肠道微生物群对低聚果糖和菊粉的反应差异由初始肠道拟杆菌/双歧杆菌比例决定

来源：本站日期：2023/12/18 浏览：0

科研丨江南大学:肠道微生物群对低聚果糖和菊粉的反应差异由初始

肠道拟杆菌/双歧杆菌比例决定(国人佳作)

                      导读

已知益生元可以调节肠道微生物群，但存在宿主差异性，这主要是由于肠道微生

物群对碳水化合物利用的差异。双歧杆菌(Bifidobacterium)和拟杆菌(Bacteroides)

是强大的碳水化合物利用菌，两者的比例与益生元的利用密切相关。然而，益生元对

具有不同拟杆菌/双歧杆菌(Bacteroides/Bifidobacterium, Ba/Bi)比例的受试者肠道

微生物群及其代谢物的组成和功能的差异影响尚未研究。本研究使用两种益生元(低聚

果糖(FOS)和菊粉)在高Ba/Bi(H)和低Ba/Bi(L)两个人群中进行了一项为期4周的随机

双盲、平行四组试验。两种人群对益生元的反应都受到基线微生物群背景特异性的影

响。值得注意的是，在总体水平上，FOS在调节肠道微生物群方面略优于菊粉。在不

同微生物群背景下，FOS对肠道微生物群的调节在两组之间存在显著差异。产丁酸菌

在H受试者中明显更丰富，丁酸和相关代谢产物水平进一步升高，H受试者更有可能

从FOS干预中获益。两组对菊粉的反应仅表现出代谢差异，L组丙酸含量显著增加，

并富集糖酵解功能，而H组则富集氨基酸和氨基糖酵解功能。综上所述，这些结果为

不同肠道背景的人群选择合适的益生元提供了依据。

论文ID

原名：Response differences of gut microbiota in oligofructose and inulin are

determined by the initial gut Bacteroides/Bifidobacterium ratios

译名：肠道微生物群对低聚果糖和菊粉的反应差异由初始肠道拟杆菌/双歧杆菌比例决定

期刊：Food Research International

IF：8.1

发表时间：2023.10

通讯作者：翟齐啸

通讯作者单位：江南大学食品学院

DOI号：10.1016/j.foodres.2023.113598

实验设计

结果

1 受试者的基线特征

   本研究对57名健康受试者进行了一项随机双盲、平行四组研究。在这种情况下，每位

受试者每天需要摄入10 g益生元，方案依从率为95.6%±3.2% (表S1)。在入组的60名受试

者中，有3名受试者退出了研究。其中，2名受试者未按时服用益生元，1名受试者在试验期

间服用抗生素，因此被排除在分析之外(图1B)。完成试验方案的受试者(n=57)包括35名女

性和22名男性，年龄为22±4.6岁，BMI为21.7±2.6 kg/m²。基线时各干预组间年龄、性

别、BMI均无差异(表S2)。57名受试者的基线肠道微生物群和Ba/Bi比值如图S1A-B所示，

H(高Ba/Bi)和L(低Ba/Bi)受试者之间的Ba/Bi比值存在显著差异(p<0.05)。通过事后功效计

算，57名受试者在误差α=0.05的情况下获得了d=0.795的效应量(图S2)，这几乎等于先验

分析设定的0.8的功效，从而证明初始样本量是有效的。

2 益生元对肠道菌群组成及多样性的影响

    本研究观察到FOS干预解释了肠道微生物总变异的24%，而菊粉干预解释了总变异的

17%(图S1C)。在整体水平上，FOS在调节受试者的微生物群方面略优于菊粉(图S1D)。接

下来，本研究详细探讨了不同类型的益生元对不同类型受试者(H和L)的肠道微生物群的影

响。与基线相比，益生元给药后H组和L组的肠道菌群α多样性显著降低(图2A和图2C)，但

组间无显著差异(图2B,图2D,图S3A-B)。如图2E和2F所示，两类受试者的基线微生物群存

在显著差异(p<0.05)。在菊粉干预后，H和L受试者的微生物群随时间的推移没有差异。然

而，在FOS干预后，H和L受试者的微生物群随时间的推移表现出差异趋势(p=0.08)。从图

S3C-D可以看出，菊粉和FOS干预后，L受试者微生物群显著分离(p<0.05)，而H受试者微

生物群无显著差异。

3 益生元对细菌分类群和CARG相对丰度的影响

    FOS和菊粉在门水平和属水平上改变了肠道微生物群的组成。如图3A和表S3所示，与

基线相比，益生元干预后双歧杆菌属(Bifidobacterium)、Blautia、霍氏真杆菌

(Eubacterium hallii)、乳杆菌属(Lactobacillus)和Romboutsia的相对丰度显著增加

(p<0.05)。经菊粉干预后，两种类型受试者的微生物群更接近，差异细菌数量更少(图

3B)。在属水平上，H受试者中毛螺菌属(Lachnospira)、瘤胃球菌1(Ruminococcus 1)和

拟杆菌属(Bacteroides)的相对丰度下降幅度显著大于L受试者(p<0.05)。FOS干预对两种

类型受试者的微生物群均有显著影响(图3C)。FOS干预后，与L受试者相比，H受试者中

Blautia和Romboutsia的相对丰度显著增加，Bacteroides和Parsutterell的相对丰度显著

降低。接下来，本研究分别探究了H和L受试者对不同益生元的响应。如图3D所示，在FOS

和菊粉干预后，只有两种细菌在H受试者中存在显著差异。在门、科和属水平下，FOS和菊

粉干预对L受试者的微生物群变化有显著不同的影响(图3E)。例如，与菊粉相比，FOS干预

显著增加了乳杆菌属(Lactobacillus)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)、双歧杆菌科

