文 | 九屿

编辑 | 九屿

序言

哺乳动物的季节性繁殖已被广泛认为受光周期调节，但肠道微生物群与季节性繁殖的光周期调节的关联从未被研究过。

在这项研究中，我们通过长日照和短日光周期操纵实验和粪便微生物群移植实验，研究了肠道微生物群与雄性布兰特田鼠光周期诱导繁殖的关联。

我们发现，光周期明显改变了田鼠的生殖激素和基因表达水平以及肠道微生物群；在光周期适应过程中，特定的肠道微生物与田鼠的生殖激素和基因明显相关。

将肠道微生物移植到受体田鼠中，诱导三种激素和三个基因与长日照和短日照供体田鼠相似的变化，并改变了受体田鼠的昼夜节律峰值。

我们的研究，首先揭示了肠道微生物群与通过HPG轴，褪黑激素和Kisspeptin / GPR54系统的季节性繁殖的光周期调节的关联；可能对害虫控制、畜牧动物育种和人类健康管理产生重大影响。

季节性繁殖是一种很常见的现象，其中生物体适应环境条件的波动以提高后代的存活率；光周期的变化被广泛认为是控制动物季节性繁殖的关键因素，主要通过下丘脑-垂体-性腺。

松果体夜间分泌的褪黑激素，调节下丘脑促性腺激素释放激素的释放，进而诱导垂体前叶分泌黄体生成素和促卵泡激素，从而刺激性腺类固醇分泌。

此外，已经鉴定出几个基因通过与HPG轴的关联来调节哺乳动物的季节性繁殖，例如碘甲状腺原氨酸脱碘酶，碘甲状腺原氨酸脱碘酶，Kisspeptin，G蛋白偶联受体，编码促性腺激素释放激素和RFamide相关肽的基因。

受视黄酸刺激的基因主要在精原细胞中表达，是进入减速分裂所必需的，其表达水平反映了睾丸发育的程度。

并且，光周期在调节啮齿动物的攻击行为方面也起着至关重要的作用；经典的神经内分泌研究表明，睾酮和雌二醇可以直接调节啮齿动物的攻击行为，特别是在短光周期下。

鉴于光周期在调节生殖激素中的关键作用，以及光周期与微生物群的关联以及微生物群与生殖激素的关联，我们的研究旨在调查肠道微生物群，与布兰特田鼠季节性繁殖的光周期调节的关联。

这可能有助于我们更好地了解种群调节背后的机制，并为该物种提出合适的管理策略；我们假设光周期可能通过调整肠道微生物群的组成来影响季节性繁殖。

我们预计

（1）与长日照（LD）光周期相比，短日照（SD）光周期会降低生殖性能，其特征是生殖器官的重量，血清激素，下丘脑基因和睾丸基因的水平降低，但血清激素（MT）和睾丸基因和攻击行为，如各种物种所证明的那样；

（2）SD和LD田鼠肠道菌群组成存在显著差异，这与繁殖性能有关；（3）与SD和LD供体田鼠相比，将特定的肠道微生物群植入受体田鼠可以触发类似的光周期诱导的繁殖和行为变化。

材料和方法

成年雄性Brandt田鼠在聚碳酸酯笼子的聚碳酸酯笼子中，在长日照条件下，在繁殖群中自由获取食物和水。

实验1:（即光周期实验）旨在测试勃兰特田鼠的生理表型，行为和肠道微生物群对LD和SD光周期治疗的反应。旨在测试第一个和第二个预测。

在适应期16周后，LD组和SD组的田鼠被转移到并分别保持长日照条件和短日照条件接下来的23周；他们都被关在一个温度为1±200°C，光照强度为300-55勒克斯，相对湿度为5±1%的房间里。

在光周期实验中，我们测量了每周最后一天的体重和每周最后两天的食物摄入量。

我们在每两周的最后一天收集粪便样本，用于粪便微生物群移植（FMT）实验的新鲜粪便在第00周的最后一天收集。

光周期实验后，将田鼠麻醉并在2 h内斩首，以获得新鲜血液，下丘脑，双侧睾丸和双侧附睾，称量双侧睾丸和附睾；将离心的血清和组织置于-8°C下进行进一步分析。

实验2：旨在研究LD和SD光周期供体田鼠移植微生物群后受体田鼠生理表型、行为和肠道微生物群的变化和关联。

行为测量

在第8周的最后一天，我们记录了代表田鼠昼夜节律的运动活动24小时；将运动活动定义为田鼠在笼子里，从一个地方到另一个地方的自愿运动或运动。

对于非正态分布变量，使用Box-Cox变换来拟合模型假设；Spearman相关性分析用于分析R软件中实验1和实验1的肠道微生物群相对丰度，与激素或基因表达水平之间的相关性。

基于Bray-Curtis距离，使用排列多变量方差分析来确定治疗和不同周数是否影响β多样性的显著差异。

在经历一系列相关实验后，我们将得到的数据作为SEM±平均值表示，显著性水平设置为P < 0.05。

结果

光周期显着影响勃兰特田鼠的行为、食物摄入量和体重；在LD组中，田鼠昼夜节律的最高峰出现在黑暗期之前。

而在SD组中，峰值出现在黎明之前；重复测量方差分析显示，攻击次数和攻击持续时间 ，SD组在第8周明显高于LD组。

此外，在光周期适应过程中，两组之间的食物摄入量差异无统计学意义；与SD组相比，线性混合模型分析显示，LD组的体重随时间增加，并在过去三周内显著增加。

光周期实验中，LD组和SD组之间的不同响应。

热图显示，光周期改变的ASV也与下丘脑和睾丸中的血清激素水平和基因表达有关。例如，Barnesiella、Prevotella、Acetatifactor和Clostridium_XIVa的相对丰度与血清MT、FSH和LH水平相关。

