1.优秀和青年非优秀运动员肠道菌群的微生物多样性

对19名运动员的粪便样本进行了16SrRNA基因V3-V4区测序，利用QIIME平台进行了质量控制和分析。α多样性分析中Shannon和Simpson指数稳定，表明大部分微生物群已被检测到。此外，成年优秀运动员（AE）和青年优秀运动员（YE）队列的Shannon和Simpson指数显著高于青年非优秀运动员（YN）队列（图1a，b），表明与青年非优秀运动员相比，优秀运动员的微生物多样性丰富。β多样性分析观察到AE、YE和YN队列之间微生物组成的差异（图1c、d），表明AE和YE队列与YN队列相比，在两种分类组成方面具有不同的肠道微生物组成（图1c）和功能组成（图1d）。

图1 AE、YE和YN三组微生物群落的（a）Shannon指数、（b）Simpson指数、（c）分类学组成和（d）功能组成的线性判别分析比较。

2. 区分优秀和青年非优秀运动员的肠道微生物

运动员与中国普通人群的主要菌门类似，即丰度最高的四个门分别为厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门，但在各自占比上仍有显著差异。其中AE和YE组的厚壁菌门和变形菌门的平均相对丰度高于YN组；YN组的拟杆菌门的平均相对丰度显著高于AE和YE组（图2a）。有研究表明厚壁菌门/拟杆菌门的比值与粪便总短链脂肪酸的含量呈正相关，此外也与机体的最大摄氧量呈正相关。本研究计算该比值，发现AE和YE组显著高于YN组。因此，可以推测与YN组相比，AE和YE组中总短链脂肪酸生成增加。此外，Euryarcharota是古细菌结构域中唯一检测到的门，在YE队列中占主导地位。在属水平上，发现Riminococcaceae_unclassified、Clostridiales_unclassified、Faecalibacterium和Lachnospiraceae_unclassified在AE队列中富集，而Bacteroides和Prevotella分别在YE队列和YN队列中占优势（图2b）。

基于分类学组成，使用Bugbase对三组运动员的细菌表型进行了研究。结果显示，YN组需氧菌群的比例显著高于AE和YE组；同时，YN组厌氧菌群的相对丰度显著显著高于AE组，AE组和YE组中兼性厌氧菌群的比例显著高于YN主要；此外，发现AE和YE组氧化应激耐受微生物群的相对丰度显著高于YN组（图2c）。氧化应激是各种疾病低度炎症的关键因素，上述研究表明肠道菌群可能在控制氧化应激、炎症反应和改善代谢和能量消耗中发挥关键作用。因此，推测更高比例的氧化应激耐受微生物群可能有助于提高竞技运动的表现。

对三组之间的功能通路进行比较，结果发现三组间11个与能量代谢有关的通路有显著差异（图2d），包括ATP代谢、NADPH/NADH代谢、参与多种糖转运系统和碳水化合物代谢，这些通路对运动员至关重要。总的来说，这些结果揭示了与青年非优秀运动员相比，优秀运动员微生物群落中参与ATP代谢、多种糖转运系统和碳水化合物代谢的功能途径的比例增加。

图2 优秀和青年非优秀运动员肠道微生物组中不同丰度的分类（a、b）、表型（c）和功能组成（d）。

3. 优秀和青年非优秀运动员的肠型分析

为了进一步了解三组之间的微生物群落差异，对所得样本进行了肠型分析。基于属水平的微生物组成，使用PAM法将这些样品分成了3个肠型。发现肠型1、肠型2和肠型3分别以普雷沃菌，拟杆菌和Ruminococcaceae_unclassified为主（图3a），利用Jensen–Shannon距离主坐标分析表明三种肠型的微生物组成彼此之间存在显著差异（图3b）。AE和YE组分布在肠型3中的比例较高，二YN组多见于肠型1（图3c）。其中Ruminococcaceae的成员很可能产生短链脂肪酸，改善胰岛素敏感，而且与肠壁上特定的G蛋白偶联受体相互作用。这表明肠型3很可能代表了与优秀运动员相关的肠道菌群。此外，通过Spearman相关性进行共生分析表明，肠型3中的其他优势属与Ruminococcaceae_unclassified不呈正相关（图3d），表明Ruminococcaceae_unclassified可能才是与优秀运动员相关的菌。

图3 优秀和青年非优秀运动员的三种肠道肠型的最优势菌属的相对丰度（a）、基于Jensen-Shannon距离的PCoA差异（b）、样本分布（c）和共生模式（d）。

4. 富集的肠道菌群与优势功能组成的相关性

为了从生态学的角度深入了解微生物群落成员之间的相互作用，接下来研究了基于SparCC算法的优势微生物群之间的相互作用。在属-属共生网络中，在AE、YE和YN组中观察到50种不同丰度的微生物群。此外，与AE和YN组相比，YE队列中不同丰度微生物群的数量更高；在AE、YE和YN组中观察到的富集微生物群间很大一部分相关性为负，而在每个组中富集微生物群之间的许多相关性为正（图4a）。

