2022-08-24 15:36:54
8月19日，西北農(nóng)林科技大學(xué)姜雨團(tuán)隊(duì)、北京畜牧獸醫(yī)研究所姚斌院士團(tuán)隊(duì)和美國俄亥俄州立大學(xué)于忠堂教授在《國際微生物生態(tài)學(xué)會(huì)會(huì)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(zhì)降解酶》的文章。該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)公布了世界上首個(gè)反芻動(dòng)物瘤胃原蟲的基因組目錄，厘清了其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系和分類學(xué)框架，鑒定出1個(gè)新的科，2個(gè)新的屬和2個(gè)新的種。同時(shí)鑒定到3萬多個(gè)新型的碳水化合物活性酶（CAZyme），發(fā)現(xiàn)其對(duì)植物細(xì)胞壁的降解能力可比肩腸道真菌。
牛羊等反芻動(dòng)物可以將人類不可食用的植物秸稈等資源轉(zhuǎn)化人類可食用的高質(zhì)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(dòng)物強(qiáng)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(gè)未解之謎。瘤胃原蟲可捕食細(xì)菌且與甲烷菌具有共生關(guān)系，科學(xué)家們傾向于認(rèn)為原蟲對(duì)飼料降解和環(huán)境保護(hù)是不利的，并進(jìn)行了近百年的驅(qū)除試驗(yàn)。該團(tuán)隊(duì)成員之前的研究發(fā)現(xiàn)，驅(qū)除原蟲僅短期會(huì)降低瘤胃甲烷產(chǎn)量，長期反而提高了甲烷產(chǎn)量，而且驅(qū)除原蟲后瘤胃植物纖維的降解率會(huì)降低。這種有悖于傳統(tǒng)認(rèn)知現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)了團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步的機(jī)理探究。
圖1瘤胃纖毛蟲的系統(tǒng)分類學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育學(xué)結(jié)果
通過創(chuàng)建整套纖毛蟲單細(xì)胞全基因組測序的組裝和識(shí)別流程，共獲得了奶牛、肉牛和奶山羊瘤胃中22個(gè)形態(tài)種的52個(gè)高質(zhì)量基因組。其中Oph. caudatus基因組中染色體的數(shù)量估計(jì)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(gè)基因）和非片段化基因組首次在同一個(gè)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(xué)和系統(tǒng)發(fā)育框架，將22個(gè)形態(tài)種修改為19個(gè)物種和13個(gè)屬。其中1個(gè)新的科、2個(gè)新的屬、9個(gè)同義物種和2個(gè)隱形物種被發(fā)現(xiàn)。對(duì)901個(gè)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(dá)72%，極大地促進(jìn)了宏基因組數(shù)據(jù)中暗物質(zhì)的解析。
圖2 瘤胃纖毛蟲的碳水化合物活性酶特征
在52個(gè)纖毛蟲基因組共預(yù)測到33,693個(gè)非冗余的CAZymes，其中99%都是未知的。每種瘤胃纖毛蟲均具有獨(dú)立降解植物結(jié)構(gòu)性碳水化合物、非結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)腃AZymes基因，且大部分的酶(72-82%)用于植物結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移獲得，其中55%來自細(xì)菌和8%來自真菌。纖毛蟲水平轉(zhuǎn)移獲得的CAZymes與供體間存在明顯的結(jié)構(gòu)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(gè)motif。利用畢赤酵母過表達(dá)這兩個(gè)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(xì)菌供體高9倍和2倍。這種高活性反映了纖毛蟲降解酶應(yīng)用于生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的巨大潛力。
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