(Bifidobacteriaceae)、放线菌门(Actinobacteria)(p<0.05)。综上所述，L受试者受益生

元类型的影响，而H受试者则相反。

   共现网络分析显示，益生元治疗影响最大的55个ASVs被聚类为7种CARGs。菊粉对

CARG3的降低在H受试者中显著高于L受试者(图3B)。H受试者中FOS降低CARG3和

CARG2的程度显著高于L受试者(p<0.05)。对于L受试者，FOS显著提高了CARG7水平，

菊粉显著提高了CARG6水平。CARG6中的Blautia、Eggerthella和CARG7中的

Bifidobacterium、柯林斯菌属(Collinsella)之间存在正相关关系，表明益生元可能通

过这些分类群之间的合作相互作用而降解(图S4)。

图3.FOS和菊粉干预后不同类型受试者细菌分类群和CARGs丰度的变化。(A)门、属和CARGs的平均

log2转换倍数变化热图显示了显著的时间、处理和/或交互作用效应(p<0.05，Scheirer-Ray-Hare

检验)。Wilcoxon检验用于确定每个处理组在不同时间相对于基线变化的统计学意义。*p<0.05，

**p<0.01。(B)菊粉对H、L受试者肠道菌群和CARG的影响。(C) FOS对H、L受试者肠道菌群和CARG

的影响。(D)不同类型益生元对H受试者肠道菌群和CARG的影响。(E)不同类型益生元对L受试者肠道

菌群和CARG的影响。

4 益生元对粪便短链脂肪酸的影响

    虽然益生元的摄入并没有改变总SCFA浓度，但不同益生元对单个SCFA的影响方式不

同。如图4A所示，与基线相比，益生元干预后丙酸和丁酸有增加的趋势，但没有统计学差

异(p>0.05)。菊粉干预后，H和L受试者之间丙酸浓度的变化存在显著差异(图4B)。由于粪

水的存在及其影响对SCFA浓度的定量有影响，本研究评估了每种SCFA的相对比例。通过

组内比较，菊粉显著提高了L受试者中丙酸的相对比例(p<0.05)，而FOS导致L受试者中乙

酸和H受试者中丁酸的相对比例显著增加(图4A)。组间比较显示，菊粉干预显著提高了L受

试者中丙酸的相对比例，而FOS显著提高了H受试者中丁酸和L受试者中乙酸的相对比例(图

4C)。

5 益生元对微生物群组成的选择性影响解释了SCFAs的反应

   为了确定益生元诱导的SCFA变化是否与对细菌分类群的特异性影响有关，本研究进行了

Spearman相关性分析(图5)。菊粉诱导的丙酸相对比例的增加与CARG2和另枝菌属(Alistipes)

的减少呈正相关(r=0.45, p<0.05, r=0.52, p<0.05)。FOS诱导的乙酸相对比例的增加与

毛螺菌属(Lachnospira)的增加呈正相关(r=0.46,p<0.05)，参与多种碳水化合物的代谢和

发酵产生乙酸为宿主提供能量。FOS诱导的丁酸相对比例的增加与CARG6的增加呈正相关

(r=0.4,p<0.05)，其中Blautia、Eubacterium hallii、Ruminococcus gauvreauii、

Ruminococcaceae UCG均为产丁酸菌。这些结果表明，SCFA的变化是益生元特异性调节肠道

微生物群的结果，并且这些微生物群具有利用益生元并产生相应SCFA的途径。

图5.细菌丰度变化与SCFAs变化之间的关联。Spearman相关性评估细菌组成变化与SCFA浓度和相对比

例之间的关系，其中H和L受试者的变化量(Δ14-0d)一起进行分析。

6 益生元对肠道菌群KEGG功能的影响

    如图S5A所示，FOS对肠道菌群功能的影响显著高于菊粉，在益生元干预后第14天，

肠道菌群功能与基线显著分离(p<0.05)。用FOS、菊粉干预后，两种人群均观察到碳水化

合物代谢和氨基酸代谢相关通路的富集(图S5D-G)。FOS干预后，H和L受试者的肠道菌群

功能存在显著差异。两组微生物群的功能差异集中在代谢通路、其他聚糖降解、乙醛酸和

二羧酸代谢、TCA循环、缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解以及其他氨基酸、脂肪酸和碳水

