王德華實驗室發現動物的食糞行爲通過影響腸道菌群調控其能量代謝和認知行爲

  食糞行爲(coprophagy)是指動物取食糞便的行爲,在動物中很常見。食糞行爲包括取食自己的糞便和其它動物的糞便(種內的和種間的)。許多小型哺乳動物會通過食糞行爲來滿足自身對營養的需求。食糞行爲除了對于營養物質的重吸收,還可爲動物提供必需氨基酸、維生素B、維生素K等。此外,食糞行爲還可以幫助食草動物獲取必要的腸道菌群,保持腸道菌群的多樣性和功能。

  2020年7月6日, 大拇指棋牌王德华研究组在The ISME Journal上发表了题为“Coprophagy prevention alters microbiome, metabolism, neurochemistry and cognitive behavior in a small mammal” (https://doi.org/10.1038/s41396-020-0711-6)的文章,揭示了小型哺乳動物布氏田鼠(Lasiopodomys brandtii)的食粪行为对肠道菌群和记忆认知的影响,发现食粪行为可以通过改变肠道菌群而调控能量代谢和认知行为。这是该研究组在继揭示动物的聚群行为(huddling)可影响肠道菌群进而调节能量代谢和产热 (Zhang et al. 2018 Microbiome)和肠道菌群通过影响脑-肠轴与去甲肾上腺素互作以调节褐色脂肪组织 (brown adipose tissue) 产热(Bo et al. 2019, ISME J)的研究之后的又一项关于野生动物肠道菌群生理功能的研究成果。

  棲息在內蒙古典型草原區的布氏田鼠屬于嚴格的植食性小型齧齒動物,王德華研究組以前的研究發現布氏田鼠具有發達的盲腸和結腸,具有結腸分離機制和規律性的食糞行爲。食糞行爲對于維持布氏田鼠的能量平衡狀態是很重要的。食糞行爲還可以幫助動物獲取糞便中的微生物,保持動物腸道菌群的平衡。一個有趣的問題是食糞行爲如何影響宿主的腸道菌群,通過影響腸道菌群又會産生哪些生理效應?

  在這項最新的研究中,他們通過給布氏田鼠佩戴塑料脖套(防止動物的口接觸肛門),同時在鼠籠底部增加鐵絲網,以限制布氏田鼠的食糞行爲。通過測定布氏田鼠腸道微生物群落結構、能量代謝和認知能力的變化,發現禁止食糞行爲降低了田鼠腸道菌群的α多樣性,改變了細菌的豐富度,擬杆菌門(Bacteroidetes)增加而厚壁菌門(Firmicutes)降低。當恢複動物的食糞行爲後,其腸道菌群的結構和組成也隨之恢複(圖1)。

图1. 限制食粪行为可影响布氏田鼠的肠道菌群。0 week,4weeks 和8 weeks是动物正常食粪时期,2 weeks 和 6 weeks 是限制动物食粪时期。

  進一步研究發現,限制食糞行爲會導致動物的很多生理特征的變化,如食物攝入量增加,但體重降低,盲腸內容物短鏈脂肪酸含量降低(尤其是乙酸、丙酸和丁酸)、胃饑餓素增加,甲狀腺激素T3水平、下丘腦和海馬體中酪氨酸羟化酶含量以及多巴胺和5-羟色胺等神經遞質含量下降。有趣的是限制食糞行爲也影響動物的認知行爲,通過對田鼠的記憶和認知水平進行一系列實驗測定(如Y-迷宮、異物識別、個體識別等),發現限制食糞行爲後田鼠的認知能力會受到損傷(圖2)。

  为了确定限制食粪行为引起布氏田鼠记忆和认知水平的下降是否与肠道菌群有关,通过给限制食粪行为的动物补加乙酸盐(一种肠道菌群的主要代谢产物),结果发现其可明显改善布氏田鼠由于限制食粪行为而引起的认知障碍,下丘脑和海马体中神经递质的含量也随之增加 (图2)。

图2. 行为学实验结果:Y-迷宫、新异物识别、社会识别。补充乙酸盐可改善限制食粪行为造成的认知障碍。

  该项研究以布氏田鼠的食粪行为为核心,首次将食粪行为与肠道菌群和动物的认知水平联系起来,发现了动物通过食粪行为可以补充肠道菌群,保持田鼠核心菌群的稳定,增加代谢产物和维持动物的能量平衡,有利于动物维持正常的记忆和认知水平 (图3)。

  大拇指棋牌農業蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室动物生理生态学研究组博士研究生薄亭贝和副研究員张学英为論文的共同第一作者,王德华研究員为論文的通讯作者,研究生闻靖和田双杰参与了部分工作。该研究得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。

图3. 限制食粪行为影响布氏田鼠的肠道菌群和认知水平,补充乙酸盐可以弥补限制食粪行为对田鼠造成的负面影响。

  文章鏈接: Bo Ting-Bei, Zhang Xue-Ying, Kevin D. Kohl, Wen Jing, Tian Shuang-Jie and De-Hua Wang. 2020 . Coprophagy prevention alters microbiome, metabolism, neurochemistry, and cognitive behavior in a small mammal. The ISME Journal (https://doi.org/10.1038/s41396-020-0711-6)

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