综述 | Cell子刊：植物和动物王国的微生物与宿主营养
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导 读
植物和动物均各自进化出专门用于获取营养物质的器官，这些器官具有特定的细菌群落可扩展宿主的新陈代谢。而动物肠道和植物根系微生物的群落结构如何？推动群落建立和组成的主要因素是什么？肠道和植物微生物群的功能是什么？作者结合最新研究对以上问题进行了综述。
论文ID
原名：Microbiota and Host Nutrition across Plant and Animal Kingdoms
译名：植物和动物王国的微生物与宿主营养
期刊：Cell Host & Microbe
IF：17.872
发表时间：2015.05
通信作者：Ste´phane Hacquard
通信作者单位：University of California San Diego
综述内容
一、脊椎动物肠道和植物根系的生理功能
脊椎动物的肠道和植物根在动植物王国中独立进化，但在养分吸收方面具有相似的基本生理功能（图1）。植物和动物营养模式之间的一个主要区别是独特的能量生产策略。植物是自养生物，通过光合作用产生自己的能量（碳水化合物光合同化物），而动物完全依赖于其他生物体（异养生物）最初捕获的能量。根系支持植物生长的营养物质主要是从土壤中吸收矿物离子和水。而哺乳动物肠道除了离子以外还摄取单糖，氨基酸，脂质和维生素。它通常被划分为低微生物量的区域（人小肠，SI吸收宿主酶活性产物），以及吸收微生物源发酵产物（人类大肠或后肠，LI）的区域。
对于植物和动物来说，土壤营养补充剂和膳食摄入量的很大一部分是不能利用的。植物生长和土壤生产力的关键营养素是氮和磷，然而植物根系只能吸收无机氮和磷酸盐（Pi）。 适应中性或更高pH值土壤的植物种类，优先选择硝酸盐。在森林或北极苔原中适应低pH值（减少土壤）的植物吸收铵或氨基酸。同样，正常人类膳食摄入量的一小部分不能被消化，这些不易消化的成分中含有不能被哺乳动物水解酶分解的键，包括植物细胞壁成分，如纤维素，半纤维素，木聚糖和果胶，以及某些多糖，如β-葡聚糖，菊粉和低聚糖。
图1 植物根和人体肠道对营养吸收的生理功能，微生物组成的空间方面以及推动群落建立的因素。（A和B）植物根系微生物群（A）和人肠道微生物群（B）的空间划分。 上图：指示主要营养通量，以及与细菌密度相关的pH和氧梯度。 下图：微生物群沿肠道内腔上皮细胞或沿着根系土壤- 内层连续体的区域划分。 每个区域，细菌密度，细菌多样性和主要的代表性门都代表肠道和根系器官。 在这些不同的区域中推动群落建立的主要因素用黑色条纹描绘。
植物根和动物肠道被不同的微生物类定殖，包括细菌和古细菌，真菌，卵菌以及病毒（表1）。这些群落为宿主提供了很多潜在的功能，被视为宿主的扩展基因组。作者主要研究细菌微生物群，因为已证明这些微生物群在具有明确功能的动物个体中可以形成可复制的分类组合。
表1 通过宏基因组学研究分配给每个生命王国的鸟枪宏基因组读数的百分比
在植物根系中，微生物群通过增加土壤养分的生物利用度动员和提供养分。非营养功能有增加宿主对生物胁迫以及可能的非生物胁迫的耐受性。还可以通过影响开花可塑性影响植物健康。
肠道微生物群在宿主营养中也起主要作用。它通过将难消化的多糖发酵成结肠中的短链脂肪酸（SCFAs）而为宿主提供营养和能量。肠道微生物群为宿主提供必需的维生素，并调节肠上皮细胞的吸收能力。肠和根微生物群的另一个共同特征是它们的保护作用，可通过竞争性排除机会性病原体的侵袭。
微生物- 微生物和宿主- 微生物相互作用之间的稳态平衡对于健康的宿主- 微生物群关系至关重要。通过扰动肠道或植物微生物群组成（微生物生态失调）来改变这种平衡可能是疾病的一个重要机制。在植物中，土壤微生物可能通过竞争植物源养分和产生抗菌化合物等机制使植物保持健康状态。在动物肠道中，共生微生物还可以通过分泌抗微生物化合物，改变局部pH或刺激宿主免疫来抑制病原体入侵。
