综述 | 未开拓的道路：瘤胃微生物组、功能组和功能组集合体
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导 读
瘤胃生态系统是一个典型的宿主与微生物共生系统。在这种义务关系中，宿主以植物纤维为食，但这些植物纤维只能通过一系列复杂的代谢才能降解，而这些级联反应仅由相关的瘤胃微生物编码。各种不同的代谢途径分布在多个微生物菌群中。将生态学基本原理应用于该生态系统的研究有助于深刻理解其规则。本文中，我们通过研究宿主属性、瘤胃生态系统组成和功能之间的对应关系，提出简单但重要的观点来指导微生物组数据的解释，并更好地理解系统如何响应扰动。
论文ID
原名：The Road Not Taken: The Rumen Microbiome, Functional Groups, and Community States
译名：未开拓的道路：瘤胃微生物组、功能组和功能组集合体
期刊：TRENDS IN MICROBIOLOGY
IF：11.776
发表时间：2019.01
通讯作者：Itzhak Mizrahi
作者单位：以色列尼格夫的本古里昂大学生命科学系和国家生物技术研究所
文章要点
1、瘤胃微生物表现出与其宿主属性相关的重复模式，可认为宿主与微生物共同组成了一个“功能组集合体”。
2、不同区系微生物可以共享功能，所以“功能组概念”可用于分析生态系统的功能和功能组集合体。因此，将分类学与功能组相结合，有助于更好地解释和理解瘤胃生态系统。
3、在瘤胃生态系统电子传递的最后环节，功能组的关键连接点可解释被替换的功能组集合体。
4、生态位因功能组和瘤胃功能组集合体之间的转化发生变化。
5、宿主基因和饮食与瘤胃微生物组成密切相关，而且可能会影响瘤胃功能组集合体。
6、瘤胃微生物演替期间特殊功能组的反馈机制决定了瘤胃功能组集合体。
综述内容
功能组概念及瘤胃生态系统
代新通常与瘤胃生态系统功能关系一致。但是，物种和分类学特征可能因研究而异。造成不一致的原因可能是由于生物和/或技术原因。所以，我们无法单独使用分类去定义和解释给定微生物组的菌群与其宿主属性的关系。因此，这种误解引发了一种概念上的变化，即当只关注由功能定义的功能组集合体时应避免只使用分类学的概念与之关联。
在本文中，我们建议使用“功能组概念”来弥补和跨过分类学方法遇到的障碍。在更好的解释和定义给定菌群结构的一般角色前，我们提出利用生物的实际特征而不是其分类学特征来解释菌群的生态性。在微生物组的观念下，我们提出的观点认为微生物功能组可以看作是细菌多样性的生物学意义集群，其包括了多种具有特殊代谢功能的微生物“物种”。功能组可以根据代谢输入来定义，即电子供体、生物量构建模块以及代谢输出物。因此，一个功能组可以被定义为共同参与琥珀酸代谢的生物体，即以丙酮酸为代谢输入物最终将琥珀酸代谢为丙酸盐进行输出。另一个例子是丙烯酸酯功能组，它以乳酸为代谢输入物代谢为丙酸盐进行输出。值得注意的是，这些功能组与微生物的系统发育没有直接的关系，因为相同的代谢途径可以由属于远亲系统发育谱系的微生物进行。例如，在产甲烷代谢过程中涉及到进化距离不同的微生物。产甲烷是位于瘤胃电子传递末端的基本瘤胃代谢过程，由广古菌门中的菌群代谢。事实上，虽然甲烷是唯一的代谢输出物，但形成甲烷的代谢输入物各不相同，在系统发育进化距离差异很大的菌群中至少有三种不同的功能组。包括：（1）氢营养型产甲烷，代谢输入物为H2和CO2；（2）甲基营养型产甲烷，代谢输入物为甲基化化合物；（3）乙酸发酵型产甲烷，代谢输入物是醋酸盐。