前言

2021年1月，日本廣島市初名市馬瑞士2-17-5號水產(chǎn)研究與教育署國立水產(chǎn)與內(nèi)海環(huán)境研究所在Sci Total Environ期刊發(fā)表的題為 “Alterations of stool metabolome, phenome, and microbiome of the marine fish, red sea bream, Pagrus major, following exposure to phenanthrene: A non-invasive approach for exposure assessment”的研究成果，通過16s腸道微生物測序+代謝組學(xué)研究方法，發(fā)現(xiàn)了苯丙氨酸暴露改變了紅海稠魚類與腐胺和膽固醇代謝相關(guān)的糞便含量，同時改變了該魚類糞便的微生物菌群組成，對探究海洋環(huán)境污染對魚類健康有著重要的影響作用。

中文標題：暴露于苯丙氨酸后海洋魚類-紅鯛魚，糞便代謝組、微生物組的變化:一種非侵入性的暴露評估方法

研究對象：海洋紅綢魚

發(fā)表期刊：Sci Total Environ

影響因子：7.963

發(fā)表時間：2021.01

運用生物技術(shù)：GC-MS非靶向代謝組學(xué)、16s腸道微生物測序

研究背景

化石燃料不完全燃燒產(chǎn)生的多環(huán)芳烴對水生生物有潛在的嚴重生物效應(yīng)。苯丙氨酸包含三個苯環(huán)，是最豐富的多環(huán)芳烴。在海洋環(huán)境中苯丙氨酸有時以微克/升出現(xiàn)，范圍從14.6到1460微克/升，這些濃度高到足以損害魚類的生長和生理功能。本研究旨在通過16s腸道微生物測序+代謝組學(xué)兩種組學(xué)技術(shù)評估苯丙氨酸暴露對于海洋魚類健康的影響。

研究思路

研究結(jié)果

暴露于苯丙氨酸環(huán)境，對魚類的行為和糞便外觀的影響

苯丙氨酸暴露對魚的行為和糞便外觀產(chǎn)生了不利影響，表現(xiàn)出明顯的運動遲緩和糞便的綠色，這些影響在第一周最為突出。有可能膽紅素本身被氧化成膽綠素，以清除Phe誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激，隨著SOD的增加，糞便的綠色被認為是肝-膽-腸軸對苯丙氨酸的第一生理反應(yīng)之一。

圖1 | 暴露于苯丙氨酸環(huán)境下魚的糞便外觀

暴露于苯丙氨酸環(huán)境中，魚體內(nèi)苯丙氨酸殘留含量的檢測

在整個實驗期間，腸道中的苯丙氨酸濃度高于肌肉中的苯丙氨酸濃度。即使在實驗魚被轉(zhuǎn)移到清水中13天后，在腸中仍然檢測到大約6%的苯丙氨酸濃度，并且在腸中發(fā)現(xiàn)的苯丙氨酸殘留物比在肌肉中發(fā)現(xiàn)的多(p<0.05)，這說明腸道在通過排便消除魚體中的化學(xué)物質(zhì)方面也起著重要作用。

圖2 | 暴露于苯丙氨酸環(huán)境下，魚類糞便紅的苯丙氨酸含量

糞便中代謝組學(xué)的變化

基于GC-MS非靶向代謝組學(xué)成功鑒定了82種代謝物，包括氨基酸、糖、維生素和脂肪酸。這些代謝物被認為是從飼料中吸收營養(yǎng)、宿主代謝、腸道微生物群代謝或共代謝的結(jié)果。在第6天，代謝物(14個中的13個)出現(xiàn)了最顯著的減少，它們包括氨基酸、多胺腐胺、糖和α-生育酚(維生素E)。還觀察到膽固醇升高(p = 0.009)和糞甾烷醇減少(p = 0.01)，然而，這些差異在FDR調(diào)整后被認為是不顯著的。在第13天，盡管實驗魚已經(jīng)連續(xù)暴露于苯丙氨酸，但是只有四種代謝物發(fā)生了變化。

糞便表型微陣列分析

在第13天，苯丙氨酸暴露組的TWCD顯著高于其他治療組。分析結(jié)果表明碳源被苯丙氨酸暴露顯著改變。在顯示顯著變化的18種碳源中，6種底物顯示增加，這表明它們在暴露于苯丙氨酸的魚的微生物細胞中比在對照魚的微生物細胞中利用得更多。與對照糞便相比，糞便中微生物細胞對腐胺的利用顯著增加了14倍。其他12種碳源顯示減少，表明它們在暴露于苯丙氨酸的魚的微生物細胞中的使用水平較低。

暴露于苯丙氨酸環(huán)境下，糞便中微生物群落分析

暴露于苯丙氨酸的魚的微生物群落的α多樣性的Shannon指數(shù)在第13天高于SC組。PCoA評分圖顯示，苯丙氨酸暴露和持續(xù)時間都改變了腸道微生物群落的結(jié)構(gòu)。在門的水平，所有樣品中變形菌是14個門中最豐富的，其次是擬桿菌門。在第13天，與SC組相比，在Phe暴露組中，擬桿菌門和β變形菌綱、δ變形菌綱和ε變形菌綱顯著較高，而γ變形菌的豐度較低。在屬的水平上(至少有一個樣本> 2%)，在兩個采樣日期，苯丙氨酸暴露組中發(fā)光細菌的豐度顯著增加。此外，在暴露于苯丙氨酸的組中，弧菌的豐度在第13天顯著降低。

圖3 | 第6天和第13天糞便中門(A)和屬(B)的相對豐度

圖4 | 與腐胺代謝相關(guān)的KEGG途徑和KEGG直向同源物(KO )

研究結(jié)論

綜合以上結(jié)果，我們得到結(jié)論，暴露于苯丙氨酸環(huán)境下的魚類受到了不利影響，主要表現(xiàn)為血清和肝臟樣本中超氧化物歧化酶和EROD水平的升高。這些生理變化主要包含與對苯丙氨酸誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激的清除反應(yīng)有關(guān)。此外，由于我們在糞便直接暴露于苯丙氨酸后沒有觀察到糞便特征的顯著差異。此外，在實驗魚被允許凈化16天后，腸道已經(jīng)積累了大約3000微克/千克的苯丙氨酸，約為苯丙氨酸暴露濃度(18微克/升)的170倍，這意味著腸道在通過排便消除魚體中的化學(xué)物質(zhì)方面也起著重要作用。

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本研究通過GC-MS非靶向代謝組學(xué)+16s腸道菌群分析了苯丙氨酸暴露下魚類糞便代謝組，發(fā)現(xiàn)苯丙氨酸暴露對于腸道菌群的群落結(jié)構(gòu)有較大的影響。

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