此研究结果概述了黄酮类代谢谱，揭示了黄酮类与肠道菌群之间的相互作用，通过塑造菌群结构，在宿主的健康维护中发挥了重要作用。本研究提示在野生动物的保护管理中，膳食黄酮类可以作为益生元。
编译：微科盟北岸，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。
导读
背景：黄酮类化合物是一种重要的植物次生代谢产物（PSMs），具有促进人体健康的作用。然而，人们对类黄酮的整体代谢以及类黄酮与肠道菌群之间的相互作用知之甚少。富含类黄酮的竹子和大熊猫为弥补这一差距提供了理想的系统模型。
结果：本文采用代谢组学和宏基因组学相结合的方法，通过体外培养实验，共鉴定出97种竹子中未鉴定的黄酮类化合物；70%以上的类黄酮单体的利用与肠道微生物有关；竹叶和竹笋中类黄酮含量的变化决定了竹叶和竹笋微生物量的季节性变化。食物中类黄酮含量越高，微生物多样性和毒力因子越低，但纤维素降解物种越多。
结论：此研究显示了在非模式哺乳动物中有益PSMs前所未有的景观，并揭示了PSMs重塑肠道微生物群，使宿主在生态环境中适应饮食转变，为宿主-微生物相互作用提供了新的见解。
论文ID
原名：Multi-omicsrevealsthepositiveleverageofplantsecondarymetabolitesonthegutmicrobiotainanon-modelmammal
译名：多组学揭示了植物次生代谢产物对非模式哺乳动物肠道菌群的影响
期刊：Microbiome
IF：16.837
通讯作者：魏辅文
通讯作者单位：中国科学院动物研究所动物生态与保护生物学重点实验室；南方海洋科学与工程广东省实验室；中国科学院大学；
DOI号：10.1186/s40168-021-01142-6
实验设计
结果
1竹叶和竹笋中类黄酮含量的显著变化显示出不同季节食性的差异
基于液相色谱-质谱（LC-MS）的代谢组学方法，共15个样品分别代表5种食性（每种食性1种，3个混合重复）进行黄酮类化合物的测定（表S1）。在本地数据库中鉴定出97种黄酮类单体，其中黄酮类62种，黄酮醇类18种，黄烷酮类12种，异黄酮类3种，查尔酮1种和黄烷酮醇1种，多数为苷类（图1A-C，表S2）。鉴定的黄酮类化合物大部分来自6个简单的化合物，包括：麦黄酮、芹黄素、毛地黄黄酮、金圣草黄素、槲皮苷和柚苷配基（图1C）。研究人员检测了2种多酚（原儿茶酸和原儿茶醛），由于它们数量少、结构相似，且与黄酮类化合物具有生物活性，因此也被纳入后续分析。在之前的一项研究中，鉴定或实验测试了竹子中有限数量的黄酮类化合物，分别为毛地黄黄酮和芹黄素的C-糖苷。
竹叶中黄酮类化合物含量高于竹笋（Wilcoxon秩和检验，P<0.05；图1B）。竹叶中含有约100种类黄酮单体（WL，95；CL，97）远超过竹笋（WS，52；CS_I，57；CS_II，40；图1B）。只有2种单体（1种黄酮醇：quercetin7-O-rutinoside；1种黄烷酮：afzelechin）是在竹笋中发现，而这些在竹叶中没有发现。总的来说，研究发现竹叶和竹笋之间有很大的差异，这表明大熊猫全年摄入的类黄酮有明显的变化。
2系统代谢谱表明肠道菌群有效的利用黄酮类化合物
为了确定黄酮类化合物在大熊猫体内的吸收、分布和生物转化，对圈养个体（n=44）的血浆样本进行分析，分析方法与“材料和方法”中描述的提取方法相同。在圈养组中，只有一小部分黄酮类进入血液（以叶子为食的CL，12个单体；在CS_Ⅰ的竹笋上，6个单体；在CS_II上，6个单体）（表S3）。主要为黄酮类化合物（如麦黄酮、川皮苷和桔皮素）和黄酮糖基化衍生物（如毛地黄黄酮的荭草苷和芹黄素的schaftoside；图2A，表S2）。
然后，根据每一亚类/单体在食物与粪便中所占比例的变化，确定了大熊猫对黄酮类的利用偏好。在黄酮类水平上，粪便中黄酮醇的相对比例显著低于食物（P<0.05），而异黄酮和黄烷醇的相对比例显著低于食物（P<0.05；图2B）。由此可见，黄酮醇的吸收利用率高于其他亚类。在特定化合物中，通过比较食物和粪便，共鉴定出38个具有高吸收率的单体（表S4）。38个单体中有27个以糖基化形式存在，如水仙苷（3′-methylquercetin3-O-rutinoside）、apigenin6,8-C-diglucoside和金丝桃苷(quercetin3-Dgalactoside)。3种黄酮醇单体，包括槲皮苷的2个衍生物（di-O-methylquercetin和quercetin3-O-rutinoside）和丁香黄素的O-glycoside，在所有组的粪便中检测不到。结合亚类比例的变化，这些结果表明黄酮醇虽然更容易被吸收，但不进入循环。这些结果表明了大熊猫对黄酮类利用的偏好次序。黄酮醇含量最高；其次是黄酮、黄烷酮和查尔酮；异黄酮和黄烷醇偏好性最低。此外，我们推断黄酮醇主要是由肠道菌群利用生物转化而来。