化合物代谢相关通路。这些通路在H组中明显比L组减少(图S5B)。H和L受试者在菊粉干预

后肠道菌群功能更接近，差异功能数量较少。H组中乙醛酸和二羧酸代谢、天冬氨酸和谷氨

酸代谢、鞘糖脂生物合成-球状系列均显著降低(图S5C)。接下来，作者详细研究了在相同

微生物群的背景下，接受不同益生元干预的受试者肠道功能的变化。L受试者对两种益生元

的反应明显不同，差异功能数量较多，而H受试者则相反。差异功能均集中在碳水化合物和

氨基酸代谢通路(表S4和表S5)。

7 益生元对粪便代谢组的影响

    如图6G所示，QC样品聚集在一起，说明仪器可靠性好，实验结果置信度高。OPLS-

DA分析显示，分别摄入FOS后，两种类型的受试者与基线代谢物的分离效果更好(图6A-

B)。图6C-D显示了两个模型的交叉验证结果(200次)，表明模型具有较强的拟合度。L受试

者FOS干预前后共检测到475种代谢物，结合火山图和VIP值共筛选出29种差异代谢物(图

6E和图6H)，其中26种代谢物较基线显著上调，3种代谢物较基线显著下调。3-羟基丁酸、

DL-乳酸、脯氨酸、L-丝氨酸、苏氨酸在FOS干预后显著富集(图6H)。这些代谢物主要负责

氨基酸、碳水化合物和脂肪酸的代谢(图S6A)。H受试者FOS干预后，共筛选出38种差异代

谢物，其中34种代谢物显著上调，4种代谢物显著下调(图6F和图6I)。缬氨酸、DL-β-亮氨

酸、GABA、5-氨基戊酸、β-D-葡萄糖醛酸和3-苯基乳酸显著上调(图6I)。这些差异代谢物

主要参与氨基酸和SCFAs的代谢(图S6B)。

    OPLS-DA分析显示，两种类型受试者分别摄入菊粉后与基线代谢物的分离良好(图7A-

D)。L受试者菊粉干预前后共筛选出14种差异代谢物。脂肪酸代谢相关代谢物(如棕榈酸)、

β-D-葡萄糖醛酸和其他有机酸显著富集(图7G和图S6C)。H受试者菊粉干预后，鉴定出29

种差异代谢物，均显著上调，主要由糖、氨基酸、有机酸和嘌呤组成，参与氨基酸代谢和

糖代谢相关通路(图7H和图S6D)。

   通过组间比较，进一步分析不同类型益生元对两组差异代谢物的影响。菊粉干预后，H

和L受试者共有11种差异代谢物，均在H组中显著富集。差异代谢物包括DL-乳酸、DL-赖

氨酸、N-乙酰天冬氨酸等，主要参与氨基酸和糖代谢(图8A)。两种类型受试者FOS干预

后，牛磺酸、新橙皮苷、橙皮苷和肌酸等代谢物在H受试者中显著富集(图8B)。这些代谢物

主要参与功能性活性物质的合成。接下来，详细研究了在相同微生物群背景下，接受不同

益生元干预的受试者体内代谢物的变化。对于L受试者，与菊粉干预相比，FOS干预后参与

氨基酸代谢的物质显著增加，如L-焦谷氨酸和N-Acetylputrescine(图8C)。对于H受试

者，菊粉干预后氨基酸和有机酸的代谢产物显著增加(图8D)。

