《Food Bioscience》：Key Commensal Bacteria and Dietary Components Promoting Faecalibacterium prausnitzii Growth
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郭云|黄攀|王刚|崔树茂|卢文伟|吕晓梅|田佩军|赵建新|陈伟|翟启晓江南大学食品科学与技术学院，中国江苏省无锡市214122摘要Faecalibacterium prausnitzii 是人体肠道中主要的丁酸盐产生菌之一，被广泛认为是肠道健康的指标菌以及有前景的下一代益生菌。然
郭云|黄攀|王刚|崔树茂|卢文伟|吕晓梅|田佩军|赵建新|陈伟|翟启晓
江南大学食品科学与技术学院，中国江苏省无锡市214122
摘要
Faecalibacterium prausnitzii 是人体肠道中主要的丁酸盐产生菌之一，被广泛认为是肠道健康的指标菌以及有前景的下一代益生菌。然而，支持其在肠道生态系统内生长的微生物相互作用和营养因素仍知之甚少。在这项研究中，利用中国肠道微生物组参考（CGMR）队列中3,234人的宏基因组数据构建了一个微生物共现网络，以识别与F. prausnitzii正相关的分类单元。候选菌株通过体外共培养和Transwell系统进行了进一步验证，并结合了短链脂肪酸定量和非靶向代谢组学分析。两种共生细菌Phocaeicola vulgatus和Anaerostipes hadrus显著促进了F. prausnitzii的生长，使其丰度增加了8.55倍。非接触共培养实验表明，这些促进作用是通过可扩散的代谢物而非直接的细胞间相互作用实现的。代谢组学分析和代谢物补充实验进一步确定乙酸、乳酸、脯氨酸、丝氨酸、组氨酸和3-羟基丁酸是促进F. prausnitzii生长的关键代谢物，其中乙酸的效果最为显著。这些发现揭示了肠道共生菌与F. prausnitzii之间的潜在互惠作用，并强调了饮食来源的代谢物在支持其生长中的作用，为开发针对微生物组的营养策略和功能性食品以增加这种有益细菌的丰度提供了见解。
引言
人体胃肠道栖息着一个高度复杂的微生物生态系统，其中的常驻微生物群对维持宿主生理健康至关重要。越来越多的证据表明，饮食成分是塑造肠道微生物组成和代谢活动最重要的因素之一。这些微生物参与了包括免疫调节、营养代谢和上皮屏障防御在内的关键生理过程（Marchesi等人，2016；Segata等人，2013）。肠道微生物稳态的破坏会导致菌群失调，其特征通常是病原菌群的扩张和有益微生物的减少。越来越多的证据表明，菌群失调与各种慢性疾病的发病和发展密切相关（Quévrain等人，2016；Sokol等人，2008）。
在这些有益微生物中，Faecalibacterium prausnitzii被广泛视为下一代益生菌的候选菌，它是主要的丁酸盐生产者，能为结肠细胞提供能量并具有强大的抗炎特性。在健康成年人中，F. prausnitzii约占总粪便微生物群的5%–15%（Cao等人，2014；Lapiere等人，2020；Lenoir等人，2020；Martín等人，2015）。值得注意的是，膳食纤维和其他饮食来源的底物可以被肠道微生物群发酵生成短链脂肪酸，包括丁酸盐，这对肠道健康至关重要。据报道，F. prausnitzii的丰度降低与多种疾病有关，如克罗恩病、溃疡性结肠炎、结直肠癌、肥胖和2型糖尿病（Quévrain等人，2016；Sokol等人，2008）。因此，通过饮食调节或针对微生物组的营养干预来增加F. prausnitzii丰度的策略受到了越来越多的关注。
尽管F. prausnitzii在维持肠道稳态中的作用已被广泛认可，但其在复杂肠道生态系统中的稳定定植和增殖机制仍不甚明了。F. prausnitzii在体外条件下非常挑剔，需要严格的厌氧环境和复杂的营养混合物进行培养（Foditsch等人，2014；Khan等人，2023；Lopez-Siles等人，2012）。早期的分离工作表明，这种细菌无法在标准微生物培养基上生长，需要特定的生长因子，包括乙酸、丁酸盐前体以及某些氨基酸（Barcenilla等人，2000；Hu等人，2022）。尽管有这些严格的要求，F. prausnitzii在人类结肠中的普遍性和相对丰度仍然很高，这表明自然肠道环境提供了单培养无法完全复制的特殊生态支持。体内研究使用无菌动物模型表明，在复杂的微生物群或特定膳食纤维存在的情况下，F. prausnitzii的定植显著增强（Cherbuy等人，2019）。然而，维持F. prausnitzii>在其自然栖息地中的具体细菌伙伴和代谢网络尚未完全阐明。本研究通过系统地识别关键共生细菌及其分泌的代谢物来填补这一空白，这些代谢物在功能上补偿了F. prausnitzii的缺陷性。
