科研進(jìn)展
西北高原所在高原有蹄類(lèi)動(dòng)物腸道微生物遺傳演化方面取得新突破
有蹄類(lèi)動(dòng)物體內腸道微生物通過(guò)發(fā)酵將植物中的纖維素和半纖維素等復雜多糖降解為短鏈脂肪酸（SCFAs）等物質(zhì)，作為有蹄類(lèi)動(dòng)物主要的能量來(lái)源。與平原近緣種相比，高原物種需要更多的能量來(lái)適應高原低氧和低溫的極端氣候。已有研究指出高原有蹄類(lèi)動(dòng)物如藏羚、藏野驢和野牦牛相對于其平原近緣種，其腸道微生物具有較高的SCFAs合成效率，但這種高SCFAs合成效率表型背后的遺傳特征尚不明確。
中國科學(xué)院西北高原生物研究所動(dòng)物生態(tài)與資源保護研究團隊以中國境內奇蹄目（Perissodactyla）和鯨偶蹄目（Cetartiodactyla）17個(gè)常見(jiàn)有蹄類(lèi)物種為研究對象，通過(guò)大規模宏基因組測序和組裝、分箱和注釋?zhuān)@得131，416個(gè)宏基因組組裝基因組（MAGs），其中包含22，998個(gè)高質(zhì)量MAGs和11，175個(gè)菌種水平基因組（SGBs），成功構建了中國典型有蹄類(lèi)物種的腸道微生物宏基因組圖譜，其中60％左右的SGBs為本研究首次報道。
研究進(jìn)一步揭示出，高原有蹄類(lèi)腸道微生物中碳水化合物活性酶（CAZYmes）的相對豐度顯著(zhù)高于其平原近緣種。通過(guò)比較基因組學(xué)分析，發(fā)現以擬桿菌屬（Cryptobacteroides）為代表的高原有蹄類(lèi)核心菌群中，攜帶編碼CAZYmes的插入性結構變異更加豐富。這種結構變異是高原有蹄類(lèi)腸道微生物中CAZYmes高豐度表型的關(guān)鍵因素之一。研究首次發(fā)現，高原有蹄類(lèi)腸道菌群中擁有一部分經(jīng)獨立演化和快速物種暴發(fā)形成的特殊菌譜，這些菌種與宿主之間不存在協(xié)同演化（co－evolution）和共物種形成（co－speciation）的關(guān)系。進(jìn)一步分析顯示，這些菌種的基因組中攜帶有更多編碼CAZYmes的基因，這是高原物種腸道微生物中高豐度CAZYmes的另一個(gè)主要原因。深入分析發(fā)現，這部分菌群擁有更多與短鏈脂肪酸（SCFAs）相關(guān)的初級代謝基因簇。在這些基因簇中，負責復雜多糖降解的上游CAZYmes與下游負責甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等SCFAs／VFAs合成的關(guān)鍵酶形成了“連鎖”關(guān)系。
本研究揭示了高原有蹄類(lèi)動(dòng)物腸道微生物高能量代謝背后的遺傳特征，為有蹄類(lèi)動(dòng)物腸道微生物研究提供了基因組資源，同時(shí)為理解腸道微生物功能和遺傳演化及其與宿主之間相互作用及共同適應環(huán)境提供了新視角。
相關(guān)研究結果以?Large－scale metagenomic assembly provide new insights into the genetic evolution of gut microbiomes in plateau ungulates?為題于11月6日在Nature旗下國際著(zhù)名期刊?npj Biofilms and Microbiomes（中國科學(xué)院一區Top）在線(xiàn)發(fā)表。西北高原所博士研究生徐波和和特別研究助理宋鵬飛為共同第一作者，張同作研究員為通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金區域聯(lián)合基金（U20A2012）、青海省自然科學(xué)基金團隊項目（2023－ZJ－901T）和中國博士后面上基金（2023M743743）的資助。作者特別感謝中國科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所施鵬研究員和云南大學(xué)張志剛研究員的大力支持和幫助。
論文鏈接：https：／／www．nature．com／articles／s41522－024－00597－3
研究涉及的17種有蹄類(lèi)動(dòng)物腸道微生物樣本分布圖
中國17種有蹄類(lèi)動(dòng)物腸道微生物宏基因組草圖
