文献速递 | 从菌群到代谢：江南大学系统阐明金针菇多糖通过体外发酵调节肠道微生态的分子机制

金针菇作为一种广受欢迎的食用菌，其富含的多糖（FVP）被证实具有抗氧化、调节免疫等多种潜在生理活性。然而，FVP属于结构复杂的高分子聚合物，人体自身缺乏能够分解它的酶。因此，FVP能够完整地抵达结肠，成为肠道微生物群落的专属“营养源”。尽管FVP的益生元潜力备受关注，但其与肠道菌群具体的相互作用机制仍有待阐明。

2024年4月，江南大学食品科学与资源国家重点实验室翟齐啸教授、田丰伟教授及余乐来副研究员团队在食品科学领域权威期刊《Food Chemistry》上发表研究，利用体外粪便发酵模型，系统揭示了金针菇多糖对人体肠道菌群结构和代谢功能的调控作用，并精准识别了其中的关键功能菌种。

研究首先对提取的FVP进行了表征。结果显示（图1），FVP是一种分子量高达9.52 ×10⁶Da的杂多糖，主要由葡萄糖、半乳糖、葡糖胺、甘露糖和葡萄糖醛酸构成。在模拟人体口腔、胃、肠环境的体外消化实验中，FVP的分子量、单糖组成和红外光谱特征均未发生显著变化，这证实了FVP能够抵抗人体的消化作用，从而有资格作为底物进入后续的结肠菌群发酵环节。 

图1 FVP和FVP- D的表征 (A)分子量 (B)单糖组成 (C)红外光谱

在模拟结肠的厌氧发酵体系中，FVP的加入迅速激活了微生物的代谢活动。数据显示，体系pH值在24小时内从初始的7.4迅速下降至约5.5并保持稳定（图2A），这为有益菌的生长创造了适宜的酸性环境。同时，细菌生物总量（OD600）从0.41激增至1.10（图2B），表明微生物大量增殖。作为发酵底物，FVP含量在96小时内从5.63 mg/mL被高效利用至0.37 mg/mL（图2C）。最为关键的是，有益代谢产物——短链脂肪酸（SCFAs）的总产量从50.76 µg/mL飙升至744.36 µg/mL，实现了超过14倍的增长（图2D），其中乙酸、丙酸和丁酸含量均显著上升（图2E-J）。这些数据有力证明FVP可被肠道菌群高效发酵，产生大量能够滋养肠道、调节健康的SCFAs。

图2 FVP体外发酵过程中pH (A)、OD600(B)、FVP含量(C)和SCFAs (D-J)的变化

FVP的发酵并非由所有肠道细菌平均参与，而是展现出显著的选择性。高通量测序分析揭示了菌群结构的深刻变化。首先，α-多样性指数在发酵初期短暂下降后逐渐恢复（图3A-C），表明菌群在经历适应性调整后重建了新的稳态。β-多样性主成分分析（PCA）则显示，不同发酵时间点的样品在图上明显分离聚集（图3E），说明FVP的引入是驱动菌群结构演替的关键因素。

在分类学层面，变化更为显著。在门水平上，FVP发酵导致了有益菌（如擅长降解膳食纤维的拟杆菌门和厚壁菌门）的丰度显著增加，而与炎症相关的变形菌门丰度则下降。在更精细的属水平上，作为公认“多糖降解专家”的拟杆菌属（Bacteroides）丰度得到极大提升，而一些潜在致病菌（如大肠杆菌-志贺菌属）则受到显著抑制。

为了进一步锁定关键功能菌种，研究团队深入分析了拟杆菌属内部的物种水平变化（图4）。结果发现，不同的拟杆菌对FVP的偏好各异。其中，多形拟杆菌（B. thetaiotaomicron）和肠道拟杆菌（B. intestinalis）的丰度显著增加，表明它们可能是降解FVP的主要贡献者。这些结果有力地证明，FVP发挥了经典的益生元作用，即通过“择优饲养”，精准地促进了特定有益菌的生长，从而优化肠道微生态平衡。

图3 FVP发酵过程中微生物α和β多样性分析 (A) Chao 1指数 (B)Shannon指数 (C)Simpson指数 (D) FVP发酵过程中微生物群的聚类树分析 (E)微生物群PCA聚类分析

图4 (A) FVP发酵过程中拟杆菌种类水平的热图 (B) 16种主要拟杆菌的明显差异

菌群的重塑必然导致代谢谱的改变。为了全面了解FVP发酵的影响，研究团队运用了非靶向代谢组学技术。结果显示，除了SCFAs，FVP发酵还显著影响了氨基酸代谢，特别是导致了组氨酸和精氨酸等多种氨基酸的下调。KEGG通路富集分析表明，氨基酸的生物合成与代谢是受影响最显著的途径之一（图5E），这提示FVP发酵可能通过与微生物争夺营养底物或改变代谢流，间接调节了与宿主健康相关的氨基酸稳态。

为了将菌群与代谢物联系起来，研究进行了 Spearman 相关性分析。分析网络清晰地展示了“谁在做什么”: 拟杆菌属的丰度与乙酸、戊酸等 SCFAs 的产量呈现出强烈的正相关，而与多种氨基酸含量呈负相关(图6A, B)。这进一步证实了拟杆菌是 SCFA 的主要生产者。特别地，诺氏拟杆菌(B. nordii)和解木聚糖拟杆菌(B. xylanisolvens)在这个复杂的互作网络中处于核心节点，与多种代谢物的变化关联最为紧密，表明它们可能是在FVP 代谢调控中发挥关键作用的功能性物种。

图5 fvp诱导的代谢变化  (A)代谢组学数据的OPLS-DA分析  (B) OPLS-DA置换Q2值>0.4有意义 (C) FVP发酵代谢产物变化和代谢产物贡献的分层聚类分析 (D)发酵前后显著不同水平代谢物的视觉热图 (E) FVP发酵中最富集的25条途径 

该研究通过严谨的体外发酵模型，系统地阐明了金针菇多糖（FVP）作为一种益生元的分子机制。研究证实，FVP这种结构复杂的大分子多糖，能够被肠道菌群选择性地利用，从而显著促进以拟杆菌属为核心的有益菌群扩增，并有效抑制潜在有害菌的生长。这一菌群重塑过程伴随着肠道环境的酸化、短链脂肪酸（SCFAs）等有益代谢物的大量产生，并深刻影响了氨基酸等关键代谢通路。这些发现不仅深刻揭示了金针菇多糖促进肠道健康的科学内涵，也为开发旨在精准改善肠道微生态的功能性食品提供了强有力的理论支持与应用前景。

 原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0308814624009580

DOI: 10.1016/j.foodchem.2024.139309