王達益

　　談起腸道菌，大部分人可能會聯想到益生菌，或是瀏覽網路時，經常跳出補充腸道菌能促進人體健康等文宣。同時有可能也會注意到「腸道壞菌」這個名詞，了解這類菌如何使人腹瀉、破壞免疫、引起腸道發炎等等。然而這些都只是複雜的腸道菌相的冰山一角，各類腸道菌如何幫助各種動物度過成長期、適應環境變化，甚至克服險峻生存挑戰？這些都是值得我們探索的重要議題。
腸道菌對宿主到底有多重要呢？這個問題可以從學界發表的一些資料來參考。以人體為例，人體內的微生物數量是人體總細胞數量的3-10倍。如果以功能性來看，微生物的基因總數更高達人類基因總數的一百五十倍。過去認為腸道菌只影響消化系統，然而最新的研究發現：腸道菌不僅與肥胖有關，甚至還跟癌症、憂鬱症、心臟病、糖尿病、阿茲罕默症等疾病息息相關。這些新的訊息不僅顛覆傳統的看法，也吸引了大量研究投入這個主題。
　　宿主的健康，無疑是受到腸道菌深切影響。宿主與腸道菌緊密的交互關係，可以以生態系來比喻。當生態系中的宿主面臨多變的環境時，腸道菌也必須產生相應的改變，甚至提供必要的協助。例如，貓熊以竹子為主食，這類食物在腸道中難以分解，需要腸道菌的幫助才能順利消化吸收。演化上貓熊是在哪個時間點發展出這樣的能力？ 是那些菌種提供服務？這些菌種是否產生其他副作用？都是在生態上極有價值的議題。這類微生物協助宿主適應環境的生存策略，不只饒富科學趣味，而且未來還可望應用在人體醫學上，協助人類適應多變的環境。
　　腸道菌研究能夠突飛猛進，該歸功於DNA 定序技術的突破。相較於早期花費了十幾年才完成的人類基因體定序，目前的技術已經可以在幾週內完成同樣的工作。這個技術應用在微生物上，可以在短時間內得到各種環境例如體表、土壤、海水等的微生物菌相，甚至是微生物基因體，當然也包含腸道這個具備多功能的環境。然而目前研究的瓶頸之一就是「資料分析」，由於影響的變因很多， 微生物的種類也很繁瑣。最大的挑戰還在於：尚未被研究過的微生物種類占了七成以上，所以很難深入了解微生物的運作及其在宿主身上所扮演的角色。
　　為克服目前研究的瓶頸，過去幾年我們陸續發展一些探索微生物基因體的工具，其中包括推測類似交通網路的微生物互動網路（圖一），藉此網路關係我們可以擷取微生物的「群組」，以微生物社群的概念，重新解析微生物的作用。
　　微生物種類繁多且與宿主的交互作用複雜，包括不同發育時期，宿主的基因與遺傳，生長環境，以及感染方式等因子均可影響菌相的變化。以下簡介我們實驗室針對上述不同因子對腸道菌影響的研究。

圖一、微生物網路演算軟體（MetaMis）使用介面

　　腸道菌在宿主體內不可能是以單打獨鬥的方式存在， 因此若能得知不同微生物族群的時間變化趨勢，就有機會解析它們之間的複雜關係。為了深入瞭解其中各個環節， 我們藉由青蛙的冬眠來瞭解菌群初始化過程。青蛙冬眠時的禁食，使得其腸道菌處於缺乏營養的狀態，而以孢子形式休眠。待宿主冬眠結束時，原本呈休眠狀態的腸道菌迅速甦醒並重新建立完整的微生物互動網路。因此，冬眠行為等同於提供了一套天然的實驗室，讓我們追蹤微生物菌群初始化的過程。本項研究成功的建立斑腿樹蛙的腸道菌網路，也是世界上第一組兩生類的腸道菌網路模型。

圖二、經過繁瑣的演算，我們利用細菌族群的變動推估「群組」關係。益生 菌（標示黃色）和其他腸道菌的網路關係，是透過洛特卡－沃爾泰（Lotka-Volterra）方程式先推估微生物群組的整體網路關係，再藉由三節點特徵網路（3-node motif）的方式找尋和益生菌緊密相扣的腸道菌群組。