为了探索优势细菌和富集通路之间的关系，计算了两者之间的相关性。发现YE组中优势的Ruminococcus和Blautia与有助于碳固定（还原性磷酸戊糖循环）、甲烷代谢、中心碳水化合物代谢、支链氨基酸代谢，以及磷酸盐和氨基酸转运系统的富集通路显著正相关；YN组中优势的普雷沃菌、巨单胞菌、Dialister和优杆菌，与YE队列富集菌群正相关的通路呈负相关，而与有助于碳固定（还原性乙酰coa途径）、萜类骨架生物合成、嘌呤代谢以及辅因子和维生素生物合成的腹肌通路显著正相关；AE组中优势的克雷伯菌、欧文氏菌和柠檬酸杆菌与YE和YN队列中正相关的通路呈负相关，而该组的其余优势的Clostridiaceae_unclassified和Peptostreptococcaceae_unclassified与碳固定（还原性磷酸戊糖循环）、甲烷代谢、中心碳水化合物代谢、支链氨基酸代谢以及磷酸盐和氨基酸转运系统呈正相关（图4b）。

综上所述，不同的微生物组成回影响机体中富集不同的通路，此外，由于人类肠道微生物组成与宿主年龄密切相关，因而推测人类肠道微生物组成的差异，包括分类学和功能组成，与年龄和其他环境因素相关。

图4 优势的微生物群之间的相关性（a）其与富集通路的相关性（b）。

5. 监测运动员潜力的分类评估

为了进一步探索优秀运动员的分类学和功能特征，使用LEfSe根据分类学和功能组成确定每个队列的生物标志物。分别选择普雷沃菌和拟杆菌作为YN和YE队列的生物标志物，而选择瘤胃球菌科和瘤胃球菌作为AE队列的生物标志物（图5a）。结果与各肠型中的优势属一致。运动导致运动员微生物组成差异，高比例的粪脂杆菌可诱导产生更多的SCFA，以改善AE队列的运动表现，KEGG通路证明这些功能性生物标志物主要有助于聚糖生物合成和代谢，以及碳水化合物代谢（图2b）。

为了利用分类学生物标志物和功能生物标志物监测运动员潜力的潜力，利用已鉴定的生物标志物构建了随机森林分类器。结果显示，基于分类学生物标志物，从YN样本中区分AE和YE样本的平均准确性分别为92.93%和90.7%（图5c）；同样，基于功能性生物标志物，从YN样本中识别AE和YE样本的平均准确度分别为89.18%和79.63%（图5d）；基于分类生物标志物和功能生物标志物组合的分析发现从YN样本中检测AE样本的平均准确度（94.52%）高于单独使用分类生物标志物或功能生物标志物的准确度，基于分类生物标志物和功能生物标志物组合从YN样本中识别YE样本的平均准确性与基于分类生物标志物的准确性相似（图5e）。

综上所述，分类学和功能特征分析揭示了优秀和青年非优秀运动员微生物群落的显著差异，结果有很大的潜力为监测一组运动员的优秀运动员的潜力提供指导。

图5 运动员潜力的分类学层面的生物标志物（a）、代谢通路层面的生物标志物（b）和使用分类生物标志物（c）、功能生物标志物（d）和分类生物标志物和功能生物标志物的组合（e）构建的随机森林模型。

6. 影响优秀和青年非优秀运动员肠道菌群结构的因素

19名运动员中选择了4名YE组和2名YN组的成员，将其粪便样本与47个环境因素（饮食因素、身体特征和运动相关特征）进行相关性分析。结果发现有22个差异丰富的微生物群，与37个不同因素呈强正相关或负相关（图6a），而且，发现不同的因素与优势菌群有各种相关性（图6b）。

变异分区分析表明，41%的个体间微生物组变异与身体特征（中间细胞和红细胞）、饮食因素（主食和蔬菜）和运动相关特征（左足站立时闭上眼睛的时间）相关因素的协同作用有关。这表明虽然饮食因素和身体特征强烈影响赛艇运动员的表现，但肠道微生物组在这一过程中起中间介导的作用。

图6 环境因素与优势菌群之间的相关性。（a）22种差异丰富菌群（属水平）与环境因素之间的相关性（b）一种菌群与多种因素之间或多种菌群与一种因素之间的相关性。

Web results那不勒斯腓特烈二世大学

该项研究针对中国职业女子赛艇队的优秀和青年非优秀运动员，主要集中分析了在运动员成绩、肠道菌群、饮食因素、身体特征和运动相关特征之间的复杂关联。

首先，对运动员肠道菌群进行分层发现，优秀运动员和青年非优秀运动员的肠道菌群具有不同的肠型，在分类学结构和功能组成上，发现在优秀运动员的微生物群落中，产SCFA的细菌占主导地位。

其次，深入的功能谱分析发现，ATP代谢、多种糖转运系统和碳水化合物代谢在优秀运动员的微生物群落中富集；再者，基于分类学和功能生物标志物的结合构建了准确的分类器，突出了从一组运动员中监测候选优秀运动员的巨大潜力。

最后，证明了肠道菌群与身体特征、饮食因素和运动相关特征密切相关。重要的是，运动员微生物群落的多功能性，可能通过改变肠道微生物组影响运动员的成绩，与饮食因素(29%)和身体特征(21%)相关。这些发现强调了肠道菌群、饮食因素、运动员的身体特征和表现的复杂相互作用，其中肠道菌群作为一个关键因素。

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