图6.FOS对两种类型受试者粪便代谢物差异的影响。(A) L组FOS干预前后粪便代谢物的OPLS-DA得分

图。(B) H组FOS干预前后粪便代谢物的OPLS-DA得分图。(C-D) OPLS-DA分析的200次交叉验证检

验。(E-F)差异代谢物的火山图。红点表示显著上调的代谢物。蓝点，显著下调。淡蓝色点，代谢物

无显著差异。(G) PLS-DA得分图。(H-I)差异代谢物聚类热图(|FC|>2.0, p<0.05, VIP>1)。

图7.菊粉对两种类型受试者粪便代谢物差异的影响。(A) L组菊粉干预前后粪便代谢物的OPLS-DA

得分图。(B) H组菊粉干预前后粪便代谢物的OPLS-DA得分图。(C-D) OPLS-DA分析的200次交叉验

证检验。(E-F)差异代谢物的火山图。(G-H)差异代谢物聚类热图(|FC|>2.0, p<0.05, VIP>1)。

8 微生物群驱动人体对益生元治疗的代谢反应

    通过相关性分析来确定微生物和代谢物变化之间的潜在关联，如图S7所示，在FOS干

预后，16-羟基十六烷酸、亚油酸和α-桐酸代谢物的增加与拟杆菌属及其成员CARG6的减

少呈正相关。肌酸、橙皮苷、新橙皮苷、牛磺酸等参与能量代谢的物质与Romboutsia的增

加呈正相关。菊粉干预后，2-羟基肉桂酸的增加与另枝菌属(Alistipes)、CARG2和拟杆菌

属(Bacteroides)的减少呈正相关，二十碳五烯酸甲酯的增加与乳杆菌属(Lactobacillus)的

增加呈正相关(r=0.38, p<0.05)，N-乙酰-D-半乳糖胺-4-硫酸盐的增加与Lactobacillus的

增加呈负相关(r=-0.48, p<0.05)，与Romboutsia的增加呈正相关(r=0.4, p<0.05)。

讨论

    本研究描述了两种益生元补充剂(菊粉和FOS)对不同Ba/Bi比值(H, L)受试者粪便细菌

组成、功能和粪便代谢物的影响。结果发现，FOS和菊粉均诱导了H和L受试者肠道微生物

组成的特异性变化，但FOS在调节肠道微生物群方面略优于菊粉。组间比较显示，FOS对

不同Ba/Bi受试者微生物群的影响存在显著差异，而菊粉则相反。这些微生物组成的变化与

SCFA产量的变化和粪便代谢物的靶向变化有关。此外，本研究的分析表明，来自相同微生

物背景的受试者对不同益生元的反应程度不同，其中L受试者对两种益生元的反应表现出显

著差异，而H受试者受益生元类型变化的影响较小。

    FOS对群落结构的改变总体上略好于菊粉。其潜在机制可以解释为菊粉具有更复杂的

结构，需要初级降解者将其降解为寡糖后才能被次级降解者利用，而低聚果糖结构简单，

可以被肠道中的大多数细菌直接利用。细菌拥有编码碳水化合物结合模块和大量酶的基

