文献速递|微生物组研究新突破：从环境到健康的多维视角

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导读

微生物组研究持续揭示微生物在环境适应与人体健康中的关键作用。本期汇集五篇发表于《Microbiome》的高水平研究，融合宏基因组、代谢组等多组学手段，深入探索溪流潜流带微生物的环境应激机制、公共场所空气耐药基因分布、糖尿病相关口腔菌群失调的糖迁移驱动、肠道菌群代谢物经Ahr/Prg4通路缓解膀胱炎症，以及天然添加剂调控瘤胃微生物提升氮利用率。这些研究不仅拓展了我们对微生物功能的认识，也为环境监测、疾病防治与农业可持续提供了新思路。

案例1：北美溪流潜流带微生物组对环境因素的保守性适应

文章题目：Conserved adaptation to environmental factors by stream microbiomes in the hyporheic zone across North America
发表期刊：Microbiome
影响因子：13.8/Q1
发表时间：2025-12
组学技术：宏基因组学+宏转录组学

摘要

溪流潜流带是溪流水体与周边沉积物交界处形成的一个独特生态系统，具有高度异质性和加速的生物地球化学活动特征。在本研究中，该区域以表层沉积物为代表，正日益受到全球尺度上人为压力和环境变化的冲击，这些变化直接改变了其中的微生物群落。尽管潜流带至关重要，但现有文献仍缺乏对溪流沉积物与表层水微生物群落中活跃的氮、硫循环过程的系统性认识，尤其是在不同地理区域之间以及它们对环境因素的响应方面。基于先前已发表及未发表的数据集，本研究整合了363个溪流宏基因组，构建了涵盖溪流沉积物与表层水体的综合性宏基因组组装基因组（MAG）及基因数据库，其中包括一项为揭示微生物应激响应而设计的全因子微生态系统验。通过分析横跨北美采集的23份潜流带沉积物样本的宏转录组数据发现，沉积物中的微生物活性与表层水体的活性存在显著差异，尽管两个区室中编码的代谢潜能具有相似性。潜流带所表达的能源代谢特征表现为硫、氮化合物循环的增强，这一过程主要由硝化螺旋菌门和脱硫杆菌门的谱系所主导。尽管沉积物中诸如能量守恒等核心代谢功能具有保守性，但温度和溪流等级的变化仍会导致应激响应基因的差异表达，这与先前在微生态实验系统中观察到的结果相一致。

结论：潜流带是溪流生态系统中的微生物热点区域，其活跃程度远超上覆的河流表层水体。在潜流带沉积物中，以硫和氮循环形式存在的代谢活动，由多个类群通过代谢接力相互作用共同驱动。尽管溪流存在空间异质性，但不同大陆溪流中的潜流带沉积物微生物组，均能编码并表达对人为胁迫因子（例如温度）的保守应激响应。大量未表征的差异表达基因作为对测试胁迫因子的响应，强烈呼吁我们应深化对溪流系统的研究。

图1 沉积物中活跃的膜相关基因调控的关键代谢过程示意图

案例2：对飞机过滤器及人脸口罩的空气微生物群落的宏基因组分析

文章题目：Metagenomic profiling of airborne microbial communities from aircraft filters and face masks
发表期刊：Microbiome
影响因子：13.8/Q1
发表时间：2025-12
组学技术：16S rRNA扩增子测序+宏基因组学

摘要

空气微生物群落虽常因生物量低而难以研究，却在公共卫生和病原体传播中起着至关重要的作用。本研究通过宏基因组测序，利用对人脸口罩和飞机客舱过滤器进行非侵入性空气采样，探究了医院、飞机等人际接触频繁环境中的微生物多样性。研究开发了一套完整的采样与分析工作流程，整合了环境富集方案，以提升微生物DNA的回收率及多样性分析效果。尽管存在生物量限制，通过优化提取方法，研究成功鉴定出407个物种，优势类群包括Cutibacterium acnes, Staphylococcus epidermidis, Sphingomonashankookensis,和Methylobacterium radiotolerans。富集处理显著提升了宏基因组组装基因组的回收率，并识别出更多的抗菌素耐药性基因。研究结果凸显了人员密集的公共场所中存在抗菌素耐药性基因，这表明在此类环境中加强监测并降低空气传播风险具有重要意义。本研究通过结合环境采样与富集采样的方法，有效获取了密闭空间中微生物及抗菌素耐药性基因的完整谱系，为在公共卫生领域中加强病原体监测提供了方法框架。

