微生物是生态圈中不可或缺的生命组成部分，它对动物的环境适应和进化起着重要作用。微生物与动物共栖是经过长期互作、协同进化的结果，它们的关系是当前生命科学和生态科学共同关注的前沿问题。在过去10年间，随着高通量测序技术和生物信息分析学的发展与结合，很大程度上解决了长期以来肠道微生物难以分离、培养的技术性难题，如今我们可以逐渐揭示微生物群落多样性及其功能与动物的关系，探索微生物群落、宿主和环境因子的相互影响机制。从宿主微生物的角度出发，围绕与动物生长发育密切相关的宿主和环境因素开展研究，揭示动物微生物群落的发展、形成及演替过程，有望进一步了解宿主微生物组的动态发展、稳定性，以及解析动物健康稳态的维持和适应性进化的机制。　　水产养殖业是我国农业增长最快的一个产业，鱼类是重要的水产养殖对象。尽管我国鱼类养殖产业比较发达，但针对与鱼类健康密切相关的肠道微生物研究尚存诸多不足。绝大部分肠道微生物研究的方法相对传统，且没有针对与养殖密切相关的重要环节（诸如个体发育、饲料加工方式和渔药使用等）展开系统的研究。此外，极少数研究关注了除肠道以外的鱼类其它组织或器官的微生物群落。针对目前的研究不足与薄弱环节，本论文选用特色鱼类养殖品种——南方鲇（Silurus meridionalis）为主要研究对象，结合现代分子生物学技术、生物信息学和养殖生理学，从个体发育、食物消化、食物热处理、抗生素扰动与恢复等多个时间尺度上研究鱼类肠道微生物的动态发展、演替与建立;比较分析南方鲇不同组织位点的微生物空间分布，结合共栖的草鱼（Ctenopharyngodon idellus）作全面的比较分析;进一步与陆地动物C57BL/6小鼠对比分析，旨在全面解析鱼类微生物的形成机制及微生物组“图谱”构成。本论文的主要研究结果如下:　　1.在早期生长发育过程中，南方鲇肠道微生物的发展、演替与建立　　鱼类生长发育过程中，会面临食物的不确定性或改变等情况，导致很难确定肠道微生物的变化是由食物变化引起的，还是由宿主本身相关的个体发育造成的。在相同的养殖条件下，我们比较了孵化后8dpf、18dpf、35dpf、65dpf和125dpf的南方鲇肠道微生物，并分别探究了8dpf、35dpf和125dpf的肠道、养殖水体和食物的微生物群落。结果显示:随着个体生长发育，南方鲇肠道微生物的多样性逐渐增加，微生物群落结构也逐渐变化;与早期发育阶段相比，65dpf和125dpf的肠道微生物群落趋于另一个不同且稳定的状态，说明南方鲇肠道微生物建立是一个逐步演变、发展的动态过程。同环境微生物相比，肠道微生物多样性较低，微生物群落结构显著不同。南方鲇肠道中主要以无壁菌门（Tenericutes）和梭杆菌门（Fusobacteria）为主，而食物和水中分别以螺旋体门（Spirochaetes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）为主。研究结果说明南方鲇在早期的生长发育过程中，宿主可不依赖于食物的扰动作用，其本身就有能力塑造肠道微生物的定植与发展。这一发现有助于理解鱼类肠道微生物的发展与演替过程。　　2.鱼类组织微生物地理学图谱的空间异质性　　为更好理解南方鲇组织微生物地理学图谱构成，本研究不仅分析了南方鲇内部组织消化道（胃和肠道）微生物，而且还研究了南方鲇外部组织（鳃和皮肤）微生物，并与和其共栖，虽食性不同但喂食相同食物的草鱼各组织微生物进行比较，最后从整体上探讨鱼类微生物组与养殖水体微生物群落的关系。我们发现两种共栖鱼类的微生物群落结构差异十分明显，两种鱼组织间的微生物群落显著不同，但同一类型组织（外部或内部）的微生物结构更为相似。研究还使用RMT(random matrix theory)模型，分别构建了南方鲇和草鱼微生物组的分子生态网络。结果显示南方鲇和草鱼微生物的分子生态网络结构及其主要特征参数都存在显著差异，表明不同鱼类间不同的微生物作用以及鱼类微生物之间相互作用的多样化。此外，养殖水体微生物显著区别于鱼类消化道微生物。尽管外部组织与养殖水体直接接触，但水体微生物也未能反映外部组织微生物。本研究基于不同鱼类比较，从内部消化道到外部组织的研究结果证实了鱼类所有组织微生物既受宿主种类影响，也与不同组织生态位的差异有关，揭示了鱼类微生物组的差异及鱼体微生物空间分布差异的特点。　　