近日，西北農林科技大學羊遺傳改良與生物育種團隊攜手國內外多家科研機構，在綿羊和山羊腸道微生物基因組數據庫構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Top期刊《Microbiome》發表。
綿羊與山羊作為全球范圍內重要的家畜，歷經長期自然選擇與人工馴化，形成了獨特的生理與行為特性，具備強大的生態環境適應能力，分布于世界各地的不同地理與氣候條件下，兩者展現出卓越的生存適應性。而其進化路徑與代謝差異也一直是生物學研究的核心焦點。在馴化過程中形成的生態位差異及環境適應性，使得綿羊和山羊在基因組、行為和代謝適應上呈現明顯區別。值得注意的是，動物適應力不僅僅源于宿主基因組，還很大程度上取決于其龐大復雜的微生物組基因庫。腸道微生物群作為“第二基因組”，在營養代謝、免疫響應、生理機能和進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成與功能差異，對闡明這兩種物種進化過程中的適應性特征至關重要。然而，受限于當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面臨挑戰，亟需建立綿羊和山羊專用的腸道微生物基因組目錄。
據此，研究團隊在全國范圍內的32個羊場收集了來自21個綿羊和山羊品種共計320個腸道樣本，分別構建了包含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，其數據覆蓋率高達80%。對比分析發現，山羊和綿羊腸道微生物基因集中共享了4900萬個非冗余基因和1138個菌種，研究詳細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，并揭示了飼養環境對山羊腸道微生物結構和功能的潛在影響。通過Binning組裝技術，團隊成功構建了擁有5810個中高質量微生物基因組的數據庫，其中包括38個菌株級別的基因組和3149個物種級別的基因組，且從中識別出2661個先前未經確認的新型細菌。這一數據庫的建立使GTDB基因組數據庫的細菌多樣性提高了約9.3%。特別值得一提的是，研究在綿羊腸道中鑒別出91個特異性定植的細菌，其基因組富含大量與黏蛋白代謝相關的功能基因和多糖利用位點，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大功能潛力。
該研究創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，成功構建了包含5810個中高質量微生物基因組的數據庫，揭示了綿羊腸道內特異性定殖的91種細菌在多糖和黏蛋白代謝方面的潛力，為后續研究共生菌與黏蛋白間的相互作用機制奠定了堅實的基礎。
我校陳玉林教授、中國科學院北京生命科學研究所趙方慶研究員和我校王小龍教授為論文通訊作者。我校動科學院博士后張科、信息工程學院博士生何翀、青海省畜牧獸醫科學院副研究員王磊、西藏自治區農牧科學院畜牧獸醫研究所副研究員索朗達、楊凌職業技術學院郭萌萌博士同列為論文第一作者。四川農業大學副教授郭家中、信息工程學院王美麗教授、廣東海洋大學甘尚權教授以及蘇黎世大學Daniel Brugger教授等專家對該研究給予了悉心指導和支持。本項研究得到了國家重點研發計劃（2022YFD1300203）、西藏自治區科技計劃（XZ202101ZD0001N）、國家絨毛用羊產業技術體系（CARS-39）、陜西省科協青年人才托舉計劃（2023-6-2-1）以及陜西省兩鏈融合“揭榜掛帥”項目（2022GD-TSLD-46）的資金支持。這項研究成果將極大地推動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識，并為進一步定向篩選和體外調控維持腸道屏障穩態的關鍵功能菌株實現產業化應用奠定基石。
全文鏈接：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-024-01806-z
日期：2024-07-20
綿羊與山羊作為全球范圍內重要的家畜，歷經長期自然選擇與人工馴化，形成了獨特的生理與行為特性，具備強大的生態環境適應能力，分布于世界各地的不同地理與氣候條件下，兩者展現出卓越的生存適應性。而其進化路徑與代謝差異也一直是生物學研究的核心焦點。在馴化過程中形成的生態位差異及環境適應性，使得綿羊和山羊在基因組、行為和代謝適應上呈現明顯區別。值得注意的是，動物適應力不僅僅源于宿主基因組，還很大程度上取決于其龐大復雜的微生物組基因庫。腸道微生物群作為“第二基因組”，在營養代謝、免疫響應、生理機能和進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成與功能差異，對闡明這兩種物種進化過程中的適應性特征至關重要。然而，受限于當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面臨挑戰，亟需建立綿羊和山羊專用的腸道微生物基因組目錄。
據此，研究團隊在全國范圍內的32個羊場收集了來自21個綿羊和山羊品種共計320個腸道樣本，分別構建了包含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，其數據覆蓋率高達80%。對比分析發現，山羊和綿羊腸道微生物基因集中共享了4900萬個非冗余基因和1138個菌種，研究詳細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，并揭示了飼養環境對山羊腸道微生物結構和功能的潛在影響。通過Binning組裝技術，團隊成功構建了擁有5810個中高質量微生物基因組的數據庫，其中包括38個菌株級別的基因組和3149個物種級別的基因組，且從中識別出2661個先前未經確認的新型細菌。這一數據庫的建立使GTDB基因組數據庫的細菌多樣性提高了約9.3%。特別值得一提的是，研究在綿羊腸道中鑒別出91個特異性定植的細菌，其基因組富含大量與黏蛋白代謝相關的功能基因和多糖利用位點，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大功能潛力。
該研究創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，成功構建了包含5810個中高質量微生物基因組的數據庫，揭示了綿羊腸道內特異性定殖的91種細菌在多糖和黏蛋白代謝方面的潛力，為后續研究共生菌與黏蛋白間的相互作用機制奠定了堅實的基礎。
我校陳玉林教授、中國科學院北京生命科學研究所趙方慶研究員和我校王小龍教授為論文通訊作者。我校動科學院博士后張科、信息工程學院博士生何翀、青海省畜牧獸醫科學院副研究員王磊、西藏自治區農牧科學院畜牧獸醫研究所副研究員索朗達、楊凌職業技術學院郭萌萌博士同列為論文第一作者。四川農業大學副教授郭家中、信息工程學院王美麗教授、廣東海洋大學甘尚權教授以及蘇黎世大學Daniel Brugger教授等專家對該研究給予了悉心指導和支持。本項研究得到了國家重點研發計劃（2022YFD1300203）、西藏自治區科技計劃（XZ202101ZD0001N）、國家絨毛用羊產業技術體系（CARS-39）、陜西省科協青年人才托舉計劃（2023-6-2-1）以及陜西省兩鏈融合“揭榜掛帥”項目（2022GD-TSLD-46）的資金支持。這項研究成果將極大地推動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識，并為進一步定向篩選和體外調控維持腸道屏障穩態的關鍵功能菌株實現產業化應用奠定基石。
全文鏈接：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-024-01806-z
日期：2024-07-20