功能组涉及的代谢范围远超过目水平上的微生物且包含更多不同的系统发育群。例如，前面提到的丙烯酸酯代谢途径存在于两个体内瘤胃菌Megasphaera elsdenii和Coprococcus catus中。经过数亿年的分类学演变，这两种菌的分类已经被分开（分别为阴皮菌纲和梭菌纲）。但是，来自两个不同分类学类别的细菌也可在相同的生态位中存在。研究表明他们在相同的生存条件下丰度增加。例如，琥珀酸的代谢是由厚壁菌门和拟杆菌门中的Selenomonas ruminantium（阴皮菌纲）和Succiniclasticum ruminis（梭菌纲）进行。在系统发育距离和界一样大的菌群中也发现了类似功能，例如在细菌域的产乙酸功能组（利用H2和CO2产生乙酸盐）。
尽管瘤胃生态系统中存在不同分类等级的微生物，但上述实例基本上突出了分散在广阔系统发育空间里微生物的功能冗余（图1）。这种冗余可能导致不同的微生物组成但又具有相同的生态系统功能，使得不同生态系统和研究之间的结论和比较极具挑战性。作为一种替代方法，我们建议使用功能组描述和理解瘤胃生态系统和其他可能的微生物生态系统。通过使用功能组概念，人们可以同时描述生态系统的功能和组成。此外，通过使用这个概念，还可以描述生态系统的生态位及其微生物的功能。这些实施例表明，当引入功能组这个概念时，瘤胃微生物被分布在类似于食物网的代谢系统中，功能组通过生物质结构单元的流动与电子供体和受体连接。
图1. 不同分类等级重组微生物表现出相同功能的实例
分叉连接和生态位变化可能导致不同的群落组成
功能组构成瘤胃食物网的一个关键特征在于它们可以分叉连接。生态进化模型表明竞争是构成微生物群落结构的关键因素。实际上，当多个途径竞争相同的底物时这些连接就会出现，导致功能组之间相互竞争。微生物组的一个基本属性是定义功能组的代谢输入和输出物是动态的且由微生物的活动构建。这些代谢输入和输出物的可用性会造成生态位变化，从而将一种群落组成变为另一种。
Jami等在一项研究中报道了这一概念的直接例子，该研究报道了动物从出生到成年的瘤胃微生物组。该研究中，在进行相同饮食且生理特征相同的出生1天和3天的动物瘤胃微生物组发生了极大改变。两种菌群组成在24小时内变化很大：从1日小牛体内较多的好氧菌和兼性厌氧菌到3日小牛体内较多的严格厌氧菌。这些研究结果表明，动物出生2天内瘤胃中的好氧菌消耗尽氧气将生态位改为厌氧环境。这种生态位改变进一步增加了厌氧微生物的数量而使得第一批好氧菌死亡。因此，好氧微生物通过改变菌群的生态位改变菌群的组成。近期，另一个生态位改变影响菌群组成的例子还表明生态位改变驱动着瘤胃微生物组昼夜变化。在这项研究中发现：喂食后的瘤胃微生物组分类组成和功能是时间的函数。作者认为这是由生态位改变驱动的菌群组成周期性变化的原因。作者通过交叉培养不同时间点的代谢物和生物发现：微生物在一天的不同时间里产生的代谢物足以体现菌群功能的变化，这类似于在体内观察到的变化。
因此，不同瘤胃代谢组的输入和输出代谢物可以驱动菌群组成发生显著变化。在这方面，位于电子传递末端的处于高能级的功能组有助于驱动大部分瘤胃代谢，使其成为可以影响整个生态系统的重要能量节点（图2）。微生物发酵过程中产生的氢是连接瘤胃生态系统中各种功能组的主要连接点。通过生态位改变氢气压力的变化会将一个功能组的丰度变成另一个功能组的（图3）。
图2.瘤胃微生物组的主要代谢级联反应
图3.奶牛瘤胃中可替换的稳定功能组集合体的出现
