经典力作|魏辅文-大熊猫肠道微生物的纤维素代谢证据

编者按：总是会有人说，周杰伦的经典歌曲是《稻香》，《双节棍》等；刘德华的《忘情水》，《来生缘》等，这些歌曲都是百听不厌，常听常新的，而且听起来的感觉都是不一样的。但是，怎么评价学术界的经典文章或者是成名作呢？有的人认为，发的影响因子越高越好，这样就是经典文章。但是，iNature认为，作为经典文章，肯定使用的人很多，而且看的人也是拍手叫绝，所以我们是根据总引用量，来客观的评价一篇文章。今天就推出魏辅文最高引用量的一篇文章（非综述类），以飨读者。

iNature：大熊猫基因组编码与肉食性动物消化系统相关的所有必需酶，但缺乏消化纤维素所需的酶的基因，纤维素是竹子的主要成分。据认为，这种标志性物种必须具有能够代谢纤维素的微生物共生体，但是这些共生体仍未被发现。在这里魏辅文研究组检测了野生和圈养大熊猫粪便样品中的5,522个原核核糖体RNA基因序列。发现熊猫微生物群体的物种丰富度低于哺乳动物微生物群体，是食草动物和非嗜食食肉动物。同时检测到13种与Clostridium组I和XIVa密切相关的分类单位，其中都含有已知消化纤维素的分类群。与其他哺乳动物相比，这13种营养分类单位中有7种是大熊猫独有的。使用来自肠微生物的〜37-Mbp重叠序列的Metagenomic分析，发现在Clostridium组I中有两种编码纤维素消化酶和一种半纤维素消化酶，纤维素酶，β-葡糖苷酶和木聚糖1,4-β-木糖苷酶的推定基因。比较大熊猫与草食动物和杂食动物的糖苷水解酶谱，发现大多数与大多数人类相似的酶的共同特征：低聚糖降解酶（36％），纤维素酶（37％）和内质网膜酶的含量最低（2％ ），这可能反映了熊猫独特竹节饮食中纤维素和半纤维素的低消化率。推定的纤维素消化微生物的存在，生理学和形态学相关的适应性结合显示，大熊猫已经发展了许多性状以克服消化高纤维状物质的饮食的解剖和生理学挑战。

饮食资源的获取，可以塑造动物进化的进化【1】。早期，动物失去了合成许多关键化合物的能力，而此功能则由共生体【2】进行。例如，微生物共生体有助于从食物和关键化合物中提取营养物质，并合成必需的代谢化合物【1】。肠道微生物群体与其宿主分享互利共赢的关系，基因组学进展揭示了这些关系的动态【3】。基于微生物小亚基核糖体RNA基因（16S核糖体RNA）和宏基因组学的大规模比较分析的独立方法，最新进展已经更详细地揭示了微生物多样性和代谢潜力的程度【2-7】。这些技术现在可以应用于获得新型饮食的动物，提供了在进化背景下观察宿主生理和微生物系统的机会。

熊猫

大熊猫（Ailuropoda melanoleuca）以饮食奇特而闻名于世：具有典型的食肉动物的胃肠道，它每天消耗约12.5公斤这种高度纤维性植物（竹子）【8】，但由于缺乏其他食草动物的长肠特征，因此不可能进行大量发酵【9】。大熊猫消化量仅占干物质消耗量的17％【8】，竹纤维素（27％）和纤维素（8％）【9】的消化效率较低。事实上，大熊猫基因组编码与肉食性消化系统相关的所有必需酶，但缺乏纤维素消化所需的酶同源物【10】。

调皮的熊猫

虽然大熊猫可以使用在自己的基因组中编码的酶来自“竹节食物”的非纤维素材料，但是根据熊猫的遗传组成，不可能消化纤维素和半纤维素，而且必须依赖于肠道微生物。然而，以前使用培养方法和小规模测序的研究确定了来自大肠杆菌，链球菌和肠杆菌科的三种主要细菌 - 其中没有一种有助于纤维素消化【11-13】。因此，对这种有趣和高调物种的肠道微生物生态系统的不完全了解，仍然是因为方法论的限制和过去依赖于圈养动物的研究。

微生物进化树

在这里魏辅文研究组检测了野生和圈养大熊猫粪便样品中的5,522个原核核糖体RNA基因序列。发现熊猫微生物群体的物种丰富度低于哺乳动物微生物群体，是食草动物和非嗜食食肉动物。同时检测到13种与Clostridium组I和XIVa密切相关的分类单位，其中都含有已知消化纤维素的分类群。

微生物组成

与其他哺乳动物相比，这13种营养分类单位中有7种是大熊猫独有的。使用来自肠微生物的〜37-Mbp重叠序列的Metagenomic分析，发现在Clostridium组I中有两种编码纤维素消化酶和一种半纤维素消化酶，纤维素酶，β-葡糖苷酶和木聚糖1,4-β-木糖苷酶的推定基因。

宏基因组学分析

比较大熊猫与草食动物和杂食动物的糖苷水解酶谱，发现大多数与大多数人类相似的酶的共同特征：低聚糖降解酶（36％），纤维素酶（37％）和内质网膜酶的含量最低（2％ ），这可能反映了熊猫独特竹节饮食中纤维素和半纤维素的低消化率。推定的纤维素消化微生物的存在，生理学和形态学相关的适应性结合显示，大熊猫已经发展了许多性状以克服消化高纤维状物质的饮食的解剖和生理学挑战。

我们的宏基因组分析和16S rRNA基因数据证实了熊猫肠道中纤维素代谢共生体的存在，并阐明了大熊猫如何能够部分消化竹纤维，尽管缺乏可能降解纤维素的酶的基因组。越来越清楚的是，大熊猫具有一系列针对高度专业化的食草动物的进化适应。我们的研究结果更加深入地了解了一种在进化树中占有有趣位置的物种的微生物，并具有非常狭窄的饮食习惯。因此，在大熊猫的肠道中推定的纤维素和半纤维素消化微生物的存在，以及一系列其他性状：包括假性植物;发达的牙齿，下颌骨和头骨形态，以及咀嚼肌肉;大量摄入食物（12.5公斤/日）;简短的消化时间;并且消化道中的高粘液水平。

延伸阅读

原文链接

http://www.pnas.org/content/108/43/17714.long

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