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肠道微生物组抗生素干预研究揭示Mix1显著降低太平洋鲍鱼幼体α多样性（Shannon指数0.83 vs 2.06），促Campylobacterota增殖（52.3% vs 2.9%）并抑制Pseudomonadota（10.3% vs 31.5%），宏转录组分析显示39个差异转录子（如k141_234189）涉及碳水化合物代谢（但anoate）及短链脂肪酸（SCFA）合成通路。本研究为开发gnotobiotic鲍鱼模型提供新策略。
Mi-Jin Choi | Han Kyu Lim
Smart Aqua Farm Convergence Research Institute, Mokpo National University, Muan 58554, 韩国
摘要
本研究探讨了抗生素混合物1（Mix1：氨苄西林600 μg/mL、氯霉素250 μg/mL、头孢噻肟250 μg/mL）、混合物2（Mix2：青霉素-链霉素10,000 U/mL（浓度为10 mL/L）、卡那霉素400 mg/L、两性霉素B 250 μg/mL）以及PVP-I（PVP：聚维酮碘40 mg/L）对太平洋鲍鱼（Haliotis discus hannai）肠道微生物群的影响，旨在为水产养殖研究开发无菌生物模型。将幼鲍鱼分别用Mix1、Mix2、对照组或PVP处理7天后，进行16S rRNA基因测序和宏转录组分析。结果表明，Mix1显著降低了α多样性（Shannon指数：0.83 vs 2.06），增加了Campylobacterota的相对丰度（52.3% vs 2.9%），同时降低了Pseudomonadota的丰度（10.3% vs 31.5%）。β多样性分析显示Mix1处理后微生物群落发生了明显变化，Arcobacter成为优势菌群，而Vibrio和Ilyobacter等属的菌株数量减少。宏转录组分析鉴定出39个差异表达的转录本（DETs），其中4个（k141_234189、k141_680032、k141_155394、k141_665116）与十个KEGG通路相关。值得注意的是，DET k141_234189（编码丙酮酸-铁氧还蛋白/黄素氧化还原酶）的表达下调，提示碳水化合物代谢（包括丁酸代谢）受损，可能导致短链脂肪酸（SCFA）生成减少。总体而言，Mix1选择性简化了微生物群，降低了分类多样性和代谢活性，为无菌鲍鱼模型的开发提供了基础框架。这种方法有助于靶向益生菌的开发、功能性微生物组研究以及改进水产养殖中的疾病管理策略。
引言
水生动物的肠道微生物群在其生命周期中起着关键作用，影响健康、代谢、生长和疾病抵抗力（Clements等，2014；Medina-Félix等，2023；Wang等，2018）。在鲍鱼（腹足纲：Haliotidae）等海洋软体动物中，肠道微生物有助于营养物质的消化和吸收，调节免疫反应，并增强对环境压力的耐受性（Erasmus等，1997；Grandiosa等，2020；Silva-Aciares等，2011；Zhao等，2018）。然而，肠道微生物群的紊乱可能导致疾病爆发，给全球水产养殖带来巨大经济损失（Infante-Villamil等，2021）。因此，了解宿主-微生物群相互作用对于开发提高水产养殖生产力的策略至关重要，包括利用益生菌促进生长和增强疾病抵抗力。
尽管这些相互作用的重要性已被认可，但由于海洋无脊椎动物自身微生物群落的复杂性，相关功能研究仍然有限。为应对这些挑战，研究人员越来越多地使用无菌生物模型——即在无菌条件下饲养或接种特定微生物菌群的生物体——这些模型已成为微生物组研究的强大工具（Gordon和Pesti，1971；Thompson和Trexler，1971）。这类系统提供了可控的环境，有助于研究特定微生物功能，促进靶向益生菌的开发和改进疾病控制策略（Basic和Bleich，2019；Fiebiger等，2016）。