因，包括糖苷水解酶、糖基转移酶、多糖裂解酶和碳水化合物酯酶，这些酶可以水解多种

纤维。Bacteroides/Bifidobacterium(Ba/Bi)比例的不同会导致碳水化合物代谢相关酶或

基因的差异。本研究假设，两组受试者之间基线微生物碳水化合物代谢功能和关键

CAZymes的差异导致肠道微生物对FOS的反应存在显著差异。有趣的是，用菊粉对具有不

同基线微生物群的两类受试者进行干预，导致肠道微生物群接近一致，这表明菊粉是一种

普遍的益生元。H和L受试者对菊粉和FOS产生不同的反应，这表明对益生元的个性化代谢

反应不仅取决于微生物群的组成、数量和功能，还取决于在食用过程中作为微生物底物提

供的益生元类型。

    高Ba/Bi(H)受试者更有可能从FOS干预中获益，且产丁酸菌和丁酸均在H受试者中显著

富集。一个可能的解释是，膳食纤维摄入和双歧杆菌水平是益生元干预下肠道微生物组成

的驱动因素。由于H组中拟杆菌属(Bacteroides)的优势地位和双歧杆菌属(Bifidobacteria)

的低相对丰度，益生元摄入可能对双歧杆菌较低的受试者特别有效。CARG6中的Blautia、

霍氏真杆菌(Eubacterium hallii)、Dorea、Ruminococcaceae UCG 013、

Ruminococcus gauvreauii、Ruminococcus torques等均为产丁酸菌。然而，大多数产

丁酸菌在将低聚糖和多糖降解为单糖方面没有优先的碳水化合物降解机制。CARG6成员与

双歧杆菌和乳杆菌呈正相关，双歧杆菌或乳杆菌产生多种碳水化合物降解酶，双歧杆菌主

要在果糖-6-磷酸酮酶(F6PPK)存在的情况下利用磷酸戊糖途径产生乙酸和乳酸，乳酸杆菌

通过糖酵解途径发酵碳水化合物，通过磷酸转酮酶途径在非均相发酵条件下产生丙酮酸。

通过细菌之间的交互共生，一些产丁酸菌能够通过丁酸激酶或丁酰辅酶A将乳酸或乙酸转化

为丙酮酸，然后再转化为丁酸，从而使H受试者中的丁酸含量更高。共富集网络为FOS利用

过程中微生物群落之间相互作用的影响提供了更全面的视角，这些CARGs之间的网络表明

微生物群之间存在合作、竞争的相互作用。H受试者的肠道菌群组成与牛磺酸、新橙皮苷、

橙皮苷和肌酸的富集密切相关。Spearman分析表明，这四种代谢物均与Romboutsia呈正

相关，有趣的是，Romboutsia是一个显著上调的差异菌，在H受试者中显著富集，据报道

参与多种氨基酸代谢。牛磺酸是众所周知的动物胆汁酸的生物活性物质，已被用于治疗各

种炎症性疾病，牛磺酸、新橙皮苷和橙皮苷也是抗氧化剂，可提高抗氧化酶超氧化物歧化

酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性。这些代谢物增强了高Ba/Bi宿主的抗炎和抗氧化能力。