二、肠道和根系微生物区系的划分
肠道和根系中都存在相关的生物和非生物梯度，导致微生物区室化（图1）。
沿着土壤根系连续体，可以区分为四个区室：土壤，根际，根面和根内生（图1A）。土壤中的细菌多样性很高，估计0.5克土壤大约有> 2000种物种，物种丰富度沿土壤- 内层连续体逐渐减少（图1A）。因此，根系中细菌群落从密集和多样化的土壤群落转变为适应宿主的多样性降低的群落。
沿消化道存在微生物密度的空间异质性。在胃和十二指肠中密度最低（近端SI）（每克含量101-103个细菌），并且沿着SI的长度增加，在回肠远端密度更高（每克104-107个细菌）。LI中可达到每克含量1012-1013个细菌，代表迄今为止在任何环境中记录的最高密度，并且比根际中的密度超过2-3个数量级。尽管密度高，但多样性相对较低。使用低误差16S rRNA基因测序（LEA-seq）的人类粪便肠道微生物群（低深度覆盖），细菌物种的数量估计为101±27。从肠管的内部到外部也存在区室化，由肠腔，粘液和上皮表面决定。从内腔到上皮表面观察到细菌密度的降低（图1B） 。
三、脊椎动物肠道和植物根系微生物的群落结构
1、它们来自哪里？
对植物根和脊椎动物肠道微生物群进行相关差异实验可以确定微生物群的起始接种物。根内生菌主要属于变形菌，可以通过不同的途径定殖种子，包括花，果实以及根，叶和茎，在一些植物物种中存在种子传播内生菌这一垂直传播途径。哺乳动物也会发生垂直传播，可以通过牛奶以及父母照顾的密切接触。在人类中，阴道分娩为新生儿接种了一组可与母亲匹配的菌株，而剖腹产使来自各种护理人员的皮肤微生物的定殖。母乳也是塑造肠道微生物组的微生物群和抗体的重要来源，固体食物的引入使细菌群落组成向成人样微生物组快速转变。有的哺乳动物如考拉，通过将母亲的粪便喂给婴儿，会在行为上增加微生物群的垂直传播。众所周知，群体生活有助于家庭群体（人类），群体（灵长类动物）和最可能的群体成员之间传播共生微生物。相反，旨在减少病原体传播的卫生措施可能对共生体的传播产生广泛的负面影响，并可能成为西方观察到的多样性丧失的基础。
2、他们是谁？
尽管在生物圈中发现了大量的原核生物多样性（目前已知> 80个细菌门），但与宿主相关的微生物群在数量上以少数门为主。不相关植物物种的根际和根内生菌主要有三个门（变形菌门Proteobacteria，放线菌门Actinobacteria和拟杆菌门Bacteroidetes）的细菌富集。土壤细菌中丰富的酸杆菌门被排除在内生菌室之外。与周围土壤相比，属于变形菌门的微生物群成员在单子叶植物和双子叶植物的根际/内生隔室中富集。迄今为止在成人和小鼠粪便中检测到的两种最丰富的门是厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）。其他代表门有放线菌（Actinobacteria），疣微菌门（Verrucomicrobia）和一些不太丰富的门，例如变形菌门（Proteobacteria），梭杆菌（Fusobacteria）和蓝细菌（Cyanobacteria）。
3、多种宿主相关微生物群落之间是否存在结构相似性？
在属于不同分类谱系的宿主中获取营养的器官之间存在生理相似性。然而，生活在不同系统宿主之间的微生物群落相互重叠的程度大部分是未知的。为了阐明微生物群中宿主特异性和保守特征，作者检索并重新分析了之前14次大规模的16S rRNA基因调查研究的原始测序数据。包含40多种不同宿主物种的 > 3,200个样本，包括人类、其他哺乳动物和鱼肠，以及根和根际如开花植物拟南芥以及相关物种，玉米，水稻，大麦和葡萄藤。此外，还收集了几种刺胞动物的样本。。