3.在食物消化过程中，南方鲇消化道微生物群落的动态性　　以鲫（Carassius auratus）肉块作为饵料，南方鲇摄食3h、12h和24h后，分别测量消化道（包括胃和肠道）pH，采集消化道微生物样本，比较摄食后消化道各位点在不同时间点下的微生物差异。研究结果显示食物消化期间，胃部pH呈酸性而肠道pH呈弱碱性;随着食物消化，胃部pH显著减小，而肠道pH减小较少。胃部和肠道微生物群落显著不同，胃部最为主要的门类是厚壁菌门（Firmicutes）和梭杆菌门，肠道中主要的微生物是梭杆菌门和变形菌门（Proteobacteria）。食物消化过程中，胃部和肠道中厚壁菌门的丰度显著增加，梭杆菌门显著减少，而在摄食24h时，肠道中变形菌门的丰度减少，拟杆菌门则显著增多。整个消化道微生物群落结构均随食物消化而呈现动态变化，但胃部微生物多样性始终高于肠道。利用PICRUSt进行微生物的功能预测，发现了胃部和肠道微生物功能基因代谢通路的差异，如能量代谢、多糖生物合成与代谢、碳水化合物代谢和辅酶因子和维生素代谢等功能基因发生变化;在食物消化时间上，也涉及到许多功能基因富集的差异。研究揭示食物消化能够引起整个消化道微生物群落的动态变化，为解释动物肠道微生物变异性提供普遍性的依据，暗示在动物肠道微生物的比较研究中需要考虑肠道样品采集时间的一致性。　　4.食物的加热处理减少肠道微生物多样性并改变肠道菌群　　投喂热加工的食物是水产养殖中普遍存在的现象。以南方鲇和C57BL/6小鼠为研究动物，选用热加工和未加工的草鱼肉块和麦穗鱼（Pseudorasbora parva）为食物进行投喂，研究食物热处理对肠道微生物的影响，并比较动物间肠道微生物的响应差异。通过检测实验食物的营养组成和微生物群落以及南方鲇肌肉营养组成，发现加热并没有显著改变食物的主要营养成分及食物微生物多样性和群落组成;摄食加热食物的南方鲇肌肉脂肪酸没有受到影响，但其氨基酸组成明显改变。通过肠道微生物的研究，发现南方鲇和小鼠肠道微生物群落差异极其显著。研究结果还显示摄食加热食物的南方鲇和小鼠肠道微生物的多样性比摄食未加热食物个体的更低，成对组个体的肠道微生物群落差异显著，表明食物热处理显著降低动物肠道微生物的多样性，引起肠道微生物群落结构的改变。梭杆菌门是南方鲇肠道最高丰度的微生物，而拟杆菌门和厚壁菌门是小鼠肠道微生物的主要种类。此外，很多高丰度微生物在南方鲇和小鼠中的变化模式截然相反，暗示了食物热处理对肠道微生物的影响还与宿主本身有关。研究结果首次证实了食物热处理对肠道微生物的影响，对理解肠道微生物变化提供了新的证据，同时对调控动物肠道微生物群落提供新的视野。　　5.短期使用氟苯尼考影响南方鲇肠道微生物群落，但不引起长期的干扰效应　　抗生素在水产养殖中普遍使用，它对鱼类肠道微生物的影响也应该引起重视。本实验用添加和未添加抗生素氟苯尼考的饲料分别投喂南方鲇幼鱼1周，然后都投喂未添加抗生素的饲料1周，来研究肠道微生物对氟苯尼考的干扰响应和恢复过程，以及与之对应的生长性能和肠道结构。分析结果显示:与对照组相比，氟苯尼考暴露3d的实验组的南方鲇肠道微生物多样性、群落结构没有显著变化，只有11个微生物代谢通路的功能基因发生改变;到处理7d时，实验组的南方鲇肠道微生物多样性减少，群落结构改变显著，有差异的微生物功能基因代谢通路增加到174个;然而，从恢复3d，再到恢复7d，微生物群落逐渐恢复到对照组水平，相应地，有差异的功能基因数目逐步减少到107个，最后变为0个。对照组与实验组的养殖水体微生物群落组成相似，但明显不同于南方鲇肠道微生物。在抗生素处理的后期，实验组的南方鲇摄食量显著减少，饵料系数增加;在停药恢复期内，其摄食量有所提升，饵料系数逐步恢复到对照组水平。而在整个养殖过程中，氟苯尼考没有引起南方鲇肠道组织结构的改变。以上研究结果说明氟苯尼考的短期使用会造成肠道微生物群落的扰动，但不会引起肠道微生物的长期扰动效应。然而，关于氟苯尼考在水产养殖中的使用，我们仍需要谨慎对待。　　综上所述，南方鲇肠道微生物群落具有明显的时间动态性和稳定性，鱼体微生物图谱有明显的空间分布差异。鱼类微生物的动态变化是宿主和微生物对微环境的适应（如动态的食物消化等），它受外源性（抗生素暴露、食物处理）和内源性（个体发育和组织差异）因素的双重调控。