图2 基于HUMAnN3 MetaCyc通路分析中TOP30基因家族及抗生素抗性基因丰度

案例3：糖尿病通过葡萄糖与果糖的血浆-唾液迁移改变龈上微生物组

文章题目：Diabetes alters the supragingival microbiome through plasma-to-saliva migration of glucose and Fructose
发表期刊：Microbiome
影响因子：13.8/Q1
发表时间：2025-12
组学技术：代谢组学+宏基因组学

摘要

龋齿是一种由多微生物产酸作用驱动的菌群失调性生物膜疾病，常与2型糖尿病共存。既往研究表明，2型糖尿病患者循环系统与唾液代谢物之间存在协同变化关系。然而，高血糖诱导的糖类物质从血浆向唾液迁移在龋病发病机制中的作用尚不明确。本研究开发了一种针对舌下腺与颌下腺微量唾液的非靶向代谢组学分析新方法，并比较了2型糖尿病患者与血糖正常者该唾液代谢谱与血浆、全唾液代谢谱的差异，以探究循环糖类物质向口腔迁移及其后续被微生物利用的过程与龋齿发生之间的关联。此外，研究结合鸟枪法宏基因组测序，通过MetaPhlAn4和HUMAnN3分析流程，进一步探讨了循环糖类迁移对龈上生物膜组成与功能的致龋影响。结果表明，腺体唾液的代谢组学特征显示出介于血浆与全唾液之间的差异，能比全唾液更敏感地反映心脏代谢特征。葡萄糖与果糖的浓度与血糖参数呈递减正相关，顺序依次为血浆、腺体唾液、全唾液，提示存在从体循环向口腔迁移并被微生物后续利用的过程。糖类迁移在患有龋齿及牙菌斑堆积的参与者中更为显著，同时伴随龈上微生物群落的改变，包括Streptococcus sanguinis、Corynebacterium durum和Rothia aeria减少，以及Streptococcus mutans、Veillonella parvula和Actinomyces sp. Oral 448菌群的富集。群落水平的糖酵解潜能随之升高。改善血糖控制可减少果糖迁移并缓解菌群失调，降低果糖磷酸转移酶的丰度，并改变变形链球菌与血链球菌的平衡关系。实验验证表明，在双物种生物膜中，果糖能促进变形链球菌相对于血链球菌的优势生长。本研究证实了糖迁移是T2D患者龈上菌群失调的代谢驱动因素。研究结果强调了葡萄糖和果糖在龋病发病中的作用，并提示血糖控制可以作为龋病控制的一个有效策略。

图3 与血浆-唾液糖迁移相关的龈上生物膜群落水平微生物功能潜能

案例4：调节肠-膀胱轴：粪便移植通过Ahr/Prg4通路保护抗生素治疗的小鼠免受大肠杆菌膀胱炎侵害

图4 源自肠道菌群的色氨酸衍生物可缓解细菌感染引起的膀胱炎症

文章题目：Modulating the gut-bladder axis: fecal transplantation protects antibiotic-treated mice from E. coli cystitis via the Ahr/Prg4 pathway
发表期刊：Microbiome
影响因子：13.8/Q1
发表时间：2025-12
组学技术：16S rRNA扩增子测序+代谢组学+RNA-seq+粪便移植验证