在下丘脑中，几种基因的mRNA表达与肠道微生物之间存在显着相关性：Kiss-1 mRNA与Barnesiella和Prevotella；GPR54 mRNA 与巴内氏菌、真杆菌和 Clostridium_XIVa。

这些结果表明，光周期诱导的肠道微生物群组成变化与光周期适应过程中的生殖激素和基因密切相关。

FMT对肠道菌群的影响：所有样品的丰富多样性稀薄度曲线均达到稳定值，表明FMT实验捕获了大部分微生物多样性。

LMM分析表明，不同周数和FMT处理均影响丰富度多样性 和 ACE 多样性，而香农多样性没有差异。

此外，F-SD组的4个指数在第<>周显著低于F-LD组。基于Bray-Curtis距离的β多样性，通过CPCoA，FMT处理在F-LD组和F-SD组之间明显分离，F-SD组的样品位于上半轴，F-LD组的样品都位于下半轴。

在下丘脑中，几种基因的mRNA水平与肠道微生物之间存在显着相关性：Dio2与瘤胃球菌的表达；与Clostridium_XIVa的吻-1的表达；以及GPR54与巴内氏菌，普雷沃氏菌，Clostridium_XIVa，振荡杆菌和瘤胃球菌的表达。

在睾丸中，巴内西氏菌与Stra8 mRNA相关；普雷沃氏菌与Dio3和Dio2/Dio3比率相关；糖杆菌属与Dio2/Dio3比值、Kiss-1和Stra8 mRNA相关；Clostridium_XIVa与Stra8 mRNA相关；瘤胃球菌与Dio2/Dio3比值相关。

此外，F-SD受体田鼠对下丘脑GRP54表现出独特的作用。在F-SD受体田鼠中未观察到SD田鼠对血清T水平的负面影响，Dio2和Rfrp-3在下丘脑中的表达，睾丸中的Dio2，Kiss-1和GRP54以及SD供体田鼠睾丸中Stra8 mRNA的阳性作用。

在供体和受体田鼠中，未观察到下丘脑和睾丸中血清GnRH水平或GnRH基因表达的显著反应。

光周期调节动物的季节性繁殖或攻击行为，但肠道微生物群与光周期适应下动物的繁殖和行为的关联尚不清楚。

在这项研究中，我们首先发现肠道微生物对光周期治疗表现出不同的反应，并且在受体田鼠中移植这些肠道微生物诱导了三种激素和三个基因与供体田鼠相似的变化。一些微生物分类群显示出与激素或基因表达水平的显著关联。

此外，肠道微生物群移植可以显着改变受体田鼠的昼夜节律峰值，但对其昼夜节律行为模式和攻击行为的影响较弱。我们的研究结果表明，肠道微生物群与生殖激素或基因在调节布兰特田鼠的季节性繁殖和昼夜节律方面密切相关。

褪黑激素是一种关键的激素，可以触发大多数季节性繁殖动物对光周期变化的适应；我们发现SD光周期促进MT分泌，抑制生殖激素的分泌和下丘脑基因的表达，这与之前的几项研究和我们的首次预测一致。

这些结果表明，SD光周期抑制了动物的季节性繁殖；值得注意的是，下丘脑肽Kisspeptin和RFRP-3受MT调控，它们是GnRH神经元活性的有效调节剂，对HPG轴有积极作用。

睾丸中Dio2/3的相反功能受甲状腺激素调节，可能会改变睾丸发育并促进精子发生。然而，我们没有发现血清GnRH水平的显著差异，表明Brandt田鼠的GnRH神经元对光的敏感性较低，这与先前研究的观察结果一致，也可能是由于T对GnRH的强烈负反馈。

我们的数据提供了证据，在SD条件下高浓度的MT可能会刺激睾丸中Stra8的表达，从而减少精子的产生并最终导致性腺萎缩。

我们发现SD光周期增加了田鼠的攻击性，这与西伯利亚仓鼠的研究相似，并支持我们的第一个预测。动物倾向于在繁殖季节增加亲和力并减少攻击性，以尽量减少对窝的伤害，而在非繁殖季节它们会相互竞争食物和住所。

此外，我们发现光周期适应改变了Brandt田鼠的昼夜节律，LD光周期中最高峰出现在黑暗之前，但在SD光周期中出现在黎明之前，这与之前的研究一致，即田鼠的昼夜节律行为节律受光周期起始的调节。

肠道菌群与光周期诱导的动物季节性繁殖、攻击性和昼夜节律行为有关，这将对害虫控制、牲畜饲养和人类健康管理产生重大影响。例如，特定的SD暴露微生物群可用于改善人类的睡眠问题或帮助调整经常旅行的人的时差。

特定的SD暴露微生物群可以帮助禁止啮齿动物的繁殖，从而减少其过剩的种群，许多家畜的繁殖也受LD光周期或SD光周期的调节。

因此，使用特定的LD或SD暴露的微生物群，可能有益于这些牲畜的繁殖需要进一步的研究来确定关键微生物，并找出肠道微生物群在调节动物季节性繁殖和行为方面的潜在机制。

结论

我们揭示了肠道微生物群参与动物季节性繁殖、攻击行为和日常节律的光周期调节。

肠道微生物群对光周期变化敏感，与供体田鼠相比，移植SD或LD暴露的微生物群可引起类似的生殖激素或基因变化，以及受体田鼠的攻击性行为或日常节律。

肠道微生物群可以通过HPG轴，褪黑激素和Kisspeptin / GPR54系统调节季节性繁殖，攻击行为或日常节律。

综上，我们的研究结果为宿主和微生物在调节季节性繁殖和行为方面的相互作用提供了新的见解，并为管理动物繁殖和人类健康提供了重要线索。