　　為了探討腸道菌與其宿主遺傳演化關係，我們挑選了分布臺灣各大水域（包含湖泊、河川、河口），且具高度環境耐受性之日本沼蝦為研究對象。除了日本沼蝦能夠適應多元的棲息環境的因素之外，近期的研究更指出：日本沼蝦的兩個品系，分別有往北與往南遷移的趨勢（圖三）。我們運用生物資訊分析方法，探索腸道菌入侵（invasion）其宿主（日本沼蝦）的過程中協助適應環境之關鍵。我們的初步研究發現：宿主的基因型是影響腸道菌相的主要因子。換句話說，就算是親戚，只要是基因型不同，各個宿主也會具有不同的腸道菌相。再者，我們也發現棲地環境的影響是不容忽視的，環境改變也會影響腸道菌組成。
　　這個結果喚起一個重要問題：當生物面臨環境變化時，所需要新的腸道菌族群，究竟是就地取材由新環境獲取？抑或是這些「新菌種」本來就已經以小族群的形式生活在宿主體內，隨後因應環境需求而增生？
　　譬如人們出國經常會面臨水土不服的問題，腸道菌便是扮演其中的重要因素。為深入了解這個現象，我們鎖定經常旅行的洄游魚種進行研究。由於野生洄游魚類採樣困難，相關的腸道菌採樣及研究受到許多限制。幸好我們想到了臺灣的黑金──烏魚子，臺灣烏魚（鯔）為全球性物種、具備多種生活史特徵，其中一種行為就是洄游。最為可貴的是烏魚在臺灣海峽有三個族（population），其產卵區域相同，卻有截然三個不同的洄游路徑（圖四）。此種特殊的自然習性，使得烏魚成為了研究野生洄游魚類腸道菌的絕佳模式生物。我們發現洄游到不同海域的烏魚， 確實會攜帶不同的腸道菌。我們進一步搜集各地的海水菌相，也發現和腸道菌有極高的關聯性，證實進入新環境時，所造成的腸道菌變化也可能是造成「水土不服」的因素之一。

圖三、源自大陸（金門）的日本沼蝦往北（石門 Shihmen）與往南（旗山Chishan）遷移的兩個品系。

　　不同的感染方式如何影響菌相的變化，也是一個重要的問題。這個研究我們分別針對魚類與鳥類幼體的腸道菌。烏魚洄游的特性，讓我們不僅可以探討不同海域旅程是否改變腸道菌的組成，也可以對子代進行採樣，觀察腸道菌是否能感染給下一代。魚類腸道菌是否能垂直感染一直是個謎，因為這類魚種不會照顧子代的，如果母魚分別攜帶了外地來的菌種且各自傳染給下一代，我們就有機會找到證據。我們已確實在母魚與仔魚腸道中可找到有關連的菌種，目前正在更深入的分析這些菌對宿主的影響。

圖四、臺灣烏魚有三個洄游路徑而且會回到臺灣海峽產卵，這個特性可以回答 腸道菌對宿主生態適應問題。(A)、(B)、(C)為洄游路徑。(D)的紫色區塊為產卵場（重繪自沈等2011）。

　　鳥類的餵食雛鳥是很常見的行為，這背後暗示著鳥類腸道菌的垂直感染（母鳥傳染給雛鳥）途徑。其中較為特別的現象，是發生在布穀鳥這類有巢寄生行為的鳥類，布穀鳥會將卵產在其它鳥的巢中，由義親代為孵化和育雛。當巢寄生行為發生時，雛鳥的腸道菌會比較像母鳥？還是比較像養母呢？可惜野生實驗不易控制，天氣、飲食環境都會影響其結果，因此不易在布穀鳥身上獲得明確答案。偶然的機會裡我們發現實驗室裡飼養的錦花雀，時常疏忽照顧自己雛鳥的責任。為了克服這個困境，我們只好把錦花雀的雛鳥交給十姊妹（善盡褓母之責的鳥）餵食長大。我們蒐集大量錦花雀雛鳥進行餵食行為，除了錦花雀親自餵食，以及委託十姊妹餵食的實驗組之外，我們也加入了一組人工餵食的對照組，嚴格控制餵食過程，排除了可能經由母鳥的傳染途徑，藉此檢視餵食過程可對腸道菌造成多大的影響（圖五）。由於雛鳥每四小時需餵食一次，我們的研究生褓母經歷無數次熬夜，體驗了母愛的偉大，最後終於獲得答案──3天大的雛鳥與生母的腸道菌不同，10 天後接近成熟時，腸道菌相會跟逐漸發展成近似養母（餵食者）。至於研究生所餵食的雛鳥，腸道菌相的多樣性較差，身形發育也較弱。
　　腸道菌除了我們常聽說的益生菌，其實還有廣大的微生物族群，與宿主的成長、免疫、消化等息息相關。過去我們所面臨的主要問題是：大部分的細菌無法在實驗室培養，以至於無法進行深入的研究，並了解其與宿主的關係。所幸在大數據時代，這些龐大的微生物資料庫可以藉由生物資訊的方法加以分析，微生物功能也可藉由基因體分析進行預測。未來腸道菌的研究，得仰賴跨領域學者共同參與，解答宿主健康與生態適應性的相關問題。

圖五、藉由比較(A)錦花雀母鳥、(B)十姊妹代理母鳥、(C)人工餵食所飼養之 錦花雀雛鳥的腸道菌相差異，我們可以瞭解母鳥對於雛鳥腸道菌建立之影響（圖示由陳湘靜協助繪製）。

後 記
 

　　腸道菌對宿主的影響不容忽視，許多研究已經把腸道菌基因體跟宿主基因體合而為一，共同解釋生理生態現象。期待更多的腸道菌研究改變人類對個體的定義。

 

 

作者簡介

王達益
中央研究院生物多樣性研究中心副研究員，臺灣海洋大學博士，專長為腸道菌分析。研究範圍包括魚類、鳥類、兩棲類之腸道菌對宿主的影響。喜好濱海休閒活動以及以異國美食。