作者:严涛 张行勇 来源:中国科学报 发布时间:2022/8/23 13:52:15
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世界首个牛羊瘤胃原虫基因组目录集公布

 

 瘤胃纤毛虫的显微图像。(西北农林科技大学 供图)

8月19日,西北农林科技大学姜雨团队、北京畜牧兽医研究所姚斌院士团队和美国俄亥俄州立大学于忠堂教授在《国际微生物生态学会会刊》(ISME Journal)杂志上发表了一篇题为《基因组角度揭示瘤胃纤毛虫的系统发育和生物质降解酶》 的文章。该项目团队公布了世界上首个反刍动物瘤胃原虫的基因组目录,厘清了其系统发育关系和分类学框架,鉴定出1个新的科,2个新的属和2个新的种。同时鉴定到3万多个新型的碳水化合物活性酶(CAZyme),发现其对植物细胞壁的降解能力可比肩肠道真菌。

牛羊等反刍动物可以将人类不可食用的植物秸秆等资源转化为人类可食用的高质量的肉和奶,缓解了人畜争粮的问题。这一功能归因于反刍动物强大的瘤胃微生物发酵系统。瘤胃原虫是人类最早(1843年)发现的一类瘤胃微生物,其可占据瘤胃微生物生物量的50%,且在微生态系统中扮演着重要角色。但由于其不能纯培养,其代谢功能一直是个未解之谜。瘤胃原虫可捕食细菌且与甲烷菌具有共生关系,科学家们倾向于认为原虫对饲料降解和环境保护是不利的,并进行了近百年的驱除试验。该团队成员之前的研究发现,驱除原虫仅短期会降低瘤胃甲烷产量,长期反而提高了甲烷产量,而且驱除原虫后瘤胃植物纤维的降解率会降低。这种有悖于传统认知现象,驱动了团队进一步的机理探究。

通过创建整套纤毛虫单细胞全基因组测序的组装和识别流程,共获得了奶牛、肉牛和奶山羊瘤胃中22个形态种的52个高质量基因组。其中Oph. caudatus 基因组中染色体的数量估计至少有43,286条,是目前自然界中发现的染色体数量最高的物种。另外纤毛虫的片段化(一条染色体仅编码一个基因)和非片段化基因组首次在同一个纲中被发现。利用这些基因组厘清了瘤胃纤毛虫的分类学和系统发育框架,将22个形态种修改为19个物种和13个属。其中1个新的科、2个新的属、9个同义物种和2个隐形物种被发现。对901个已发表的瘤胃宏基因组数据用本基因组集重新分析发现,纤毛虫的reads在宏基因组中可高达72%,极大地促进了宏基因组数据中暗物质的解析。

在52个纤毛虫基因组共预测到33,693个非冗余的CAZymes,其中99%都是未知的。每种瘤胃纤毛虫均具有独立降解植物结构性碳水化合物、非结构性碳水化合物以及微生物碳水化合物的能力。其中,双毛亚科和头毛亚科的物种基因组编码着与肠道真菌相当的CAZymes基因,且大部分的酶(72-82%)用于植物结构性碳水化合物的降解。分析发现约63%的瘤胃纤毛虫CAZymes通过水平转移获得,其中55%来自细菌和8%来自真菌。纤毛虫水平转移获得的CAZymes与供体间存在明显的结构差异,例如纤毛虫GH5家族的木聚糖酶和GH10家族的纤维素酶均丢失了一个motif。利用毕赤酵母过表达这两个酶发现,纤毛虫的纤维素酶和木聚糖酶的活性分别比其细菌供体高9倍和2倍。这种高活性反映了纤毛虫降解酶应用于生物质转化的巨大潜力。

 
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