作者按照QIIME（Caporaso等，2010）封闭参考方案并使用SortMeRNA将序列聚类成具有97％序列相似性的操作分类单位（OTU）。按照样本各自的宿主物种，使用主坐标分析（PCoA）法分析β多样性揭示了样本的清晰聚类（图2A）。虽然所有样本均来自具有营养吸收功能的器官，但其相关微生物群落之间存在显著的质量差异。这种差异可以通过哺乳动物粪便样品（特别是拟杆菌目Bacteroidales和梭菌目Clostridiales）的拟杆菌成员的丰度增加以及根际和植物根系之间（图3）假单胞菌科，链霉菌科和Comamonadaceae科的成员的富集来解释。鱼肠中的细菌群落与根和根际样本中的细菌群落的关系比与哺乳动物的肠道更密切，部分原因是变形菌的丰度增加（45.08％和54.44％的根相关样本和鱼肠，分别与人肠道情况相比为4.20％；图4）。婴儿肠道微生物群落与植物根系的关系比与成年人的关系更为密切。总之，这表明共享的环境和生理特征，对群落建立是决定性的。
图2 α和β多样性分析
图3 3D PCoA图
图4 累积丰度图
α多样性分析(图2B和3B)表明，水生生物肠道内细菌丰富度较低，不同植物物种的根和根际细菌丰富度较高，与各自周围环境中检测到的细菌多样性一致。所有被调查的植物物种中，根内生的细菌多样性比根际低（图2B）。多样性梯度的程度以及两个区室之间的差异似乎依赖于植物的物种，表明对于群落建立具有强烈的宿主依赖性影响。
对宿主中丰富的群落成员（OTU，相对丰度平均高于0.1％）的系统发育比较揭示了哺乳动物肠道与植物根和根际样本之间明显的定性结构差异（图5）。这些不同的细菌群落即使在高分类水平上也几乎没有重叠。从人类和哺乳动物肠道获得的样品中以拟杆菌目Bacteroidales和梭菌目Clostridiales的OTUs为主（分别为34.55％和51.26％相对丰度），而在根和根际样本中几乎完全不存在（分别为0.70％和0.80％）。独立进化但功能相关的肠道和根部器官的群落组成的显著差异可以通过适应特定的宿主和环境需求来解释，包括生态位特异性因素，例如氧气水平，pH和有机碳可用性。研究结果还表明，在人类肠道中，不太可能直接转移和保存来自大量根源性膳食植物产品的微生物群成员。
图5 OTU丰度的系统发育分析
4、它们随时间波动吗？
尽管婴儿期或植物的幼苗阶段是微生物群建立的关键窗口期，但是关于先锋细菌驱动宿主定殖的最早步骤知之甚少。婴儿肠道微生物组的组建在出生时开始，并且多样性水平缓慢增加直至2-3岁。从出生到2.5岁的抽样显示以下情况：（i）群落丰富度随着时间的推移逐渐增加，（ii）抗生素的使用，饮食的变化和感染导致从一个稳定的物种群落跳到另一个物种群落，（iii）在引入固体食物后，拟杆菌门的成员与厚壁菌门的成员共同占优势。成人样微生物群的特征在于更大的稳定性。与婴儿肠道混乱的微生物演替相反，植物生命周期期间根微生物群的结构看起来相当稳定，从土壤中获取的微生物群在幼苗期具相对较高的变异性，但在播种后24小时内开始并在2周内接近稳定状态。微生物群一旦建立几乎不会发生显著变化。
四、推动群落建立和组成的主要因素
肠道和植物微生物群的个体间差异可能由许多调节因素决定，包括环境因素，还有饮食/土壤类型，微生物- 微生物相互作用，宿主基因型和宿主免疫系统（图1）。
1、环境因素
（1）pH：细菌群落组成与土壤pH值的差异密切相关，土壤在接近中性的pH值下显示出最高的微生物多样性。与周围的土壤相比，通过质子，碳酸氢盐，有机酸和二氧化碳的释放，根系可以将根际酸化至两个pH单位。沿着消化道，细菌滴度的增加可归因于几种因素，例如pH和胆汁酸。胃中的pH非常低（pH 1.5-5）可限制细菌生长，SI增加（十二指肠pH 5-7，空肠7-9，回肠7-8）和结肠中下降（pH 5-7））（图1B）。肠道和土壤中的许多类型的细菌都对pH很敏感。
（2）氧气：在脊椎动物肠道中，多为有利于发酵代谢的厌氧环境，而在土壤中和沿着根存在（微）有氧环境（图1）。这可能是解释脊椎动物肠道和植物根部微生物群之间结构和功能差异的主要因素（图5）。健康个体的肠道微生物群由厌氧细菌控制，厌氧细菌比有氧和兼性厌氧细菌多100-1,000倍，而根微生物群富含变形菌，一种以有氧为主的细菌种类。因为（i）限制呼吸将控制细菌生长和（ii）促进发酵将导致SCFA可用性，所以可以说限制呼吸对宿主有利。尽管如此，土壤和肠道中存在与生物学相关的氧气水平梯度，可能在微观层面影响微生物群落的结构。
