秦岭圈养大熊猫幼年期与成年期肠道菌群结构及功能差异解析

doi:10.16829/j.slxb.151162

摘要/Abstract

摘要：

本研究旨在通过宏基因组技术探究秦岭圈养大熊猫（Ailuropoda melanoleuca）幼年期与成年期肠道菌群结构和功能差异，为阐明秦岭圈养大熊猫的肠道菌群对不同阶段饮食的适应性响应，开发针对提高秦岭圈养大熊猫的促消化益生菌产品和改善其营养健康提供重要的理论依据。本研究采集秦岭大熊猫研究中心饲养的3只幼年（2 ~ 4月龄）和3只成年（62 ~ 63月龄）大熊猫粪便样本，通过宏基因组测序技术，对粪便细菌进行物种注释、多样性分析和功能注释与分析。测序共获得424 716 776条有效序列，构建非冗余基因后共获得318 605个基因。α多样性表明，与幼年组相比，成年组Chao1和Ace指数极显著提高（P < 0.01），而Shannon和Simpson指数极显著降低（P < 0.01）；β多样性分析表明，两组样本肠道菌群结构差异明显；物种注释结果表明，幼年组以乳杆菌属（Lactobacillus）为主，成年组则以埃希氏菌属（Escherichia）和链球菌属（Streptococcus）为主，并在成年组中发现地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）、半乳糖地质杆菌（Geobacillus galactosidasius）和粪堆梭菌（Thermoclostridium stercorarium）等具有木质纤维素降解潜力的低丰度细菌。功能注释结果显示，幼年组GT4、GH43、GH73、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、翻译、脂质代谢、核糖体结构和生物合成等通路富集程度显著高于成年组（P < 0.05）。本研究基于宏基因组学解析了秦岭圈养大熊猫幼年期与成年期肠道菌群特征与差异，挖掘到与木质纤维素分解相关的菌群，为后续促消化菌剂产品的研发，及助力大熊猫精准营养管理和肠道健康提供重要依据。

关键词: 宏基因组学, 秦岭圈养大熊猫, 肠道菌群, 功能分析

Abstract:

This study investigated structural and functional differences in the gut microbiota of juvenile and adult captive giant pandas (Ailuropoda melanoleuca) in Qinling using metagenomic sequencing, with the aim of characterizing microbial adaptation to age-related dietary shifts and informing the development of targeted probiotics to support digestion and nutritional health. Fecal samples were collected from three juveniles (2 ‐ 4 months old) and three adults (62 ‐ 63 months old) at the Qinling Giant Panda Research Center. After sequencing, we conducted taxonomic profiling, diversity analyses, and functional annotation of the fecal microbiome. In total, 424 716 776 high-quality reads were generated, yielding 318 605 non-redundant genes. Alpha-diversity analyses showed that adults had significantly higher richness (Chao1 and ACE) but significantly lower diversity (Shannon and Simpson) than juveniles (P < 0.01), suggesting a community with more taxa but greater dominance by a few lineages in adults. Beta-diversity analyses revealed a clear separation in microbial community structure between the two age groups. At the genus level, Lactobacillus predominated in juveniles, whereas Escherichia and Streptococcus were predominant in adults. Notably, several low-abundance bacteria with potential lignocellulose-degrading capacity (e.g., Bacillus licheniformis, Geobacillus galactosidasius, and Thermoclostridium stercorarium) were detected exclusively in adults. Functional annotation indicated that CAZy families (GT4, GH43, and GH73) and functions related to carbohydrate metabolism, amino acid metabolism, translation, lipid metabolism，and ribosome biogenesis were significantly enriched in juveniles compared with adults (P < 0.05). Overall, this metagenomic analysis delineates distinct gut microbial features of juvenile and adult captive giant pandas and highlights candidate taxa potentially involved in lignocellulose degradation, providing a basis for precision probiotic development and gut-health management in this species.