    两组对菊粉的响应仅表现出代谢差异，L组富集糖酵解功能，H组富集氨基酸和氨基糖

酵解功能。一种可能的解释是，当存在复杂/缓慢发酵的碳水化合物和氨基酸时，氨基酸中

的碳骨架可以在丙酮酸水平上混合，拟杆菌占优势的H受试者将利用氨基酸的代谢途径获取

能量。相比之下，双歧杆菌占优势的L受试者利用糖酵解途径获得能量。L组中丙酸相对丰

度的显著增加与Ruminococcus_1、Ruminococcus_gnavus有关，其有益作用是降解碳

水化合物，正向影响丙酸的增加。另一方面，L组富集了更多的碳水化合物降解功能，如磷

酸戊糖途径和C5支链二元酸途径。磷酸戊糖途径产生甘油-3-磷酸和果糖-6-磷酸，两种中

间产物进入糖酵解途径，最终代谢产生丙酸。这表明L受试者菌群具有更高的碳水化合物降

解能力，从而产生更多的水解产物(丙酸)，这主要是由于细菌基因在碳水化合物代谢中的富

集。因此，L受试者在菊粉干预后更有利于维持或改善宿主的葡萄糖稳态，促进机体健康。

事实上，Mardinoglu等人和Kawase等人已经报道了肠道微生物群对氨基酸代谢的调节。

天冬氨酸、苯丙氨酸代谢途径的特点是-乙酰-l-天冬氨酸水平升高，据报道，这与结肠炎、

结直肠癌等多种病理改变有关，天冬氨酸和苯丙氨酸代谢可促进淋巴细胞再生，增强免疫

力。氨基糖代谢异常常见于氧化损伤、血脂异常和2型糖尿病。这些代谢相互作用所依赖的

微生物群的差异可能因个体而异，这反过来可能导致两种人群的微生物群利用益生元产生

代谢物的能力存在微小差异。粪便代谢物是宿主和肠道微生物之间的桥梁，益生菌的摄入

可以改变肠道微生物的组成和功能，或调节代谢物，促进宿主健康。

    先前的研究表明，基线微生物群落结构和代谢功能主要是与饮食相关。Yin等人也证实

了不同饮食类型的受试者肠道双歧杆菌丰度、碳水化合物代谢功能和CAZymes的差异。本

研究假设具有不同基线Ba/Bi比值的两个人群对应两种潜在的饮食模式，并期望本研究结果

将为不同膳食类型的受试者选择合适的益生元提供参考。然而，本研究也存在一些不足。

本研究的样本量较小，在四个干预组中只有57个个体，随着统计能力的增加，一些额外的

关系将变得明显。没有对受试者的饮食数据进行统计，以进一步分析基线Ba/Bi比值与饮食

之间的关系。微生物群测序处于16S水平，无法准确分析肠道微生物群落的功能，而宏基因

组测序工具将有助于分析关键CAZymes的差异。未来需要进行更大规模的考虑膳食因素的

益生元实验，进一步确定通过宏基因组方法观察到的与基线微生物群相关的益生元反应差

异的普遍性，并提供个性化的营养策略。

结论

    本研究结果揭示了两种肠道微生物群类型的受试者之间益生元导向的差异和共性，有

助于解释为什么相同的益生元在不同个体中具有不同的效果。这为微生物如何利用益生元

以及可能的潜在机制提供了见解，并为设计碳水化合物以实现与健康相关的功能输出提供

了营养指导基础。作者期望进行更多的研究来以进一步探索与益生元相关的微生物特异性

效应。

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