近日，我院羊遗传改良与生物育种团队携手国内外多家科研机构，在绵羊和山羊肠道微生物基因组数据库构建及肠道粘蛋白和多糖代谢功能菌种挖掘方面取得了重要进展。研究成果以“Compendium of 5810 genomes of sheep and goat gut microbiomes provides new insights into the glycan and mucin utilization”为题在微生物学Top期刊《Microbiome》发表。

图1 绵羊和山羊肠道微生物基因集及代谢聚糖和黏蛋白的功能特性

绵羊与山羊作为全球范围内重要的家畜，历经长期自然选择与人工驯化，形成了独特的生理与行为特性，具备强大的生态环境适应能力，分布于世界各地的不同地理与气候条件下，两者展现出卓越的生存适应性。而其进化路径与代谢差异也一直是生物学研究的核心焦点。在驯化过程中形成的生态位差异及环境适应性，使得绵羊和山羊在基因组、行为和代谢适应上呈现明显区别。值得注意的是，动物适应力不仅仅源于宿主基因组，还很大程度上取决于其庞大复杂的微生物组基因库。肠道微生物群作为“第二基因组”，在营养代谢、免疫响应、生理机能和进化过程中扮演着重要角色。深入研究绵羊和山羊肠道微生物群的构成与功能差异，对阐明这两种物种进化过程中的适应性特征至关重要。然而，受限于当前绵羊和山羊特定微生物基因目录的缺乏，研究者在筛选有效功能菌株时面临挑战，亟需建立绵羊和山羊专用的肠道微生物基因组目录。

据此，研究团队在全国范围内的32个羊场收集了来自21个绵羊和山羊品种共计320个肠道样本，分别构建了包含1.6亿和8千万非冗余基因的绵羊和山羊肠道微生物基因集目录SMGC和GMGC，其数据覆盖率高达80%。对比分析发现，山羊和绵羊肠道微生物基因集中共享了4900万个非冗余基因和1138个菌种，研究详细解析了绵羊和山羊后肠微生物在多糖和黏蛋白代谢通路中的功能差异，并揭示了饲养环境对山羊肠道微生物结构和功能的潜在影响。通过Binning组装技术，团队成功构建了拥有5810个中高质量微生物基因组的数据库，其中包括38个菌株级别的基因组和3149个物种级别的基因组，且从中识别出2661个先前未经确认的新型细菌。这一数据库的建立使GTDB基因组数据库的细菌多样性提高了约9.3%。特别值得一提的是，研究在绵羊肠道中鉴别出91个特异性定植的细菌，其基因组富含大量与黏蛋白代谢相关的功能基因和多糖利用位点，有力证明了绵羊特有的微生物群在代谢黏蛋白和多糖方面的强大功能潜力。

该研究创建了迄今为止全球最大的绵羊和山羊肠道微生物基因集目录SMGC和GMGC，通过宏基因组组装技术，成功构建了包含5810个中高质量微生物基因组的数据库，揭示了绵羊肠道内特异性定殖的91种细菌在多糖和黏蛋白代谢方面的潜力，为后续研究共生菌与黏蛋白间的相互作用机制奠定了坚实的基础。

图2 特异定植于绵羊的91个细菌的系统发育树及其多糖利用位点

我院陈玉林教授、中国科学院北京生命科学研究所赵方庆研究员和我校王小龙教授为论文通讯作者。我院博士后张科、信息工程学院博士生何翀、青海省畜牧兽医科学院副研究员王磊、西藏自治区农牧科学院畜牧兽医研究所副研究员索朗达、杨凌职业技术学院郭萌萌博士同列为论文第一作者。四川农业大学副教授郭家中、信息工程学院王美丽教授、广东海洋大学甘尚权教授以及苏黎世大学Daniel Brugger教授等专家对该研究给予了悉心指导和支持。本项研究得到了国家重点研发计划（2022YFD1300203）、西藏自治区科技计划（XZ202101ZD0001N）、国家绒毛用羊产业技术体系（CARS-39）、陕西省科协青年人才托举计划（2023-6-2-1）以及陕西省两链融合“揭榜挂帅”项目（2022GD-TSLD-46）的资金支持。这项研究成果将极大地推动对绵羊和山羊肠道微生物在多糖和黏蛋白代谢功能差异的深入认识，并为进一步定向筛选和体外调控维持肠道屏障稳态的关键功能菌株实现产业化应用奠定基石。

全文链接：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-024-01806-z