（3）温度：在哺乳动物的肠道中存在热稳定性（恒温动物），但植物或变温动物存在更高的温度波动。 虽然植物微生物群功能必须在很宽的温度范围内保持稳定，但据报道，土壤中的细菌群落受温度调节。
2、营养驱动力
对于植物根和脊椎动物的肠道，饮食是微生物群落结构的主要驱动因素。
有机碳被广泛认为是限制不同土壤中细菌生长的最重要因素。低分子量碳底物如二羧酸，通过根大量渗出以酸化根际，这些二羧酸是介导土壤群落变化的重要驱动因素，导致β-变形菌、γ-变形菌和放线菌的相对丰度增加。
哺乳动物肠道微生物群的进化受到宿主饮食的极大影响。哺乳动物，它们的肠道微生物群和它们的饮食类型是动态三方共同进化的一部分。大多数（80％）现存的哺乳动物是食草动物。由于哺乳动物基因组缺乏编码植物细胞壁降解酶的必需基因，食草动物的增加只能通过肠道微生物的必要变化来实现。对宿主物种之间微生物组的比较突出了微生物群对宿主饮食的特定适应性。
3、微生物- 微生物相互作用
微生物- 微生物相互作用对于塑造植物和动物系统中的微生物群结构也是至关重要的。定殖在肠道和植物中的菌群成员之间协同作用、有益作用和拮抗作用的结合可能对整个群落结构产生重大影响。 因此，群落的个体成员可能有助于系统的整体稳定性，因此，每个群落成员必须被视为微生物群落组合的潜在内部驱动因素。 微生物共现和共排模式现在正成为理解微生物群落聚集规律的重要概念。
4、宿主基因型
对27个玉米自交系，6个栽培稻品种，3个大麦品种和几个拟南芥种质的细菌群落结构进行调查都指向宿主基因型对群落的组成具有小部分（约5％-6％的变异）但重要的作用。
在人类中，经常观察到家庭成员具有比无关个体更相似的微生物群。宿主遗传学在塑造肠道微生物组的组成和结构方面也起着小的但统计上显着的作用。比较特定遗传基因座不同的人类受试者之间的微生物群，显示基因- 微生物群相互作用。在人类中，早期的双胞胎研究未能揭示基因型对微生物组多样性的显着影响。然而，Goodrich等人最近的一份报告 （2014）比较单卵双生子（MZ）与双卵双生子（DZ）对，发现特定类群是可遗传的（即，这些分类群在整个群体中的相对丰度的变异性部分地由宿主基因型变异驱动）。这些分类群包括与健康相关的粪杆菌和双歧杆菌以及介导瘦表型的Christensenella。
5、宿主免疫系统和微生物群稳态
植物和动物都具有模式识别受体（PRR），可以识别细胞表面的非自身微生物结构（即脂多糖[LPS]，脂肽，鞭毛蛋白，几丁质），并且激活它们以停止微生物繁殖。然而，一些动植物病原体已经进化出促进毒力的机制以抑制或逃避PRR介导的宿主应答。植物和动物细胞内免疫受体NLR（核苷酸结合域富含亮氨酸的重复序列）家族的成员被病原体毒力因子的作用或毒力因子本身的直接结合激活作为回应。活跃的动物PRR和NLR炎性体均可指导哺乳动物适应性免疫系统并在植物中引起空间分散的反应。
通过PRR检测微生物模式构成动植物的第一层免疫。在动物中，这些包括通过细胞因子信号传导和来自感染部位和淋巴器官的细胞迁移来指示和激活或抑制适应性免疫系统。植物中没有循环细胞，PRR和NLR依赖性信号传导可导致局部和全身信号的差异，从而在感染部位及其周围产生足够的防御输出，并在远端器官形成稳定的防御。植物部署一些防御植物激素，并指导邻近感染部位的细胞，甚至全身到远端器官，准备好对感染做出反应。防御植物激素通常起抑制微生物在根系中存活的作用，除了防御植物激素之外，最近的研究也阐明了其他免疫输出。
在动物的肠道中，第一道防线是分泌抗菌肽。一些抗微生物剂是连续分泌的，其他抗微生物剂是响应细菌触发上皮细胞表面上的特定PRR（Toll样受体，TLR）而分泌的。粘液层对于防止这些免疫反应的系统性激活至关重要。当内部粘液层被化学去除（即用葡聚糖硫酸钠[DSS]）或通过基因突变（MUC2突变体）时，细菌与上皮细胞接触并引起炎症反应。适应性免疫系统通过分泌靶向肠细菌表位的免疫球蛋白A（IgA）而隔离腔内的共生细菌。自适应和先天免疫系统一起具有检测表面相关细菌的机制，并共同起作用以减少炎症。适应性免疫系统是脊椎动物独有的，且根据观察，脊椎动物，特别是哺乳动物，其体内微生物群落的复杂程度远高于无脊椎动物，McFall-Ngai等人（2013）也提出适应性免疫系统在高微生物多样性的形成和维持中有重要作用。
