劉慶友教授團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建山羊腸道微生物基因組目錄

發(fā)表時(shí)間：2023-10-13

2023年10月2日,，Microbiome（Top 一區(qū)，IF= 15.5）在線發(fā)表了題為“The multi-kingdom microbiome of the goat gastrointestinal tract”的學(xué)術(shù)論文,。論文主要由我校生命科學(xué)與工程學(xué)院劉慶友教授團(tuán)隊(duì),、華中科技大學(xué)陳衛(wèi)華教授團(tuán)隊(duì)和廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)曹艷紅研究員團(tuán)隊(duì)等共同完成,，我校為第一署名單位，曹艷紅研究員,、馮彤博士生和吳英健博士生為并列第一作者,，劉慶友教授和華中科技大學(xué)陳衛(wèi)華教授為共同通訊作者,。

山羊是世界范圍內(nèi)具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的家畜動(dòng)物，通過提供肉類,、奶制品和皮毛等產(chǎn)品,，在人類生活中發(fā)揮著不可或缺的作用。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）的數(shù)據(jù),，全球約有1,000個(gè)山羊品種和超過10億只山羊,，其中中國是世界上山羊數(shù)量最多的國家之一，約有1.4億只山羊,。反芻動(dòng)物的胃腸道微生態(tài)群落在其宿主的生理功能中具有重要作用,。論文構(gòu)建了包含4,075個(gè)細(xì)菌和古細(xì)菌基因組裝（MAGs）以及7,204個(gè)病毒基因組的山羊微生物基因組目錄（GMMC），并注釋了4,817,256個(gè)非冗余蛋白編碼基因,。填補(bǔ)了黑山羊腸道微生物研究中的空白,，提供了涵蓋細(xì)菌、古細(xì)菌和病毒基因組和編碼蛋白的目錄,，為實(shí)現(xiàn)更好的山羊營養(yǎng)代謝和健康養(yǎng)殖奠定了基礎(chǔ),。

劉慶友教授團(tuán)隊(duì)主要致力于多組學(xué)解析動(dòng)物重要經(jīng)濟(jì)性狀形成的分子調(diào)控機(jī)制，為廣東省動(dòng)物分子設(shè)計(jì)與精準(zhǔn)育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牛羊草食動(dòng)物團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人,、第四屆國家畜禽遺傳資源委員會(huì)牛專業(yè)委員會(huì)成員,，第五屆全國畜牧學(xué)科高峰論壇副秘書長，國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金重點(diǎn)項(xiàng)目會(huì)評(píng)專家等,。該團(tuán)隊(duì)已在《Nature Communications》《National Science Review》《Microbiome》《Molecular
Biology and Evolution》等知名國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了系列論文,。

結(jié)果解讀

1、山羊腸道微生物基因組目錄（GMMC）的構(gòu)建

團(tuán)隊(duì)共采集了497份樣本,，包括十個(gè)山羊胃腸道位點(diǎn),，胃（瘤胃、網(wǎng)胃,、瓣胃,、皺胃）、小腸（十二指腸,、空腸,、回腸）和大腸（盲腸、結(jié)腸）,，三個(gè)發(fā)育階段（1月齡,、6月齡和12月齡；見表S3）,、兩種喂養(yǎng)方式（圈養(yǎng)和放養(yǎng)）和四個(gè)地理位置（中國的云南,、四川、廣西和海南?。?。獲得2.7 Tb的clean
data數(shù)據(jù),，組裝了共計(jì)4,075個(gè)長度超過200kb的MAGs，包括4004個(gè)細(xì)菌MAGs和71個(gè)古細(xì)菌MAGs,。我們還注釋7,204個(gè)非冗余病毒基因組,，最小長度為5kb。我們將這4,004個(gè)細(xì)菌MAGs和71個(gè)古細(xì)菌MAGs以及7,204個(gè)病毒基因組稱為山羊多界微生物組目錄（GMMC）,，給出了更好地代表山羊胃腸道微生物群落的基因組/非冗余蛋白的序列參考藍(lán)圖,，同時(shí)包含了相當(dāng)比例的新穎基因組作為待發(fā)掘的方向。

圖1 山羊胃腸道微生物基因組的構(gòu)建

2. GMMC的分類和功能注釋

在4,075個(gè)MAGs中,，所有MAGs都能被分配到其各自的界（細(xì)菌,，n = 4,004；古菌,，n
= 71）,，大多數(shù)MAGs能夠在門、綱,、目和科的層次上被分配到已知的分類,，在種層面上，有451個(gè)MAGs（11.07%）能夠被分類為已知的物種,，表明大多數(shù)MAGs以前尚未被鑒定。在門分類上,，細(xì)菌MAGs主要由Firmicutes_A（n = 1,503）和Bacteroidota（n
= 1,479）作為優(yōu)勢(shì)菌門,，其次是Verrucomicrobiota、Proteobacteria和Spirochaetota,。所有的古細(xì)菌MAGs都是已知的產(chǎn)甲烷菌,，屬于Thermoplasmatota門（n
= 37）、Halobacterota門（n = 30）和Euryarchaeota門（n
= 4）,。我們使用VirusTaxo和Demovir工具對(duì)GMMC病毒基因組進(jìn)行了注釋,。我們將其中的75.67%分配到已知的分類類群中；其中,，602個(gè)病毒被分配到Poxviridae科,，其次是Mimiviridae（n = 573）、Microviridae（n = 477）和Siphoviridae（n
= 120）,?？傮w分類分布與其他來源于人類的宏基因組病毒目錄（包括GVD、MGV和GPD）類似,。我們從所有的GMMC基因組中注釋了7,645,971個(gè)蛋白編碼基因,，并使用CD-HIT在95%氨基酸相似性閾值下去冗余，得到了4,817,256個(gè)非冗余基因,。