摘要

由大肠埃希菌（大肠杆菌）引起的细菌性膀胱炎是一种常见的尿路感染，其频繁复发严重影响患者健康。尽管已知肠道菌群失调会增加复发性尿路感染的易感性，但其对非复杂性细菌性膀胱炎（最常见和最主要的尿路感染形式）的影响仍不确定。本研究发现细菌感染可引起肠道菌群结构的长期改变并影响代谢产物的生成。肠道菌群的耗竭会加剧细菌感染引发的炎症反应，破坏膀胱上皮屏障，并增加大肠杆菌在膀胱和血液中的滞留。研究证实，粪菌移植能显著缓解这些过度炎症反应。同时，研究发现几种源自肠道菌群的色氨酸衍生物在菌群耗竭和细菌感染期间发生显著变化，其中吲哚-3-丙酸（IPA）对感染期间的过度炎症反应具有最显著的缓解作用。此外，研究证明免疫抑制蛋白Prg4的转录激活受IPA受体AhR（在膀胱尿路上皮细胞中表达）的调控。膀胱尿路上皮细胞中AhR的敲除会降低Prg4表达并过度激活NF-κB信号通路，导致IPA的缓解作用消失。该研究表明，正常肠道菌群可通过其代谢产物IPA激活膀胱尿路上皮细胞的AhR，调控Prg4的转录，进而调节由大肠杆菌感染引起的细菌性膀胱炎的炎症反应。这些发现为利用肠道菌群及其代谢产物作为有前景的治疗靶点，为细菌性膀胱炎的临床诊断和治疗提供了理论基础。

图4 源自肠道菌群的色氨酸衍生物可缓解细菌感染引起的膀胱炎症

案例5：牛磺酸A通过调节奶山羊瘤胃微生物群落提高氮利用率

文章题目：Biochanin A improves nitrogen utilization efficiency by regulating ruminal microbial community in dairy goats
发表期刊：Microbiome
影响因子：13.8/Q1
发表时间：2025-12
组学技术：代谢组学+宏基因组学+宏蛋白组学

摘要

瘤胃微生物氮代谢对反刍动物的健康、生产力及环境可持续性至关重要。以牛磺酸A为代表的天然产物，因其有益作用及安全性特征，正作为潜在饲料添加剂受到关注。本研究通过采集奶山羊的全混合日粮、血浆、乳汁、尿液及粪便样本，评估了牛磺酸A对氮代谢的影响，并借助分析血浆代谢物与瘤胃微生物群落的多组学方法，深入阐明了氮代谢的调控机制。
结果：补充牛磺酸A显著提升了奶山羊的氮利用率。血浆代谢组学分析显示，牛磺酸A改变了与氨基酸生物合成/代谢以及糖酵解/糖异生相关的代谢通路。在瘤胃中，牛磺酸A富集了来自Selenomonadaceae 和 Aminobacteriaceae的微生物菌株。宏蛋白质组学分析鉴定出的上调蛋白质主要与糖酵解相关。结合宏基因组与宏蛋白组的整合分析表明，牛磺酸A对碳水化合物代谢、氨基酸代谢及能量代谢通路均产生了积极影响。牛磺酸A通过调节瘤胃微生物群落功能来增强氮代谢，这表明其作为一种天然饲料添加剂在提高反刍动物氮利用率方面具有应用潜力。

图5 基于整合宏基因组与宏蛋白组分析揭示牛磺酸A引起的瘤胃微生物氮代谢变化

参考文献

Stach T, Starke J, Bouderka F, et al. Conserved adaptation to environmental factors by stream microbiomes in the hyporheic zone across North America[J]. 2025.Jeilu O, Sumner J T, Moghadam A A, et al. Metagenomic profiling of airborne microbial communities from aircraft filters and face masks[J]. Microbiome, 2025, 13(1): 249.Sakanaka A, Furuno M, Ishikawa A, et al. Diabetes alters the supragingival microbiome through plasma-to-saliva migration of glucose and fructose[J]. Microbiome, 2025.Yang Y, Chen H, Lu J, et al. Modulating the gut-bladder axis: fecal transplantation protects antibiotic-treated mice from E. coli cystitis via the Ahr/Prg4 pathway[J]. Microbiome, 2025.Zhang X, Li Y, Xiong Z, et al. Biochanin A improves nitrogen utilization efficiency by regulating ruminal microbial community in dairy goats[J]. Microbiome, 2025.

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