在鱼类（如斑马鱼和虹鳟鱼）中，已通过无菌饲养成功建立了无菌生物模型。该方法包括用抗生素混合物对卵进行灭菌，然后在无菌条件下用高压灭菌饲料饲养幼鱼（Pérez-Pascual等，2021；Pham等，2008）。无菌饲养简化了宿主与微生物之间的相互作用，便于精确分析微生物在先天免疫和代谢中的作用。建立可行的无菌生物模型的关键步骤是开发安全有效的灭菌或消毒方法，以可靠地消除天然微生物，从而专注于研究微生物对宿主生理的影响。
对于海洋软体动物（尤其是鲍鱼）来说，建立无菌生物系统面临独特挑战。与鱼类不同，鲍鱼的卵无法表面灭菌后进行无菌饲养，因为鲍鱼幼体在变态后不久就会用齿舌（一种专门的摄食器官）开始摄食微藻（Johnston等，2005）。这种早期摄食行为使得传统的无菌饲养方法难以维持无菌状态。因此，需要采用替代策略（如抗生素处理）来调控鲍鱼的肠道微生物群。先前的鱼类和无脊椎动物研究表明，抗生素可以诱导特定的微生物变化，降低群落复杂性，并影响微生物群的恢复能力（Kim等，2019；Parker-Graham等，2020），这表明抗生素在无菌生物模型开发中具有潜在应用价值。然而，鲍鱼肠道微生物对抗生素干预的具体分类和功能反应仍很大程度上未被探索。填补这一空白对于理解这种经济价值高的水产养殖物种的微生物组功能以及指导未来益生菌的开发至关重要。
本研究旨在通过研究抗生素处理对太平洋鲍鱼肠道微生物群组成和活性的影响，为建立无菌鲍鱼模型提供基础见解。通过16S核糖体RNA（rRNA）基因测序鉴定细菌分类单元，并通过宏转录组分析研究微生物的功能基因表达。这种综合方法为优化微生物群调控、改善疾病控制、评估益生菌效果以及支持鲍鱼养殖的可持续发展提供了新策略。
实验部分
太平洋鲍鱼的适应
2023年6月从韩国全罗南道万岛郡Gogeum岛的鲍鱼苗场收集了太平洋鲍鱼（Haliotis discus hannai）幼体，平均体重：0.50 ± 0.08 g；平均壳长：14.96 ± 0.84 mm。到达实验室后，将这些幼鱼随机分配到四个15升的养殖箱中（每个箱80只），养殖箱中装有通过0.22 μm滤膜过滤的海水（Corning Inc., Corning, NY, USA）。
不同抗生素处理后太平洋鲍鱼肠道微生物组的测序和分类注释
为了评估不同抗生素处理对促进太平洋鲍鱼肠道微生物群无菌状态的效果，进行了16S rRNA基因测序。比较了对照组和三个实验组之间的微生物组成：(i) 抗生素混合物1（Mix1：氨苄西林600 μg/mL、氯霉素250 μg/mL、头孢噻肟250 μg/mL），(ii) 抗生素混合物2（Mix2：青霉素-链霉素10,000 U/mL（浓度为10 mL/L）、卡那霉素400 mg/L）。
讨论
本研究揭示了抗生素方案如何调节太平洋鲍鱼（H. discus hannai）的肠道微生物群，特别强调了其在开发无菌生物模型中的潜在应用。在三种处理方法中，抗生素混合物1（氨苄西林、氯霉素和头孢噻肟）的效果最为显著。它显著降低了微生物多样性（Shannon指数：0.83 ± 0.39），并通过促进某些微生物群落的增加来简化了微生物群结构。
结论
本研究表明，抗生素混合物1有效简化了太平洋鲍鱼的肠道微生物群，为无菌生物模型的建立提供了明确的微生物基线。该处理显著降低了微生物多样性，并选择性地减少了发酵菌群和短链脂肪酸（SCFA）产生菌群的丰度。宏转录组分析进一步表明，微生物的代谢活动减弱，尤其是在丁酸和丙酮酸代谢途径中。
作者贡献声明
Mi-Jin Choi：撰写初稿、方法学设计、资金获取、概念构思。Han Kyu Lim：撰写、审稿与编辑、实验设计、数据分析。
资金支持
本研究得到了韩国政府资助的国家研究基金会（NRF）（项目编号：RS-2023-00211392）的支持。
未引用参考文献
Bioinformatics, 2011
Louis and Flint, 2009
