微生物卡拉胶取食通路的分布揭示反刍动物肠道微生物组中广泛存在的潜在性状

牛的菜单上有海藻

农场主在寻找既可持续又有利于气候的饲料。海藻具有吸引力，因为它们生长不需淡水或肥料，有些甚至能降低牛排放的甲烷气体。然而，我们对海藻中的糖在牛肠道内如何被处理知之甚少。本研究探讨了牛及其肠道微生物如何处理来自红藻的常见凝胶糖——卡拉胶，以及这对许多有蹄动物消化系统中隐藏能力的启示。

牛与微生物如何分担工作

像其他反刍动物一样，牛依赖庞大的微生物群落来消化其自身无法分解的韧性植物纤维。这些微生物分布在整个肠道，而不仅仅集中在著名的第一个胃——瘤胃。研究团队给牛喂食一种名为Mazzaella japonica的红藻，该藻富含卡拉胶，然后将其胃内和粪便中的微生物与正常饲料牛进行比较。结果显示瘤胃变化有限，但下部肠道（消化物排出体外的部位）的微生物发生了显著转变。特别是，Bacteroides属细菌在添加海藻饲料后数量大幅增加。

海藻成为专一细菌的食物

为验证这些微生物是否真的能以海藻糖为生，研究者在实验室中用纯化的卡拉胶和红藻提取物培养来自牛样本的细菌。若干Bacteroides菌株在以卡拉胶为唯一碳源的条件下茁壮生长，说明它们能在没有其他营养帮助的情况下将卡拉胶作为食物。当团队用荧光标记海藻糖时，观察到这些菌株将带光的物质摄入其细胞内。这提示了一种“自私”式的取食方式：细菌直接截获并消化海藻碎片，而不是将糖类自由共享给邻近微生物。

用于海藻消化的隐性基因工具

通过研究这些微生物的DNA和蛋白质，科学家们发现了一组组成功能完备的基因簇，用于分解卡拉胶。这些基因簇称为多糖利用位点（polysaccharide utilization loci），编码能够剪切长链糖并去除会阻碍消化的硫酸基的酶。研究深入考察了一类攻击卡拉胶骨架的关键酶，显示其活性位点的微小结构差异使得每种酶偏好不同类型的卡拉胶。有些酶在高度硫酸化的形式上效果最佳，而有些则擅长处理部分修剪的“混合”版本，二者协同使细菌能拆解复杂的海藻细胞壁。

有蹄动物中广泛但沉默的才能

作者随后在来自牛、水牛、鹿、绵羊、山羊，乃至麝鹿和长颈鹿等野生动物的大型基因数据库中进行检索。他们发现许多与最初在牛中鉴定的卡拉胶基因簇非常接近的同源物，往往具有非常相似的酶组合和基因顺序。这些匹配出现在不同大陆和环境的动物体内，即使在试验中使用的那种红藻并不在这些地区自然生长。这表明卡拉胶消化通路是许多有蹄哺乳动物肠道微生物中常见但通常处于沉默状态的性状，只要海藻进入饮食，这些通路便可能被激活。

追溯陆地与海洋之间的古老联系

通过将陆生动物的这些基因簇与海洋细菌及以海藻为食的鱼类中的序列进行比较，研究暗示了一个古老而复杂的进化故事。某些牛微生物中的卡拉胶基因与专门以海藻为食的鱼类肠道细菌中的基因相似，且两者都显示出通过水平基因转移获得的迹象，而不仅仅是通过缓慢突变。这些证据共同指向海洋与陆地微生物之间长期的基因共享历史，可能由食用海藻或捕食以海藻为食物种的动物所驱动。

这对未来农业的意义

对非专业读者而言，主要结论是：即便动物以前从未食用海藻，牛及其近亲的肠道中也已潜藏着能处理海藻糖的微生物伙伴。这些“潜在”性状意味着反刍动物的肠道可以在不依赖长期进化的情况下迅速适应新型饲料。虽然本研究所测的特定红藻并未显著减少甲烷排放，但理解其糖类如何被处理为设计更聪明的海藻基饲料打开了大门。此类饲料可更有效地将养分输送到下部肠道，作为有针对性的益生元促进有益细菌生长，并利用反刍动物微生物组的隐性遗传潜力来支持更可持续的畜牧生产。

引用: Tingley, J.P., Andersen, T.O., Mihalynuk, L.G. et al. Distribution of microbial carrageenan foraging pathways reveals a widespread latent trait within the ruminant intestinal microbiome. Nat Commun 17, 4237 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70776-7

关键词: 海藻饲料, 反刍动物微生物组, 卡拉胶消化, Bacteroides细菌, 潜在性状