文献速递 | 宏基因组学在动物肠道微生物研究中的应用

肠道微生物的变化与动物机体的健康密切相关，肠道微生物可调控动物体内能量代谢、异源物质代谢，修复细胞和提高机体免疫机能。目前，已发表的动物肠道菌群相关研究已达数百篇，主要为家养动物、其次是模式动物，野生动物的研究最少。

1 .大熊猫肠道菌群独特的蛋白质代谢特征助力其竹食适应

摘 要

大熊猫（Ailuropoda melanoleuca）是全球野生动物保护的旗舰物种，研究人员认为其肠道微生物群参与了大熊猫食性转换的适应过程（由吃肉转变为吃竹子）。然而，其肠道微生物的具体作用在很大程度上仍不为人所知。该研究中，首次全面分析了大熊猫肠道的宏基因组（n=322），通过深度二代和三代测序数据，构建了较为完整的大熊猫肠道微生物基因组（MAGs），其中148个（36.27%）接近完整；利用宏基因组和宏转录组测序技术，将大熊猫肠道微生物与食肉动物、食草动物和杂食动物的消化道微生物进行比较，发现大熊猫体内涉及碳水化合物代谢的基因含量较低，但涉及蛋白质代谢的基因含量更高，表达量更大，明显区分于食草动物；进一步分析发现非解乳糖链球菌（Streptococcus alactolyticus）可能是大熊猫肠道微生物氨基酸代谢的关键微生物。

2 .猕猴肠道宏基因组中新微生物基因组的组装

摘 要

猕猴（Macaca mulatta）作为一种重要的模式动物，通常患有慢性腹泻病，使得饲养猕猴充满挑战性。肠道微生物组在维持猕猴肠道健康方面发挥着关键作用。然而，目前还不清楚肠道微生物组具体如何影响猕猴的肠道健康。在这项研究中，基于慢性腹泻猕猴和健康猕猴的粪便宏基因组数据对微生物基因组进行了组装，获得了731个MAGs，其完整性至少达到80%。与25万多个参考基因组相比，97%以上的MAGs是新基因组。来自猕猴肠道的弯曲杆菌科和螺旋杆菌科的MAGs主要携带鞭毛相关毒力基因和趋化相关毒力基因，这些基因可能介导细菌的运动和粘附。与来自人类肠道中的弯曲杆菌的MAGs相比有显著差异。本研究中超过92%的MAGs是之前在其他22种非人灵长类（NHPs）中报道的2,985个MAGs所不包含的，这扩大了非人灵长类肠道微生物的多样性。肠道微生物组的分布和功能受到NHP宿主系统发育的显著影响。该研究结果有助于更清楚地了解猕猴肠道微生物组的多样性和功能。

3 .宏基因组组装的基因组目录揭示了马肠道耐药基因特征和运动能力相关的微生物

摘 要

马是一种对人类至关重要的驯化物种，作为运动、休闲、食品生产和运输工具的来源在世界范围内被饲养。该文章利用来自242匹马的肠道样本的约2.2 Tb宏基因组测序数据，包括来自盲肠的110个样本和来自直肠（粪便）的132个样本，组装了4142个微生物的宏基因组组装基因组（MAG），其中4015个（96.93%）似乎对应新物种。从长读数数据中，成功组装了13个代表新物种的环状全染色体细菌基因组。MAG包含超过313,568种预测的碳水化合物活性酶（CAZy），其中超过59.77%在CAZy公共数据库中具有低相似性匹配。MAG抗生素耐药性基因（ARG）的丰度和多样性都很高，表明抗生素在马匹管理中的广泛使用。赛马中至少36种MAG（例如属于Lachnospiraceae，Oscillospiraceae和Ruminococcus的MAG）的丰度高于非赛马。这些赛马中富含的MAG含有通过纤维发酵生产乙酸盐和丁酸盐的主要途径中的每个基因，因此有可能产生更多的短链脂肪酸，为运动提供燃料。该研究中的数据集代表了马肠道微生物组的详尽微生物基因组目录，并为发现运动能力相关的微生物和研究马肠道微生物组提供了宝贵的资源。

本期文献速递分享了宏基因组测序技术在三种不同的动物肠道研究中的应用。通过宏基因组测序技术：1）揭示了大熊猫由食肉动物转变为食草动物这一过程与其肠道微生物的关系；2）组装了患有慢性腹泻病的猕猴肠道中的微生物基因组，鉴定出了与健康猕猴肠道中不同的新微生物；3）发现了马肠道耐药基因特征和运动能力相关的微生物。这些文章的研究方向各有不同，但都离不开宏基因组测序的技术或数据，由此可见宏基因组测序在动物肠道微生物研究中的应用十分广泛。