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        王德華實驗室發現動物的食糞行為通過影響腸道菌群調控其能量代謝和認知行為

          食糞行為(coprophagy)是指動物取食糞便的行為,在動物中很常見。食糞行為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為來滿足自身對營養的需求。食糞行為除了對于營養物質的重吸收,還可為動物提供必需氨基酸、維生素B、維生素K等。此外,食糞行為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, 中國科學院動物研究所王德華研究組在The ISME Journal上發表了題為“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)的食糞行為對腸道菌群和記憶認知的影響,發現食糞行為可以通過改變腸道菌群而調控能量代謝和認知行為。這是該研究組在繼揭示動物的聚群行為(huddling)可影響腸道菌群進而調節能量代謝和產熱 (Zhang et al. 2018 Microbiome)和腸道菌群通過影響腦-腸軸與去甲腎上腺素互作以調節褐色脂肪組織 (brown adipose tissue) 產熱(Bo et al. 2019, ISME J)的研究之后的又一項關于野生動物腸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嚙齒動物,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為。食糞行為對于維持布氏田鼠的能量平衡狀態是很重要的。食糞行為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為如何影響宿主的腸道菌群,通過影響腸道菌群又會產生哪些生理效應?

          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為。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,發現禁止食糞行為降低了田鼠腸道菌群的α多樣性,改變了細菌的豐富度,擬桿菌門(Bacteroidetes)增加而厚壁菌門(Firmicutes)降低。當恢復動物的食糞行為后,其腸道菌群的結構和組成也隨之恢復(圖1)。

        圖1. 限制食糞行為可影響布氏田鼠的腸道菌群。0 week,4weeks 和8 weeks是動物正常食糞時期,2 weeks 和 6 weeks 是限制動物食糞時期。

          進一步研究發現,限制食糞行為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羥化酶含量以及多巴胺和5-羥色胺等神經遞質含量下降。有趣的是限制食糞行為也影響動物的認知行為,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),發現限制食糞行為后田鼠的認知能力會受到損傷(圖2)。

          為了確定限制食糞行為引起布氏田鼠記憶和認知水平的下降是否與腸道菌群有關,通過給限制食糞行為的動物補加乙酸鹽(一種腸道菌群的主要代謝產物),結果發現其可明顯改善布氏田鼠由于限制食糞行為而引起的認知障礙,下丘腦和海馬體中神經遞質的含量也隨之增加 (圖2)。

        圖2. 行為學實驗結果:Y-迷宮、新異物識別、社會識別。補充乙酸鹽可改善限制食糞行為造成的認知障礙。

          該項研究以布氏田鼠的食糞行為為核心,首次將食糞行為與腸道菌群和動物的認知水平聯系起來,發現了動物通過食糞行為可以補充腸道菌群,保持田鼠核心菌群的穩定,增加代謝產物和維持動物的能量平衡,有利于動物維持正常的記憶和認知水平 (圖3)。

          中國科學院動物研究所農業蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室動物生理生態學研究組博士研究生薄亭貝和副研究員張學英為論文的共同第一作者,王德華研究員為論文的通訊作者,研究生聞靖和田雙杰參與了部分工作。該研究得到了國家自然科學基金和北京市自然科學基金的資助。

        圖3. 限制食糞行為影響布氏田鼠的腸道菌群和認知水平,補充乙酸鹽可以彌補限制食糞行為對田鼠造成的負面影響。

          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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