王德华实验室发现动物的食粪行为通过影响肠道菌群调控其能量代谢和认知行为

  食粪行为(coprophagy)是指动物取食粪便的行为,在动物中很常见。食粪行为包括取食自己的粪便和其它动物的粪便(种内的和种间的)。许多小型哺乳动物会通过食粪行为来满足自身对营养的需求。食粪行为除了对于营养物质的重吸收,还可为动物提供必需氨基酸、维生素B、维生素K等。此外,食粪行为还可以帮助食草动物获取必要的肠道菌群,保持肠道菌群的多样性和功能。

  2020年7月6日, 中国科学院动物研究所王德华研究组在The ISME Journal上发表了题为“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,揭示了小型哺乳动物布氏田鼠(Lasiopodomys brandtii)的食粪行为对肠道菌群和记忆认知的影响,发现食粪行为可以通过改变肠道菌群而调控能量代谢和认知行为。这是该研究组在继揭示动物的聚群行为(huddling)可影响肠道菌群进而调节能量代谢和产热 (Zhang et al. 2018 Microbiome)和肠道菌群通过影响脑-肠轴与去甲肾上腺素互作以调节褐色脂肪组织 (brown adipose tissue) 产热(Bo et al. 2019, ISME J)的研究之后的又一项关于野生动物肠道菌群生理功能的研究成果。

  栖息在内蒙古典型草原区的布氏田鼠属于严格的植食性小型啮齿动物,王德华研究组以前的研究发现布氏田鼠具有发达的盲肠和结肠,具有结肠分离机制和规律性的食粪行为。食粪行为对于维持布氏田鼠的能量平衡状态是很重要的。食粪行为还可以帮助动物获取粪便中的微生物,保持动物肠道菌群的平衡。一个有趣的问题是食粪行为如何影响宿主的肠道菌群,通过影响肠道菌群又会产生哪些生理效应?

  在这项最新的研究中,他们通过给布氏田鼠佩戴塑料脖套(防止动物的口接触肛门),同时在鼠笼底部增加铁丝网,以限制布氏田鼠的食粪行为。通过测定布氏田鼠肠道微生物群落结构、能量代谢和认知能力的变化,发现禁止食粪行为降低了田鼠肠道菌群的α多样性,改变了细菌的丰富度,拟杆菌门(Bacteroidetes)增加而厚壁菌门(Firmicutes)降低。当恢复动物的食粪行为后,其肠道菌群的结构和组成也随之恢复(图1)。

图1. 限制食粪行为可影响布氏田鼠的肠道菌群。0 week,4weeks 和8 weeks是动物正常食粪时期,2 weeks 和 6 weeks 是限制动物食粪时期。

  进一步研究发现,限制食粪行为会导致动物的很多生理特征的变化,如食物摄入量增加,但体重降低,盲肠内容物短链脂肪酸含量降低(尤其是乙酸、丙酸和丁酸)、胃饥饿素增加,甲状腺激素T3水平、下丘脑和海马体中酪氨酸羟化酶含量以及多巴胺和5-羟色胺等神经递质含量下降。有趣的是限制食粪行为也影响动物的认知行为,通过对田鼠的记忆和认知水平进行一系列实验测定(如Y-迷宫、异物识别、个体识别等),发现限制食粪行为后田鼠的认知能力会受到损伤(图2)。

  为了确定限制食粪行为引起布氏田鼠记忆和认知水平的下降是否与肠道菌群有关,通过给限制食粪行为的动物补加乙酸盐(一种肠道菌群的主要代谢产物),结果发现其可明显改善布氏田鼠由于限制食粪行为而引起的认知障碍,下丘脑和海马体中神经递质的含量也随之增加 (图2)。

图2. 行为学实验结果:Y-迷宫、新异物识别、社会识别。补充乙酸盐可改善限制食粪行为造成的认知障碍。

  该项研究以布氏田鼠的食粪行为为核心,首次将食粪行为与肠道菌群和动物的认知水平联系起来,发现了动物通过食粪行为可以补充肠道菌群,保持田鼠核心菌群的稳定,增加代谢产物和维持动物的能量平衡,有利于动物维持正常的记忆和认知水平 (图3)。

  中国科学院动物研究所农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室动物生理生态学研究组博士研究生薄亭贝和副研究员张学英为论文的共同第一作者,王德华研究员为论文的通讯作者,研究生闻靖和田双杰参与了部分工作。该研究得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助。

图3. 限制食粪行为影响布氏田鼠的肠道菌群和认知水平,补充乙酸盐可以弥补限制食粪行为对田鼠造成的负面影响。

  文章链接: 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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