有一个很好的例子可以看出利用氢的功能组发生的变化。如上所述，瘤胃中有几种功能组利用氢：（1）通过氢营养型产甲烷将CO2还原成甲烷的功能组；（2）通过琥珀酸产生丙酸盐的功能组；（3）利用氢将CO2还原为乙酸的产乙酸功能组。近期，一项研究表明新生动物瘤胃微生物组产生的氢气量远远高于成年动物瘤胃微生物组产生的氢气量。同时伴随着新生动物瘤胃中的产乙酸功能组丰度在成年动物的瘤胃中降至很低。产乙酸菌通过还原性乙酰辅酶A或Wood-Ljungdahl通路将氢和CO2还原为乙酸。生命早期各种功能组利用氢后氢气压力降低，产乙酸功能组在新的低氢气压力环境下处于劣势，各种氢营养型产甲烷菌等功能组因不依赖于高含量氢而占据优势。因此，对于这种现象最常规和最合理的解释是由于氢气压力的生态位变化而排除了这种功能组。事实上，近期一项研究表明，当宿主瘤胃微生物组产生的氢气压力很高时，宿主生命早期会存在各种甲烷菌亚种。但是当微生态中的氢气压力较低时，它们会在2周大的动物瘤胃中大量减少。另一个证据是产甲烷和丙酸盐功能组会竞争导致利用氢功能组变化的还原能力。当瘤胃中的氢营养型产甲烷功能组被抗生素补充物抑制时，通常会观察到产生的丙酸变多。这种现象可以通过产丙酸功能组从竞争用于发酵和增加氢气的电子的联合释放来解释，因为产甲烷竞争者已经被排除。因此，位于瘤胃食物网电子流末端的氢连接点是系统能量流、微生物组生态学特性以及与宿主的相互作用的核心。
应该注意的是，尽管需要简化，但功能组不仅由瘤胃热力学的电子流定义，而且与组成它们的生物生态学特性有关。这种联系意味着功能组的多样性也与其宿主和生存环境的生态相关性有关。例如，氢营养型产甲烷菌的存在不仅与氢气压力有关，而且与可能抑制其活性的pH有关。因此，这两种作用力—热力学和生态学，决定了每个功能组作为瘤胃食物网构建模块的存在性和丰度。这些热力学生态交汇点的意义在于，食物网上的功能组可以通过资源利用或代谢物分泌改变生态位从而改变代谢途径。反过来，也可以形成不同的瘤胃微生物群落从而产生独特的功能（图3）。
与宿主属性相关的瘤胃功能组集合体可能是由于功能组之间的竞争形成
可替代的稳定功能组集合体理论表明微生物组可以存在于多个功能组集合体中。这些可替代的稳定功能组集合体在建立时是稳定且适应扰动的，也可以通过适当的可交替的瞬时集合体从一种可替代的集合体转变为另一种集合体。这样的功能组集合体或许也具有不同的功能，因而与许多宿主属性产生联系。一些研究已经解释了瘤胃微生物组和宿主属性之间的联系，例如从饲料中获取能量的能力及其释放甲烷的潜力。一些研究还特别指出了瘤胃生态系统电子流动最后阶段的成分变化，例如产甲烷菌群。
在这方面，Ben Shabat等描述了与宿主从饲料中获取能量的能力有关的瘤胃功能组集合体，除了许多其他属性。在他们的实验设置中，作者确保了控制变量，例如饮食，众所周知饮食会显著影响微生物组结构。尽管严格保证变量一致化，但仍然检测到微生物组结构和功能有显著性差异。这些差异主要是在瘤胃生态系统电子流的最后阶段，即电子从氢、乳酸和琥珀酸转移到甲烷和最终发酵产物，如乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐，从而瞄准作为主要驱动力的电子传递末端的功能组（图2）。与低能效动物相比，高能效动物的瘤胃微生物组中，短链脂肪酸（SCFAs）如丁酸盐和丙酸盐浓度较高，而甲烷浓度较低。这些发现与丙烯酸酯功能组的富集一致，后者是将电子从乳酸盐转移到丙酸盐，同时富集编码它的特定物种，如高效微生物组中的M.elsdenii和C.catusin。高能效微生物组中利用氢的功能组，如氢营养型产甲烷和琥珀酸代谢途径的功能组丰度高。这些对不同生态系统功能的观察结果与宿主的能量平衡差异一致，因为SCFAs对于宿主（富含高能效动物）的能量需求是有价值的，而甲烷与其储存的能量一起被释放到大气中（富含低能效动物）。这两个发现表明，位于乳酸和产氢发酵途径之间的电子流的分叉连接点决定了这些微生物组组成的集合体（图3）。