Key words: Metagenomics, Captive giant pandas in Qinling region, Gut microbiota, Functional analysis

中图分类号:

Q958.1

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图/表 10

表1 实验大熊猫基本信息表

Table 1 The basic information of the tested pandas

组名 Group

编号 Number

年龄 Age

日粮组成 Diet composition

出生地 Birthplace

幼年组

Juvenile

2月龄

2 months old

母乳，每天3次，每次100 g

Breast milk， 3 times/day， 100 g/time

秦岭大熊猫研究中心

（陕西省珍稀野生动物救护基地）

Research Center for the Qinling Giant Panda （Shaanxi Rare Wildlife Rescue Base）

3月龄

3 months old

母乳，每天3次，每次130 g

Breast milk， 3 times/day， 130 g/time

4月龄

4 months old

母乳，每天2次，每次220 g

Breast milk， 2 times/day，220 g/time

成年组

Adult

62月龄

62 months old

竹子30 kg，苹果0.25 kg，胡萝卜1 kg，

南瓜1 kg，窝窝头300 g

Bamboo 30 kg， apple 0.25 kg， carrot 1 kg， pumpkin 1 kg， steamed corn bun 300 g

63月龄

63 months old

63月龄

63 months old

表2 样本测序信息

Table 2 Sample sequencing information

样品 Sample	高质量reads数 Clean reads	有效碱基总数 Clean data/bp	质控后碱基GC含量 GC/%	Q20/%	Q30/%
A1	85 996 110	12 891 207 670	49.17	97.36	92.62
A2	80 685 546	12 096 032 915	53.26	97.77	93.60
A3	65 251 992	9 780 335 742	43.53	97.13	92.08
B1	62 875 460	9 425 792 981	45.35	97.64	93.12
B2	66 260 324	9 930 960 623	45.48	97.43	92.69
B3	63 647 344	9 542 239 488	45.28	97.66	93.19

表3 组装结果统计表

Table 3 Statistical table of assembly results

样品 Sample	Contigs总数 Contigs No.	Contigs总长 Contigs total length/bp	Contigs平均长度 Contigs average length/bp	Contigs长度最大值 Contigs maximum contigs length/bp	Contigs长度最小值 Contigs minimum contigs length/bp	N50值 N50/bp	N90值 N90/bp
A1	11 001	49 624 552	4 510.91	830 781	500	25 851	1 381
A2	20 059	75 770 877	3 777.40	544 716	500	11 720	1 170
A3	22 253	52 059 617	2 339.44	830 985	500	11 969	686
B1	35 335	59 385 152	1 680.63	92 515	500	2 988	621
B2	53 247	72 411 477	1 359.92	140 979	500	1 840	577
B3	43 970	64 211 550	1 460.35	116 002	500	2 207	591

表4 粪便微生物α多样性分析结果

Table 4 α diversity analysis fecal microbial community

组名

Group

Chao1指数

Chao1 index

Ace指数

Ace index

Shannon指数

Shannon index

Simpson指数

Simpson index

图1 基于种水平的肠道菌群β多样性分析. a：PCA分析；b：PCoA分析；c：PERMANOVA分析；d：ANOSIM分析

Fig.1 Beta diversity analysis of gut microbiota at the species level. a: PCA; b: PCoA; c: PERMANOVA; d: ANOSIM

图2 幼年与成年大熊猫肠道微生物组成. a：门水平韦恩图；b：属水平韦恩图；c：种水平韦恩图；d：门水平相对丰度；e：属水平相对丰度；f：种水平相对丰度

Fig. 2 Gut microbial composition of juvenile and adult giant pandas. a: Venn diagram at the phylum level; b: Venn diagram at the genus level; c: Venn diagram at the species level; d: Relative abundance at the phylum level; e: Relative abundance at the genus level; f: Relative abundance at the species level

图3 幼年与成年大熊猫肠道微生物相对丰度差异分析. a：门水平；b：属水平；c：种水平

Fig. 3 Differences in gut microbial relative abundance between juvenile and adult giant pandas at the phylum, genus, and species levels. a: Phylum level; b: Genus level; c: Species level

图4 CAZy数据库注释结果. a：Level 1水平上的CAZy数据库注释结果；b：Level 2水平上的CAZy数据库注释结果；c：LEfSe分析结果；d：Level 2水平上的功能差异分析结果

Fig. 4 Annotation results of the CAZy database. a: Annotation results at Level 1 of the CAZy database; b: Annotation results at Level 2 of the CAZy database; c: LEfSe analysis results; d: Differential functional analysis results at Level 2

图5 KEGG数据库注释结果. a：Level 1水平上的注释结果；b：Level 2水平上的注释结果；c：Level 1水平上的功能差异分析结果；d：Level 2水平上的功能差异分析结果

Fig. 5 Annotation results of the KEGG database. a: Level 1 annotation; b: Level 2 annotation; c: Differential analysis at Level 1; d: Differential analysis at Level 2

图6 EggNOG数据库注释结果.a：EggNOG数据库第一层级功能注释结果；b：EggNOG数据库第一层级功能差异分析结果

Fig. 6 Annotation results of the EggNOG database. a: Functional annotation results at Level 1; b: Differential functional analysis results at Level 1

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