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瘤胃纖毛蟲種內(nèi)和種間的全基因組相似度

8月19日，西北農(nóng)林科技大學(xué)姜雨團(tuán)隊、北京畜牧獸醫(yī)研究所姚斌院士團(tuán)隊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)會會刊》雜志上發(fā)表《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》文章。該項目團(tuán)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(guān)系和分類學(xué)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，發(fā)現(xiàn)其對植物細(xì)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(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。該團(tuán)隊成員之前的研究發(fā)現(xiàn)，驅(qū)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(qū)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(rèn)知現(xiàn)象，驅(qū)動了團(tuán)隊進(jìn)一步的機(jī)理探究。

團(tuán)隊通過創(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(zhì)量基因組。其中Oph. caudatus 基因組中染色體的數(shù)量估計至少有43286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(xué)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(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。

團(tuán)隊在52個纖毛蟲基因組共預(yù)測到33693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(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motif。利用畢赤酵母過表達(dá)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(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。