雄性黑腹果蝇肠道微生物群的年龄依赖性动态及其与生活史性状的关联研究

《Microbial Ecology》：Age-Dependent Gut Microbiota Dynamics and Their Association with Male Life-History Traits in Drosophila melanogaster

　　本研究针对雄性果蝇肠道微生物群与生活史性状关联研究不足的问题，研究人员通过分析22个DGRP近交系的年轻和年老雄性果蝇，结合16S rDNA测序和机器学习方法，揭示了肠道微生物组成随年龄的显著变化，并发现醋酸杆菌属物种与雄性寿命缩短和衰老加速相关。该研究为理解宿主-微生物互作在雄性生活史进化中的角色提供了新视角。

　　

在生命科学领域，理解衰老和繁殖的机制对于揭示生活史进化的复杂动态至关重要。近年来，越来越多的证据表明，肠道微生物群与多种物种的生活史进化密切相关，包括黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）这类经典模式生物。肠道微生物群通过扩展宿主基因代谢能力、调节免疫系统等方式，显著影响宿主的寿命、健康期、繁殖和行为。值得注意的是，将年轻个体的微生物群移植给年老个体，甚至可以逆转宿主衰老，延长寿命并增强晚期繁殖能力。这些发现将肠道微生物群定位为生活史进化的核心组成部分。

然而，现有关于生活史进化的研究存在明显的性别偏见，主要集中在雌性个体上。这导致了对肠道微生物群与雌性生活史关联的深入研究，而雄性个体的相关探索则相对匮乏。例如，在果蝇等模式生物中，肠道微生物对雌性寿命和繁殖的影响，以及在一定程度上对雄性寿命的影响已有较多报道，但其在雄性繁殖中的作用却远未明晰。少数探索微生物群对雄性适应性影响的研究表明，其对于交配行为和繁殖成功具有显著效应。例如，特定细菌感染会影响雄性果蝇的交配持续时间及后代数量。这些发现表明，肠道微生物是影响雄性适应性的一个重要因素。

在此背景下，研究人员在《Microbial Ecology》上发表了题为“Age-Dependent Gut Microbiota Dynamics and Their Association with Male Life-History Traits in Drosophila melanogaster”的研究论文，旨在通过研究雄性果蝇肠道微生物群的年龄动态及其与生活史性状的关联，填补这一知识空白。

为开展本研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：利用果蝇遗传参考面板（DGRP）的22个近交系作为实验对象；系统测量了雄性果蝇的寿命、早期/晚期繁殖力以及早期/晚期生理性能（如攀爬速度）等关键生活史性状；通过解剖年轻（5日龄）和年老（26日龄）果蝇的肠道，采用16S rDNA扩增子测序（Illumina MiSeq平台）技术分析肠道微生物群落组成；利用dada2流程进行序列数据处理和质量控制；采用DESeq2进行差异丰度分析；并运用机器学习（随机森林模型）预测年龄分类和生命史特征。

生命史性状和肠道微生物群的变异

研究人员首先测量了22个DGRP近交系雄性果蝇的关键生活史性状，包括平均寿命、早期攀爬速度、功能衰老、早期繁殖成功和繁殖衰老。结果表明，不同近交系间的生活史性状存在显著变异，例如，最长寿命是最短寿命的2.3倍，最高早期攀爬速度是最低值的3.6倍，最高早期繁殖成功是最低的6.16倍。平均寿命为37.8天（标准差8.23天）。除早期攀爬速度与功能衰老之间存在显著相关外，其他性状间未发现显著相关性。通过对161个样本（年轻和年老）的肠道微生物进行测序分析，共鉴定出677个扩增子序列变异（ASV）。样本中位ASV数为184个（范围53-300）。物种和属水平的多样性在年老样本中略有下降，而ASV多样性则有所增加。主成分分析（PCA）和主坐标分析（PCoA）均显示，样本按年龄呈现明显的聚类趋势。

基于微生物组成的年龄预测

研究人员训练了一个随机森林模型，利用物种水平的中心对数比（CLR）转换后的丰度数据来预测样本的 chronological age（年轻 vs. 年老）。模型在测试集上达到了84%的准确率（42/50个样本正确分类），显著高于54%的无信息率基线。对模型最重要的物种包括 Acetobacter tropicalis, Ralstonia pickettii, Acetobacter indonesiensis, Leuconostoc pseudomesenteroides 和 Acetobacter persici。然而，利用微生物丰度预测具体生活史性状（如早期攀爬速度、寿命等）的模型表现不佳，决定系数（R²）大多低于0.1，表明微生物组成对这些性状的预测能力有限。

年龄和近交系对肠道微生物组成的影响

差异丰度分析显示，雄性年龄、近交系及其交互作用对细菌丰度有显著影响。总体而言，醋酸杆菌属（Acetobacter）的相对丰度随年龄增长而增加，而其他属如 Ralstonia 则丰度降低。这种变化模式在不同近交系间存在差异。Beta多样性分析表明，年老果蝇的肠道微生物群落彼此之间比年轻果蝇更为相似，这可能反映了在衰老过程中肠道微生物群落向少数优势类群（如醋酸杆菌）的收敛。

肠道微生物群与生命史性状的关联

尽管微生物总体多样性与雄性生活史性状未发现显著相关性，但特定细菌物种的丰度与衰老相关性状存在显著关联（错误发现率FDR调整后p值<0.1）。在早期生命中，Acetobacter ascendens 的丰度与功能衰老呈正相关；Acetobacter indonesiensis 的丰度与繁殖衰老呈正相关。在晚期生命中，Acetobacter ascendens 和 Acetobacter pasteurianus 的丰度均与平均寿命呈负相关。这些结果表明，特定的醋酸杆菌物种可能与雄性果蝇较快的功能衰退、繁殖衰老和较短的寿命有关。

本研究揭示了雄性黑腹果蝇肠道微生物组成随年龄发生的显著变化，并明确了其与关键生活史性状的关联。研究发现，肠道微生物组成能够高精度地预测宿主的时序年龄，但不能有效预测其生活史性状。醋酸杆菌属在年老个体中占据主导地位，且其某些物种的丰度与较短的寿命和加速的衰老表型相关。这些关联性发现提示，特定的微生物类群可能在雄性衰老和繁殖策略中扮演重要角色。然而，这些关联是因果关系还是相关关系，仍需通过实验操纵微生物群（如无菌动物模型、定植实验）来进一步验证。该研究强调了在受控实验条件下研究宿主基因型、年龄和微生物群互作的重要性，为理解微生物群在雄性生活史进化中的作用提供了新的见解，并指出了未来研究的方向，例如探究这些关联背后的机制以及在不同生态环境下的普适性。