这些瘤胃组成和功能差异与多个个体的一致性表明它们是稳定的，因此可以被视为可替代的功能组集合体。从绵羊产甲烷量的研究中也报道了可替代的功能组集合体出现于乳酸和产氢发酵途径之间的电子流连接点并且产生了可替代的动物宿主属性。这些研究的作者描述了类似的发现：即不同的群落组成与位于和生态系统功能相关的营养链末端的代谢节点有关。相同的功能组由与之相关的功能组集合体决定。以Sharpea spp.为代表的产乳酸功能组和以Megasphaera spp.为代表的利用乳酸功能组被认为是电子流向减少产甲烷和增加SCFAs（如丁酸盐）的重要驱动因素。因此，以乳酸为中心的功能组的分叉连接和氢气可以被确定为一个核心的食物网连接点。总而言之，这些研究表明，营养链末端的电子流连接点（利用氢、利用乳酸和产甲烷）使得两个功能组集合体之间通过功能组的相互联系和影响宿主属性产生竞争排斥（图3）。环境、宿主遗传或更多随机因素（如历史偶然性）等不同因素可能会影响一个可替代功能组集合体相对于另一个的主导地位。值得注意的是，在不同功能组集合体中，一个富含某功能组的集合体在另一个集合体中可能是被完全排除的。因此，这些可替代的营养链在瘤胃生态系统中共存，但是在每个集合体中它们之间的平衡又相互转化。它们的输出产物是每个集合在这些结构化环境中多个平行营养链的平均结果。这些共存的可替代营养链的存在可能会对生态系统功能产生重大影响，这不仅是因为它们的代谢效率不同，而且它们可能通过组合效应的手段缓解系统对抗不断变化的环境条件（例如，饮食的变化）。
尽管几项研究已经报道了这些功能组集合体的模式，但是为了进一步加强这一概念，应在体内和体外进一步研究它们对扰动的恢复能力和稳定性。在这方面，最近通过瘤胃微生物组在高能效和低能效动物之间的交叉输入来调节宿主能量效率的尝试表明微生物组集合体具有很高的重建能力和对扰动的适应性。在一项研究中，在替换了4只动物95％的瘤胃组成物后，仅观察到微生物组成和宿主表型的一个瞬时效应，并且经过10天后观察到与之前替换的瘤胃组成物相似的功能组集合体和宿主表型回到初始状态。
这些研究结果表明，瘤胃微生物组的组成对扰动具有高度的弹性，即使是瘤胃中的一小部分初始微生物群落也可能自我重建。由于这种弹性，一个适当的机制就可以通过生态位改变涉及优先效应。在这种情况下，其余的瘤胃集合体将创造一个能加强自身重建和防止干扰的次级集合体环境条件。因此，当对初始集合体进行更彻底和全面的清除时，集合体成员会期望其他力量控制外来集合体的建立。这些力量可能是每个集合体成员的随机初始丰度以及潜在的环境影响，如宿主遗传和免疫系统，它们将以不同的方式影响每个外来集合体。另一种情况是集合体成员会预期入侵后建立的集合体具有高度的可变性。近期报道了这样一种模式：在注入干扰后28天内，观察到微生物组组成具有高度的个体差异。在这项研究中，对16只动物瘤胃注入干扰，这些动物在注入前对其瘤胃环境进行了强烈的冲洗，以确保有效去除瘤胃内容物。这些研究表明，瘤胃微生物功能组集合体的建立和稳定性可能是由功能组及氢和乳酸浓度驱动的微生物生态位变化机制的决定的。
结论与展望
