微生物组学和代谢组学分析揭示了 Kuruma 虾（Marsupenaeus japonicus）的不同步生长机制

《Aquaculture》：Microbiomics and metabolomics analysis reveals the unsynchronized growth mechanism in kuruma shrimp ( Marsupenaeus japonicus)

　　微生物组学与代谢组学分析揭示对虾Marsupenaeus japonicus快速生长组（FG）与慢速生长组（SG）的肠道菌群差异（Vibrio减少）及代谢调控机制（如丙酮酸代谢、泛酸/CoA合成途径），发现22个差异代谢物（如丙酮酸↓、泛酸↓）可作为生长生物标志物，FG通过优先将丙酮酸分配至ATP合成与生物合成实现生长优势，为精准养殖提供理论依据。

　　

Jichen Zhao | Minze Liao | Miao Zhu | Bo Wang | Haipeng Qin | Chengbo Sun

广东海洋大学渔业学院，湛江524088，中国

摘要

生长不同步是甲壳类水产养殖业长期面临的一个挑战。由于对甲壳类动物生长机制的理解不足，这阻碍了养殖业的发展。本研究利用微生物组学和代谢组学技术，分析了经济上重要的 kuruma 虾（Marsupenaeus japonicus）快速生长组（FG）和慢速生长组（SG）在快速生长阶段和稳定生长阶段的生长差异。通过 ELISA 验证，鉴定出几种与生长相关的差异代谢物（DMs）。微生物组学结果显示，与 SG 组相比，FG 组的 Vibrio 浓度较低（p?>?0.05），同时碳水化合物代谢能力增强（p?M. japonicus 的生长生物标志物。以丙酮酸代谢为中心，泛酸和辅酶 A 的生物合成、糖酵解和柠檬酸循环等途径是调节 kuruma 虾生长的关键途径。FG 组个体可能通过优先将丙酮酸用于 ATP 生物合成而非储存来实现生长优势——这是 SG 组所缺乏的关键代谢适应机制。这些发现完善了甲壳类动物生长调节模型，并推动了精准水产养殖策略的发展。

引言

生长速率是甲壳类水产养殖产量和经济效率的关键决定因素，然而生长不同步现象在各种物种中仍然存在（Jung et al., 2013; Lv et al., 2015; Uengwetwanit et al., 2020; Santos et al., 2021）。尽管采用了标准化的遗传和环境控制措施（Zhao et al., 2021b; Jiang et al., 2020; Ren et al., 2017），但在商业上重要的物种（如 kuruma 虾 Marsupenaeus japonicus）中仍存在显著的个体生长差异，该物种是印度-西太平洋地区的重要水产资源（Liang et al., 2019; Liu et al., 2019; Wang et al., 2020; Wang et al., 2018）。虽然水产养殖的扩张部分缓解了野生资源的枯竭，但导致生长差异的分子机制尚未得到充分研究，特别是在宿主生理与微生物相互作用方面（Uengwetwanit et al., 2020），这不利于水产养殖业的发展。

肠道微生物群被认为是调节甲壳类动物生长的关键中介（Liao et al., 2019; Uengwetwanit et al., 2020）。微生物群落影响营养代谢、能量平衡和肠道发育（Long et al., 2022），其组成变化可能决定生物量积累效率（Liao et al., 2019）。这种微生物调节与宿主代谢途径协同作用（Uengwetwanit et al., 2020），表明甲壳类动物的生长调节可能涉及复杂的宿主-微生物群相互作用。此外，我们之前的 kuruma 虾研究通过肌肉组织的转录组和蛋白质组分析鉴定出一些与生长相关的基因和途径（Zhao et al., 2021c; Zhao et al., 2021a; Zhao et al., 2021b），但这些单一维度的方法无法捕捉到控制表型结果的转录-翻译-代谢连续体。

为填补这一知识空白，我们采用了一种结合微生物群落分析和代谢途径分析的综合性实验框架（图 1）。通过对遗传相似但生长差异显著的幼体进行 16S rRNA 测序来评估肠道微生物群动态。同时，利用 LC-MS 基础的代谢组学技术研究了不同发育阶段腹部肌肉的代谢变化。这种双组学策略具体探讨了两个调节轴：1）外源微生物对营养吸收效率的影响；2）涉及丙酮酸代谢和辅酶 A 生物合成等关键途径的内源代谢重编程。实验设计能够系统地评估微生物生态参数和宿主代谢适应过程。通过将微生物群落结构与代谢通量变化相关联，本研究建立了微生物群介导的营养处理与宿主能量利用策略之间的功能联系。鉴定出的代谢节点——特别是那些调节碳骨架分布和辅因子生物合成的节点——为生长调节提供了机制见解。这些发现加深了我们对十足类甲壳动物生长调节机制的理解，并为商业水产养殖系统的饲料优化和生长管理提供了实用策略。

实验设计

虾和实验设计

该研究方案获得了广东海洋大学动物护理和使用委员会伦理审查委员会的批准。实验使用的虾来自一个全同胞家族（Family 1），在广东海洋大学东海岛海洋研究站的 800 平方米的池塘中饲养（放养密度：40 只/平方米）。虾每天喂食两次商业颗粒饲料（粗蛋白含量 ≥43.0%，中国 Yuequn Biotechnology 公司生产），并在无交换水条件下进行饲养。水参数如下：

物种相对丰度分析

在门水平上，FG 组和 SG 组主要由 Proteobacteria、Firmicutes 和 Bacteroidetes 组成，FG 组的 Firmicutes 浓度略高于 SG 组（p?>?0.05；图 2A）。在属水平上，Photobacterium、Lactobacillus、Fusibacter 和 Vibrio 构成了核心微生物群（图 2B）。值得注意的是，FG 组的 Vibrio 浓度低于 SG 组（p?>?0.05；图 2C）。

功能预测

基于 PICRUSt 的宏基因组预测显示，膜转运是最丰富的功能类别

肠道碳水化合物代谢增强

肠道微生物群的结构和功能通过调节营养代谢、能量平衡、免疫防御和肠道稳态对虾的生长产生关键影响（Waode et al., 2020）。先前的研究表明，病原菌的差异丰度会导致不同的肠道微生物群结构，从而可能改变微生物的功能谱（Liao et al., 2019）。此外，摄食能力受损与肠道微生物群失调和碳水化合物代谢抑制有关

结论

FG 组个体通过降低 Vibrio 浓度和增强碳水化合物代谢实现了更优的营养利用。SG 组在生长阶段的代谢物水平普遍升高。二十二种 DMs（例如，Pyruvate、Pantothenate）可能是 M. japonicus 的生长生物标志物。生长调节以丙酮酸代谢为中心，涉及泛酸/辅酶 A 生物合成、糖酵解和 TCA 循环。FG 组个体可能通过优先将丙酮酸用于 ATP 生物合成而非储存来实现生长优势

CRediT 作者贡献声明

Jichen Zhao：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、验证、项目管理、方法学、研究、数据管理、概念构思。Minze Liao：验证、研究、数据管理。Miao Zhu：验证、概念构思。Bo Wang：验证、研究、数据管理。Haipeng Qin：验证、研究、数据管理。Chengbo Sun：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。

未引用的参考文献

Horwitz, 2005

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了 广东省基础与应用基础研究基金（2023A1515010117, 2023A1515011066）、广州市科技计划（2024A04J3417）和 国家自然科学基金（32302977）的支持。