随着高通量测序技术的进步，基于宏基因组数据的共现网络分析已成为识别群体水平潜在微生物相互作用的强大方法（Friedman和Alm，2012）。通过挖掘物种间的统计关联，可以筛选出可能影响F. prausnitzii定植的共生细菌。此外，将体外共培养实验与代谢组学分析相结合，可以阐明由饮食来源或微生物群来源的代谢物介导的互惠作用（Hosomi等人，2025；Huus等人，2021）。因此，系统地识别促进F. prausnitzii>生长的共生细菌并阐明这些相互作用背后的代谢机制，对于理解其在肠道中的生态适应以及指导基于微生物组的干预策略的开发至关重要。
基于这些观察结果，本研究结合大规模宏基因组挖掘和实验验证，识别出促进F. prausnitzii>生长的共生细菌。首先，利用3,234名中国人的肠道宏基因组队列，使用SparCC方法构建了一个微生物共现网络，以筛选与F. prausnitzii>显著相关的核心候选细菌。随后，建立了体外共培养系统，进一步筛选和验证能够促进F. prausnitzii>生长的关键物种。最后，通过代谢组学分析与体外功能测定相结合，揭示了潜在的代谢互惠机制。本研究旨在阐明支持F. prausnitzii>生长的微生物生态相互作用，并为基于饮食的微生物组调节和开发针对有益肠道细菌的功能性食品提供理论依据。
章节片段
宏基因组数据预处理
本研究利用了中国肠道微生物组参考（CGMR）数据集（Huang等人，2024），该数据集包含来自中国人群的3,234个肠道宏基因组样本。所有原始测序数据都经过了质量控制和预处理，包括去除低质量序列（质量得分<20）、短读长（<75 bp）和含有模糊碱基的序列。随后，使用bowtie2将过滤后的读长与人类参考基因组（hg19）对齐，以去除宿主来源的序列
中国肠道微生物组中F. prausnitzii的共现网络分析
为了系统研究F. prausnitzii在中国肠道微生物组中的生态关系，本研究整合并分析了3,234个肠道宏基因组样本，共鉴定出1,522个丰度超过1%的物种。随后的共现网络构建显示，该网络包含81个节点，其中43个物种与F. prausnitzii有显著相关性。网络显示F. prausnitzii（黄色节点）处于中心位置
讨论
作为肠道稳态的基石，Faecalibacterium prausnitzii被广泛认为是肠道健康的标志物。因此，旨在增加其体内丰度的策略受到了相当大的关注。然而，将F. prausnitzii转化为传统益生菌受到其极端氧气敏感性和缺乏既定安全性的阻碍，这带来了重大的技术和监管障碍（Khan等人，2012）。因此，基于饮食的
结论
本研究表明，肠道共生细菌可以通过生态相互作用和代谢互惠机制促进F. prausnitzii的生长。特别是，如Phocaeicola vulgatus和A. hadrus这样的共生物种提供了定向的代谢支持，促进了这种关键细菌的增殖。这些发现强调了合作微生物相互作用在维持有益肠道微生物方面的重要性。重要的是，所鉴定的代谢物和微生物
CRediT作者贡献声明
卢文伟：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理。郭云：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、正式分析、数据管理。黄攀：撰写——审稿与编辑、验证、方法学。崔树茂：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法学、资金获取。陈伟：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理。翟启晓：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
数据可用性
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作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
国家自然科学基金（编号：32425044）的支持，以及江苏省前沿技术研发计划[BF2024013]的支持，还得到了江苏省的科学技术计划专项基金BM2022019的支持；MOE医学基础研究创新中心提供了肠道微生物组和慢性
