近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)羊遺傳改良與生物育種團(tuán)隊(duì)攜手國內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)，在綿羊和山羊腸道微生物基因組數(shù)據(jù)庫構(gòu)建及腸道粘蛋白和多糖代謝功能菌種挖掘方面取得了重要進(jìn)展。研究成果以“Compendium of 5810 genomes of sheep and goat gut microbiomes provides new insights into the glycan and mucin utilization”為題在微生物學(xué)Top期刊《Microbiome》發(fā)表。
綿羊與山羊作為全球范圍內(nèi)重要的家畜，歷經(jīng)長期自然選擇與人工馴化，形成了獨(dú)特的生理與行為特性，具備強(qiáng)大的生態(tài)環(huán)境適應(yīng)能力，分布于世界各地的不同地理與氣候條件下，兩者展現(xiàn)出卓越的生存適應(yīng)性。而其進(jìn)化路徑與代謝差異也一直是生物學(xué)研究的核心焦點(diǎn)。在馴化過程中形成的生態(tài)位差異及環(huán)境適應(yīng)性，使得綿羊和山羊在基因組、行為和代謝適應(yīng)上呈現(xiàn)明顯區(qū)別。值得注意的是，動(dòng)物適應(yīng)力不僅僅源于宿主基因組，還很大程度上取決于其龐大復(fù)雜的微生物組基因庫。腸道微生物群作為“第二基因組”，在營養(yǎng)代謝、免疫響應(yīng)、生理機(jī)能和進(jìn)化過程中扮演著重要角色。深入研究綿羊和山羊腸道微生物群的構(gòu)成與功能差異，對闡明這兩種物種進(jìn)化過程中的適應(yīng)性特征至關(guān)重要。然而，受限于當(dāng)前綿羊和山羊特定微生物基因目錄的缺乏，研究者在篩選有效功能菌株時(shí)面臨挑戰(zhàn)，亟需建立綿羊和山羊?qū)Ｓ玫哪c道微生物基因組目錄。
據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)在全國范圍內(nèi)的32個(gè)羊場收集了來自21個(gè)綿羊和山羊品種共計(jì)320個(gè)腸道樣本，分別構(gòu)建了包含1.6億和8千萬非冗余基因的綿羊和山羊腸道微生物基因集目錄SMGC和GMGC，其數(shù)據(jù)覆蓋率高達(dá)80%。對比分析發(fā)現(xiàn)，山羊和綿羊腸道微生物基因集中共享了4900萬個(gè)非冗余基因和1138個(gè)菌種，研究詳細(xì)解析了綿羊和山羊后腸微生物在多糖和黏蛋白代謝通路中的功能差異，并揭示了飼養(yǎng)環(huán)境對山羊腸道微生物結(jié)構(gòu)和功能的潛在影響。通過Binning組裝技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了擁有5810個(gè)中高質(zhì)量微生物基因組的數(shù)據(jù)庫，其中包括38個(gè)菌株級別的基因組和3149個(gè)物種級別的基因組，且從中識(shí)別出2661個(gè)先前未經(jīng)確認(rèn)的新型細(xì)菌。這一數(shù)據(jù)庫的建立使GTDB基因組數(shù)據(jù)庫的細(xì)菌多樣性提高了約9.3%。特別值得一提的是，研究在綿羊腸道中鑒別出91個(gè)特異性定植的細(xì)菌，其基因組富含大量與黏蛋白代謝相關(guān)的功能基因和多糖利用位點(diǎn)，有力證明了綿羊特有的微生物群在代謝黏蛋白和多糖方面的強(qiáng)大功能潛力。
該研究創(chuàng)建了迄今為止全球最大的綿羊和山羊腸道微生物基因集目錄SMGC和GMGC，通過宏基因組組裝技術(shù)，成功構(gòu)建了包含5810個(gè)中高質(zhì)量微生物基因組的數(shù)據(jù)庫，揭示了綿羊腸道內(nèi)特異性定殖的91種細(xì)菌在多糖和黏蛋白代謝方面的潛力，為后續(xù)研究共生菌與黏蛋白間的相互作用機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
我校陳玉林教授、中國科學(xué)院北京生命科學(xué)研究所趙方慶研究員和我校王小龍教授為論文通訊作者。我校動(dòng)科學(xué)院博士后張科、信息工程學(xué)院博士生何翀、青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院副研究員王磊、西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所副研究員索朗達(dá)、楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院郭萌萌博士同列為論文第一作者。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授郭家中、信息工程學(xué)院王美麗教授、廣東海洋大學(xué)甘尚權(quán)教授以及蘇黎世大學(xué)Daniel Brugger教授等專家對該研究給予了悉心指導(dǎo)和支持。本項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFD1300203）、西藏自治區(qū)科技計(jì)劃（XZ202101ZD0001N）、國家絨毛用羊產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-39）、陜西省科協(xié)青年人才托舉計(jì)劃（2023-6-2-1）以及陜西省兩鏈融合“揭榜掛帥”項(xiàng)目（2022GD-TSLD-46）的資金支持。這項(xiàng)研究成果將極大地推動(dòng)對綿羊和山羊腸道微生物在多糖和黏蛋白代謝功能差異的深入認(rèn)識(shí)，并為進(jìn)一步定向篩選和體外調(diào)控維持腸道屏障穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵功能菌株實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定基石。
全文鏈接：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-024-01806-z
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