五、宿主-微生物群落的共同多样化
通过比较与玉米或其他禾本科植物相关的细菌群落，检测到根际群落与宿主系统发育距离之间的显着相关性，表明宿主的进化历史可以很好地预测根微生物群结构。多样化不能仅仅通过宿主的系统发育距离来解释，而是可能包括植物物种特有的生态适应性。当比较远亲植物物种时，可以观察到质量差异。寻常水螅（Hydra vulgaris）和褐色水螅（Hydra oligactis）的微生物群组成存在显著性差异。
在哺乳动物中，同一物种成员之间微生物群落组成的相似性提出了细菌群落是否跟踪哺乳动物系统发育的问题。将细菌群落的相关性模式与哺乳动物的系统发育进行比较，发现宿主物种的系统发育与其肠道微生物群落的亲缘关系模式一致，与垂直遗传一致的方式发散。然而，人类与猿类物种的肠道微生物群的比较分析表明，人类微生物群组成的加速变化无法通过进化距离来解释。最近对一个孤立的亚马逊部落进行的一项研究揭示了肠道微生物群在组成和功能上的多样性，包括广泛的抗生素抗性基因，表明西方生活方式已经大大减少了细菌多样性。
总之，这些数据表明微生物群与宿主系统发育之间的相关性可以通过共同祖先的共同多样化来解释。尽管如此，与相关真核宿主相比，细菌的世代差异巨大，加之肠道或根系周围的高密度微生物，说明宿主-微生物群落的进化主要是由其他选择力决定的，包括微生物-微生物和宿主-微生物-环境相互作用。
六、元基因组分析——推断肠道和植物微生物群的功能
肠道微生物群以少数细菌门为主，但当关注较低的分类水平时发现更多的变异。个体物种的相对丰度在个体人类中可以变化超过10倍。在基因功能水平上，由于细菌微生物群内的功能冗余和保守功能核心的存在，个体之间变异性较小。
鉴于营养物质获取的关键功能，肠道微生物群落中的基因功能受饮食长期和短期变化的影响。特异性富集的肠道微生物群的功能类别与代谢类别（涉及淀粉，蔗糖和单糖代谢的基因，包括许多糖苷水解酶家族）有关。更具体地，与复合糖和聚糖向SCFA的发酵，产甲烷作用，必需氨基酸和维生素的合成以及酚类糖苷缀合物的水解相关的功能被丰富。这些功能中的一些，例如发酵和碳水化合物代谢和维生素生物合成，也在肠道微生物组中高度表达。
对于植物研究，实验设计在个体中更加标准化，允许功能富集的直接或间接测试。在至少两个植物根际研究中发现的共有功能类别涉及铁转运和代谢，氮代谢，运输和分泌系统，以及趋化性和运动性。在水稻根际的元蛋白质组学研究中也发现了类似的功能。在宏基因组研究中，大部分注释基因没有特定的功能（肠道中42％-86％;植物根际中59％）。肠和根宏基因组研究之间显着的共同点是噬菌体相关功能的显着富集/高丰度，但这些功能的确切作用尚不清楚。
结论和观点
为了补充大规模的群落概况和宏基因组研究，已经形成来自不同人体部位的数百种分离物及其相应的基因组序列参考集。对于与植物相关的微生物群落，通过独立培养群落的性能分析实验的交叉引用，旨在最大化培养细菌的系统发育多样化的项目即将结束（P.S.-L.和J.L.D.，未发表的数据）。将来，可能允许确定多基因座参考基因集合，用于鉴定群落内的单个菌株，作为基于低分辨率16S rRNA的分类群鉴定的替代方案，对数千种基因组的比较分析以进行关联分析，将基因和遗传变异与特定表型联系起来。在具有无菌真核宿主的受控环境下定义合成群落的构建及其评估，可以在个体成员层面研究群落恢复力和对扰动的反应。受控制的实验系统将降低天然环境样品固有的噪音，并将推动植物和肠道微生物群研究的下一阶段，其中科学结论基于因果关系而非相关性。
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