益生菌类网络关系的链接数量；苦马豆素可提高肠道菌群功能的多样性，恢复氨基酸代谢和感觉系统等通路；高原鼠兔野外种群具有三种肠型，高脂肪食物可降低肠型多样性；苦马豆素具有调节核心菌群丰度和肠型的作用，促进肠型发生转变和适应性恢复。本项目验证了植物次生化合物可调节动物肠道菌群组成，抑制肠道菌群紊乱，提高宿主对有毒植物消化及吸收的假设。通过4年的探索，本项研究基本阐明了高原鼠兔利用有毒植物资源和家畜互惠关系的分子机制，为揭示青藏高原小哺乳动物危害发生规律提供必要的理论依据。