图2黄酮类化合物在大熊猫饮食、粪便和血浆中的整体分布及亚类在食物和粪便中的比例变化。A上图为三种样本黄酮类维恩图。下图是黄酮类的条形图。柱状图上的每一个数字表示在相应样本中检测到的黄酮类的数量。当数字少于3时，没有给出数字。食物和粪便之间的数量是每个亚类中重叠黄酮类的数量。B条形图上的数字代表了7个亚类的百分比。向上箭头和向下箭头分别表示粪便中所占百分比高于食物中所占百分比。***P<0.001,**P<0.01,*P<0.05。
3黄酮类化合物与肠道微生物种类的联系
为了在物种水平上探索肠道微生物系统的生物多样性，使用了1种基于宏基因组样本组合共丰度基因（CAG）的方法。总共144个宏基因组物种（MGS）含有>700个基因（表S6）为生态细菌群落的基因组。野生种群中有61个MGS（厚壁菌门为优势菌门；WL，45；WS，54），圈养种群中有101个MSG（变形菌门和厚壁菌门为优势菌门；CL，31；CS，96）。尽管野生和圈养种群的肠道微生物群拥有不同的分类水平的菌群（图S2），从吃竹笋到吃竹叶，它们肠道菌群组成变化趋势相同。与基因水平结果一致，发现WL和CL中MGS的数量明显低于WS和CS（P<0.01，Wilcoxon秩和检验，FDR<0.05；图3D和图S3）。此外，与野生环境中MGS丰富度的季节变化大于圈养环境。野生和圈养MGS季节性差异分别占MGS总数的37.70%（23/61）和77.23%（78/101）（图S4）。
4食物中黄酮类化合物可诱导肠道菌群的季节性变化
图4添加黄酮对体外培养粪便菌群组成的影响。A处理组（黄酮类化合物）和对照组在属分类水平上的菌群差异（线性判别分析（LDA）评分>2）。B黄酮类组和对照组之间的OTU差异。
5粪便菌群具有参与黄酮类生物转化的酶
鉴于黄酮类化合物对肠道菌群组成的影响，推测肠道菌群可能有助于大熊猫对黄酮类化合物的利用和生物转化。根据京都基因和基因组百科全书（KEGG）数据库对所有基因进行注释，以阐明黄酮类利用和转化中的微生物功能。首先，集中在那些充分利用的单体上（见上图和图2A）。芦丁在竹叶和竹笋中都存在，但在血液和粪便中始终不存在。芦丁由鼠李糖和葡萄糖组成的二糖、槲皮素和芦丁糖组成的黄酮醇糖苷（图5A）。我们在所有类群的样品中发现了2种酶，即α-L-rhamnosidase（EC3.2.1.40）和β-葡萄糖苷酶（EC3.2.1.21），涉及芦丁转化的2个关键步骤。α-L-rhamnosidase特异性裂解末端α-L-rhamnose，然后是β-葡萄糖苷酶裂解葡萄糖（图5A）。因此，芦丁的高利用率）在很大程度上归因于微生物酶。这些酶还催化CL、WS和CS_II组中7-O-rutinoside完全降解。
除上述2种酶外，大熊猫肠道菌群中还存在其他糖苷水解酶，包括α-半乳糖苷酶（EC3.2.1.22）、β半乳糖苷酶（EC3.2.1.23）、α-葡萄糖苷酶（EC3.2.1.20）和甘露寡糖葡萄糖苷酶（EC3.2.1.106）。这些酶可能有助于27个糖基类黄酮的高利用率，并显著降低其从饮食到粪便的百分比。随着微生物的广泛参与，膳食中的黄酮类化合物被脱糖基化为苷元和单糖化合物（图5B）。例如，金丝桃苷（quercetin3-D-galactoside）可以被β-半乳糖苷酶水解，释放半乳糖（图5B）。
6季节性肠道菌群的功能显示，黄酮类化合物可降低微生物毒性因子
讨论
大熊猫是生物多样性保护的旗舰物种。利用代谢组学和宏基因组学方法，通过揭示PSM和肠道微生物组之间的相互作用，扩展了关于大熊猫营养生态学的知识的广度和深度。广泛定位的代谢组学分析表明，野生和圈养大熊猫的膳食竹子中含有不同的黄酮类单体，表明大熊猫摄入的黄酮类的种类/数量高于已知水平。
到目前为止，各种哺乳动物肠道微生物群的形成机制还很复杂，涉及到许多生态和环境因素，以及宿主本身。在本研究中，圈养种群的肠道微生物多样性远高于野生种群。研究人员怀疑圈养环境与野生环境完全不同（如海拔、温度、食物资源，特别是人类活动），前者比野生环境复杂得多。此外，圈养环境中的竹子（包括竹笋和竹叶）不如野生食物新鲜，因为它们总是至少提前一天被运到基地，在此期间，许多细菌从人工环境传播到食物中。
结论
综上所述，此研究结果概述了黄酮类代谢谱，揭示了黄酮类与肠道菌群之间的相互作用，通过塑造菌群结构，在宿主的健康维护中发挥了重要作用。本研究提示在野生动物的保护管理中，膳食黄酮类可以作为益生元。
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