瘤胃微生物的功能组集合体与其宿主属性密切相关。例如，一个功能组集合体有助于更多的化学能进入宿主动物中，并且可以与更高的饲料转化率相关联，而一个可替代的功能组集合体将有助于更多的甲烷排放到大气中并且将与较低的饲料转化率相关联。前人研究表明，位于电子流末端的瘤胃食物网的分叉连接点的功能组之间的竞争最有助于平衡微生物群落的结构和功能。本文指出微生物间相互作用是建立瘤胃功能组集合体的主要原因，并强调生态位改变是建立集合体的主要机制之一。宿主遗传和环境因素共同影响了瘤胃微生物组的级联反应和不同功能组集合体的出现。
确定可替代功能组集合体和决定其集合的力量有助于我们设计合理的干预策略来调节微生物组功能及随之改变的宿主属性，如饲料转化率。从这个意义上讲，将微生物群落划分为功能群可以简化瘤胃菌群的比较分析。例如，可以通过计算的方法检测功能组。Levy和Borenstein的方法是当没有任何经验信息的情况下，大规模使用计算机代谢网络模型重新组合共同发生代谢竞争的微生物的方法可能是特别适用的。
此外，了解微生物代谢对产生的微生物相互作用的影响可能是这些生态系统中最重要的因素，这可用于完善未来对瘤胃微生物组结构和功能的分析和修正。由于横向基因转移事件以及功能冗余，功能组还可以解决分类学混乱。功能组也可以很好的解决因基因水平转移和功能冗余造成的分类学混乱。更广义地说，识别、构建和操控功能和生态网将有助于我们减少甲烷排放，提高饲料转化率，并减少农业中抗生素的使用。
结 论
瘤胃微生物的研究是反刍动物营养领域一个永恒的课题，本综述主要提出一种简单但重要的研究瘤胃微生物组成和功能的方法，即“功能组概念”。人们可以同时描述生态系统的功能和组成，还可以描述生态系统的生态位及其微生物的功能，这对理解和解释瘤胃生态系统应对扰动具有重要意义。
名词解释：
1、瘤胃（Rumen）：是反刍动物的第一胃，是迄今已知的降解纤维物质能力最强的天然发酵罐。
2、瘤胃微生物（The rumen microbiome）：是共生在牛、羊、鹿和骆驼等反刍动物瘤胃中的细菌、真菌和原虫等微生物的总称。
3、功能组（Functional group）：代谢输入和输出物种类极其相似或相同的微生物群。
4、功能组概念（Functional group concept）：是一种研究微生物生态系统的方法。环境中的每种生物都可根据其代谢输入和输出物被划分为某一功能组。
5、功能组集合体（Community states）：不同功能组的集合体。功能组集合体会对生态反馈引起的变化产生反抗除非扰动足够强。
6、菌群集合的决定性过程（Deterministic processes in community assembly）：在给定相同初始条件下，菌群集合的决定性过程会始终产生相同的菌群集合体。有一个例子是新生动物的瘤胃随着生长从好氧环境很快变为厌氧环境，同时伴随着兼性厌氧菌到厌氧菌的物种组成变化。
7、电子穴（Electron sinks）：电子流在一个能量上有利的反应（来自电子源）的最终流向。
8、历史偶然性（Historical contingency）：一系列内部和外部的重要事件导致产生了不同的微生物群落和生态系统功能。
9、组合效应（Portfolio effects）：当生态系统因物种属性的均匀和补偿性波动而面临扰动时，生物多样性的增加会形成一种功能性缓冲从而维护其稳定性。
10、优先效应/创始人效应（Priority effects/founder effects）：生态系统定居者的顺序会影响整个生态系统结构和功能的形成。
11、菌群集合的随机过程：是取决于随机变量集合的过程，因此菌群的分类组合有各种可能性。
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