Nat Microbiol：倪岳琼等系统性揭示肠道菌群酶对膳食植物营养素的生物转化及其健康效应

关于什么是健康饮食及其与疾病的关系，科学界的认识在不断的演变。随着对二者关联认识的深入，研究发现，相较于传统的西方饮食模式，以植物为主的膳食模式（包括水果，蔬菜，全谷物等）有助于身体健康且利于环境的可持续发展。

然而，尽管制定普适性饮食策略用于防治疾病这一概念颇具吸引力，我们不得不面对个体对相同食物的差异性反应这一现实。肠道微生物组是导致这种差异的主要因素之一，其组成和功能影响着对食物的代谢反应（如血糖指数变化），同时饮食带来的微生物代谢产物的变化还会进一步影响生理稳态及代谢性疾病发生发展，这凸显了在个性化饮食建议中将微生物组纳入考量的重要性。

以往的膳食研究主要基于150种宏量营养素（如脂肪、蛋白质和碳水化合物等），并侧重于将整体饮食模式与健康结果相关联，而非从生化角度出发。

然而人类食物具有巨大的化学多样性——包含超过26000种主要源自植物的独特小分子【1】，其中许多具有生物活性，且会受到肠道菌群庞大酶库的生物转化作用。相较于肠道菌群对药物代谢的研究【2,3】，关于肠道菌群对植物性食物来源化合物（后称植物营养素）的生物转化及其与人类健康关联的研究还处于初级阶段【4,5】，且多聚焦于单一化合物或特定微生物群落，尚未开展大规模系统研究。

2025年12月3日，德国莱布尼茨汉斯诺尔研究所 (Leibniz-HKI) Gianni Panagiotou教授团队与上海交通大学医学院附属第六人民医院倪岳琼研究员团队合作，在Nature Microbiology刊文Gut microbiome-mediated transformation of dietary phytonutrients is associated with health outcomes（图1）。通过对5,554份全球肠道宏基因组与多种生物化学数据库进行整合，结合体外与体内实验，系统性揭示了膳食植物营养素如何被肠道微生物及其酶生物转化，以及这些转化过程与人体健康之间的关联。

研究团队整合了多个与酶反应以及食物健康效应相关的生物信息学数据库（如KEGG, Brenda等），并对全球来自不同地区的3,068份公开获取的人类宏基因组数据进行分析（图2），以获取肠道分类组成以及功能潜力。

生信分析表明，肠道微生物中存在大量具有潜在的植物化合物（植物性食物包含的化合物）转化能力的酶，共涉及755种不同的植物化合物。且这些功能并非集中在少类物种，而是分布在多个系统发育分支。此外，研究团队还发现，与59种常规益生菌相比，人类肠道菌群在此类代谢功能上既有共性又有独特性的优势。

基于上述预测结果，研究团队选取了几种代表性的肠道微生物，通过体外实验验证其对多种植物化合物的转化能力。结果确认E. ramulus, O.splanchnicus和B. uniformis三种代表性菌株能够完成特定的代谢反应，其中E. ramulus的代谢活性尤为突出。

图1: 肠道微生物群介导的膳食植物化合物转化与疾病健康相关

进一步比较显示，肠道微生物对植物化合物的转化功能在不同个体之间以及不同地理区域间均存在差异。具体而言，不同个体可潜在代谢的植物化合物的数目差异较大，范围在264到620之间。基于不同大洲的beta diversity多样性分析同样揭示了这种代谢潜能的差别。此外，研究还发现年龄和BMI对植物化合物的代谢都有潜在影响，例如：通过关联分析发现BMI与参与植物化合物代谢的肠道微生物酶数目呈负相关。

图2: 研究设计以及用于关联肠道微生物群与膳食植物营养素的研究方法及数据库。

研究团队还整合了2,486份多种疾病（炎性肠病，IBD; 非酒精性脂肪肝，NAFLD; 结直肠癌，CRC）相关的病例-对照肠道微生物组数据，用于评估不同健康状态下肠道菌群对植物化合物的转化潜力。

结果表明，健康人群与患病人群的微生物组对植物化合物的转化存在显著差异，例如，基于植物化合物代谢酶的机器学习模型可有效区分健康人与IBD患者（验证队列AUC= 0.793）。模型特征Alistipes finegoldii 来源的EC 4.1.99.1 (色氨酸酶) 在健康对照中丰度更高，且与色氨酸水平呈显著负相关，提示肠道微生物可能通过对植物化合物的生物转化激活其对宿主的有益作用。

随后，研究团队在无特定病原体 (SPF) 与无菌 (GF) 小鼠肠炎模型中，通过饲喂草莓进一步评估了其所含植物化合物在体内的作用机制。

实验结果显示：在SPF条件下中，草莓可以发挥明确的抗炎效果；在无菌条件下，这一效果显著减弱。接着对SPF小鼠进行粪便宏基因组和宏转录组数据分析，筛选出可能在缓解肠炎中发挥作用且与草莓植物化合物代谢相关的肠道菌源酶。相关结果进一步表明植物性食物的健康效应部分依赖于肠道微生物中关键酶的丰度与表达水平。

综上所述，本研究系统性揭示了肠道菌群来源的多种酶对植食性化合物的转化能力，同时这种潜能在健康与疾病个体之间存在显著差异，强调了仅从饮食结构来定义健康饮食的局限性以及肠道菌群在其中的重要作用。这些发现为提升植食性饮食的营养价值提供了新思路，比如靶向调控微生物功能、开发新一代益生菌、设计新型发酵食物等功能性食物，以及推动个性化营养策略的建立。

德国莱布尼茨汉斯诺尔研究所博士研究生张璐和Andrea Marfil-Sánchez为本文共同第一作者。上海交通大学医学院附属第六人民医院倪岳琼研究员与德国莱布尼茨汉斯诺尔研究所Gianni Panagiotou教授为本文共同通讯作者。研究得到了EMBL欧洲分子生物学实验室Michael Zimmermann教授团队以及丹麦技术大学Morten O.A. Sommer教授团队的大力支持。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41564-025-02197-z

1. Barabási, A. L. et al. The unmapped chemical complexity of our diet. Nat Food. 1, 33–37 (2020). 

2. Zimmermann, M., Zimmermann-Kogadeeva, M., Wegmann, R. & Goodman, A. L. Mapping human microbiome drug metabolism by gut bacteria and their genes. Nature 570, 462–467 (2019).

3. Javdan, B. et al. Personalized mapping of drug metabolism by the human gut microbiome. Cell 181, 1661-1679.e22 (2020).

4. Kan, J. et al. Phytonutrients: sources, bioavailability, interaction with gut microbiota, and their impacts on human health. Front. Nutr. 9, 960309 (2022).

5. Beaver, L. M. et al. Promotion of healthy aging through the nexus of gut microbiota and dietary phytochemicals. Adv. Nutr. 16, 100376 (2025).