圖1 山羊胃腸道微生物基因組的構(gòu)建

2. GMMC的分類和功能注釋

在4,075個(gè)MAGs中,，所有MAGs都能被分配到其各自的界（細(xì)菌,，n = 4,004；古菌,，n
= 71）,，大多數(shù)MAGs能夠在門、綱,、目和科的層次上被分配到已知的分類,，在種層面上，有451個(gè)MAGs（11.07%）能夠被分類為已知的物種,，表明大多數(shù)MAGs以前尚未被鑒定,。在門分類上，細(xì)菌MAGs主要由Firmicutes_A（n = 1,503）和Bacteroidota（n
= 1,479）作為優(yōu)勢(shì)菌門,，其次是Verrucomicrobiota,、Proteobacteria和Spirochaetota。所有的古細(xì)菌MAGs都是已知的產(chǎn)甲烷菌,，屬于Thermoplasmatota門（n
= 37）,、Halobacterota門（n = 30）和Euryarchaeota門（n
= 4）。我們使用VirusTaxo和Demovir工具對(duì)GMMC病毒基因組進(jìn)行了注釋,。我們將其中的75.67%分配到已知的分類類群中,；其中，602個(gè)病毒被分配到Poxviridae科,，其次是Mimiviridae（n = 573）,、Microviridae（n = 477）和Siphoviridae（n
= 120）?？傮w分類分布與其他來源于人類的宏基因組病毒目錄（包括GVD,、MGV和GPD）類似。我們從所有的GMMC基因組中注釋了7,645,971個(gè)蛋白編碼基因,，并使用CD-HIT在95%氨基酸相似性閾值下去冗余,，得到了4,817,256個(gè)非冗余基因。

圖3 山羊胃腸道微生物群落動(dòng)態(tài)變化及飲食影響

4. 山羊胃腸道微生物類群的分布和變化

論文觀察到注釋的纖維素消化細(xì)菌在胃腸道部位之間存在顯著變化,，包括六個(gè)屬：Prevotella,、Fibrobacter、Faecalibacterium,、Acetivibrio_A,、Ruminiclostridium_E和Paraprevotella。前兩個(gè)屬,，即Prevotella和Fibrobacter在胃和小腸中的相對(duì)豐度較高,，而其他四個(gè)屬在下游部位（即大腸和直腸）中的豐度較高。這些功能性細(xì)菌屬反映了山羊宿主與微生物之間的相互作用趨勢(shì),，在不同的胃腸道部位共同促進(jìn)消化和吸收功能,。由于纖維素消化能力對(duì)山羊的發(fā)育和品質(zhì)至關(guān)重要,，我們接下來著重識(shí)別具有潛在纖維素消化功能的新屬。論文鑒定出了185個(gè)屬（在311個(gè)差異屬中）,，其豐度與至少一個(gè)GHs類別呈顯著正相關(guān)（Pearson相關(guān)系數(shù)R≥0.5,，P<0.05）。我們發(fā)現(xiàn)其中有26.5%（49個(gè)屬）被報(bào)道具有纖維素消化能力,。令人驚訝的是,，這些屬中的65.95%在大腸和直腸的部位具有更高的相對(duì)豐度（大腸組的15.68%，直腸組的50.27%）,，而僅有28.65%在胃中具有更高的相對(duì)豐度,，這支持了山羊下游胃腸道部位（即大腸和直腸組）在纖維素消化吸收中亦發(fā)揮著重要作用的觀點(diǎn)。

5. GMMC的病毒組宿主預(yù)測(cè)和針對(duì)甲烷產(chǎn)生菌的溶菌性病毒的鑒定

由于大多數(shù)病毒在物種層面上具有宿主,，它們是精確操縱山羊胃腸道細(xì)菌和古細(xì)菌的理想工具,。在所有有預(yù)測(cè)宿主的病毒中，有1,321個(gè)（占有預(yù)測(cè)宿主的4,202個(gè)病毒的31%）被預(yù)測(cè)只有一個(gè)宿主,，可以歸類為特異性寄生病毒,，而其他病毒則與兩個(gè)或多宿主有關(guān)，被歸類為廣義寄生病毒,。病毒是潛在的抑制產(chǎn)甲烷菌生長的理想工具,，然而，到目前為止,，只有少數(shù)幾種甲烷產(chǎn)生菌病毒被鑒定出來,。因此，我們篩選了GMMC中所有的病毒,，并鑒定出共有104個(gè)病毒靶向作用于甲烷產(chǎn)生菌。根據(jù)DeePhage工具的結(jié)果,，其中68個(gè)病毒被認(rèn)為是溶菌性的（具有毒力或毒力不確定）,，可以靶向本研究中鑒定的所有四個(gè)甲烷產(chǎn)生菌屬。此外,，有五種病毒-宿主關(guān)系受到兩種或更多方法的支持,，包括四種溶菌性病毒與三種甲烷產(chǎn)生菌的作用關(guān)系。這些結(jié)果為今后針對(duì)這些病毒的有針對(duì)性的分離和其對(duì)甲烷產(chǎn)生菌毒力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了支持,。