2022-08-23 16:18:15
瘤胃纖毛蟲的顯微圖像。（西北農(nóng)林科技大學 供圖）
8月19日，西北農(nóng)林科技大學姜雨團隊、北京畜牧獸醫(yī)研究所姚斌院士團隊和美國俄亥俄州立大學于忠堂教授在《國際微生物生態(tài)學會會刊》（ISME Journal）雜志上發(fā)表了一篇題為《基因組角度揭示瘤胃纖毛蟲的系統(tǒng)發(fā)育和生物質降解酶》 的文章。該項目團隊公布了世界上首個反芻動物瘤胃原蟲的基因組目錄，厘清了其系統(tǒng)發(fā)育關系和分類學框架，鑒定出1個新的科，2個新的屬和2個新的種。同時鑒定到3萬多個新型的碳水化合物活性酶（CAZyme），發(fā)現(xiàn)其對植物細胞壁的降解能力可比肩腸道真菌。
牛羊等反芻動物可以將人類不可食用的植物秸稈等資源轉化為人類可食用的高質量的肉和奶，緩解了人畜爭糧的問題。這一功能歸因于反芻動物強大的瘤胃微生物發(fā)酵系統(tǒng)。瘤胃原蟲是人類最早(1843年)發(fā)現(xiàn)的一類瘤胃微生物，其可占據(jù)瘤胃微生物生物量的50%，且在微生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色。但由于其不能純培養(yǎng)，其代謝功能一直是個未解之謎。瘤胃原蟲可捕食細菌且與甲烷菌具有共生關系，科學家們傾向于認為原蟲對飼料降解和環(huán)境保護是不利的，并進行了近百年的驅除試驗。該團隊成員之前的研究發(fā)現(xiàn)，驅除原蟲僅短期會降低瘤胃甲烷產(chǎn)量，長期反而提高了甲烷產(chǎn)量，而且驅除原蟲后瘤胃植物纖維的降解率會降低。這種有悖于傳統(tǒng)認知現(xiàn)象，驅動了團隊進一步的機理探究。
通過創(chuàng)建整套纖毛蟲單細胞全基因組測序的組裝和識別流程，共獲得了奶牛、肉牛和奶山羊瘤胃中22個形態(tài)種的52個高質量基因組。其中Oph. caudatus 基因組中染色體的數(shù)量估計至少有43,286條，是目前自然界中發(fā)現(xiàn)的染色體數(shù)量最高的物種。另外纖毛蟲的片段化（一條染色體僅編碼一個基因）和非片段化基因組首次在同一個綱中被發(fā)現(xiàn)。利用這些基因組厘清了瘤胃纖毛蟲的分類學和系統(tǒng)發(fā)育框架，將22個形態(tài)種修改為19個物種和13個屬。其中1個新的科、2個新的屬、9個同義物種和2個隱形物種被發(fā)現(xiàn)。對901個已發(fā)表的瘤胃宏基因組數(shù)據(jù)用本基因組集重新分析發(fā)現(xiàn)，纖毛蟲的reads在宏基因組中可高達72%，極大地促進了宏基因組數(shù)據(jù)中暗物質的解析。
在52個纖毛蟲基因組共預測到33,693個非冗余的CAZymes，其中99%都是未知的。每種瘤胃纖毛蟲均具有獨立降解植物結構性碳水化合物、非結構性碳水化合物以及微生物碳水化合物的能力。其中，雙毛亞科和頭毛亞科的物種基因組編碼著與腸道真菌相當?shù)腃AZymes基因，且大部分的酶(72-82%)用于植物結構性碳水化合物的降解。分析發(fā)現(xiàn)約63%的瘤胃纖毛蟲CAZymes通過水平轉移獲得，其中55%來自細菌和8%來自真菌。纖毛蟲水平轉移獲得的CAZymes與供體間存在明顯的結構差異，例如纖毛蟲GH5家族的木聚糖酶和GH10家族的纖維素酶均丟失了一個motif。利用畢赤酵母過表達這兩個酶發(fā)現(xiàn)，纖毛蟲的纖維素酶和木聚糖酶的活性分別比其細菌供體高9倍和2倍。這種高活性反映了纖毛蟲降解酶應用于生物質轉化的巨大潛力。
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