科学家揭秘水豚肠道微生物降解植物多糖的酶机制-医荟园

　　草食动物消化道内的共生微生物群是解聚木质纤维素酶的主要来源。水豚是现存最大的啮齿动物，通常生活于潘塔纳尔湿地和亚马逊盆地，由于其饮食以禾草和水生植物为基础，也被称为“草之王”。它们可以通过微生物共生机制有效地解聚和利用木质纤维素生物量。近日，发表在Nat Commun上的一篇题为“Gut microbiome of the largest living rodent harbors unprecedented enzymatic systems to degrade plant polysaccharides”研究性论文具体研究了水豚为分解膳食纤维其微生物共生群落所采用的酶促策略和代谢途径。

　　研究人员利用16S rRNA基因靶向测序(16S)、元基因组学(MG)、元转录组学(MT)和核磁共振代谢组学(NMR)对水豚肠道菌群进行了综合研究。研究发现，水豚盲肠和直肠的肠道菌群的分类结构主要以细菌为主，而古菌和真菌所占比例较小。微生物群中最丰富的细菌来自厚壁菌门和拟杆菌门，其次是梭杆菌门和变形杆菌门。利用重建元基因组组装基因组（MAGs）发现了一些已知的植物纤维降解菌科(如纤维杆菌科和拟杆菌科)的未知物种或属。水豚肠道菌群的MAGs含有编码碳水酶(CAZymes)基因数量最多的基因，这些基因可能参与了不同半纤维素(包括杂木聚糖)的解聚。这些研究表明，水豚肠道菌群中可能存在尚未开发的、用于植物纤维分解和利用的高性能分子系统。

　　此外，研究发现，纤维杆菌和拟杆菌门是水豚肠道中膳食纤维的主要降解菌。对水豚肠道微生物的CAZyome分析表明，纤维杆菌是纤维素分解的主要驱动因素，而大量的拟杆菌门菌群和CAZymes群则为水豚群落提供了大量的酶学策略，以消化食物中的半纤维素和果胶。

　　研究人员进一步利用整合代谢组学和代谢重建分析研究了这些微生物在游离糖转化成能量中的作用。研究发现，水豚肠道中主要的发酵产物是短链脂肪酸(SCFAs)，而短链脂肪酸是宿主的主要能量来源，说明肠道微生物群在分解植物多糖的同时为宿主产生能量代谢物。此外，研究人员发现了一个β-半乳糖苷酶的糖苷水解酶家族(命名为GH173)和一个碳水化合物结合模块家族(命名为CBM89)，它们参与木聚糖结合，在相关模块之间建立了前所未有的碳水化合物活性酶的三维折叠。

　　总之，这些结果说明了水豚肠道微生物群如何协调植物纤维的解聚和利用，以克服木质纤维素的顽固性，为木质纤维素农用工业材料的高附加值产品开发奠定了基础。

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