科研 | Microbiome：宿主遗传对牛瘤胃微生物菌群的影响及与饲料转化率相关的可遗传瘤胃微生物特征
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反刍动物在其瘤胃中进化出多种共生微生物菌群，主要包括细菌、古生菌、纤毛原生动物、真菌和病毒。这些瘤胃微生物能降解复杂的植物纤维和多糖，产生挥发性脂肪酸（VFA）、微生物蛋白质和维生素。研究表明，瘤胃微生物菌群的差异与牛的饲养方式及健康状况有关，而且人们普遍认为饮食在肠道微生物菌群的形成中起主要作用。但遗传学证据表明，宿主遗传也是影响肠道微生物菌群组成的一个重要因素。在本文中瘤胃微生物菌群受到宿主品种、性别、和饮食等多种因素的影响，通过评估瘤胃微生物菌群的组成特征与遗传性，利用GWAS证明了可遗传的微生物特征与饲料转化率相关。
论文ID
原名：Host genetics influence the rumen microbiota and heritable rumen microbial features associate with feed efficiency in cattle
译名：宿主遗传对牛瘤胃微生物菌群的影响及与饲料转化率相关的可遗传瘤胃微生物特征
期刊：Microbiome
IF：10.465
发表时间：2019.6
通讯作者：Le Luo Guan
通讯地址：加拿大阿尔伯塔省埃德蒙顿市阿尔伯塔大学农业、食品和营养科学系
实验设计
1 动物实验和瘤胃取样
测定纯种安格斯牛、夏洛来牛和金塞拉复合杂交牛的VFA、干物质摄入量、平均日增重、剩余饲料摄入量和饲料转化率等表型数据。
2 DNA提取、高通量测序和定量PCR分析
利用宏基因组分析三种牛瘤胃细菌、古生菌的组成与丰度，分析瘤胃微生物特征，并构建瘤胃微生物共表达网络。
3 基因型分析
从每只动物的耳组织中提取基因组DNA，对所有试验牛进行基因型鉴定。单核苷酸多态性用于构建动物模型的基因组关系矩阵，评估遗传性。已知染色体位置的单核苷酸多态性被用于GWAS。
4 遗传力估计
获得个体间的添加性遗传关系，估计每个瘤胃微生物特征的遗传力。
5 全基因组关联研究
品种、性别、饮食和年龄等因素与基因型的关联分析，可遗传的微生物特征与饲料转化率特征、VFA之间的相关关系分析。
1 牛的瘤胃微生物菌群
图1 肉牛瘤胃微生物区系组成
在细菌群落中检出15门18纲21目34科59属。在古生菌群落中发现了1门2纲2目2科8属12种。优势菌门为拟杆菌（44.05%）、厚壁菌（36.42%）和拟杆菌（4.61%）。最丰富的古生菌群是格氏美氏杆菌（85.09％）和反刍甲烷杆菌（9.91％），其次是甲烷单胞菌科（3.49％）。在所有的动物中都发现了59个细菌属和12个古生菌种，普雷沃氏菌、未分类的瘤胃球菌科、未分类的梭状芽孢杆菌、未分类的拟杆菌、未分类的毛螺菌科、未分类的s24-7和高氏甲烷杆菌，代表了肉牛的核心瘤胃微生物群。
2 品种、性别和饮食促使瘤胃微生物区系的分离
图2 瘤胃细菌群落(A)和古生菌群落(B)的分离因素(品种、性别、饮食和年龄)
图3 品种、性别、饮食和年龄对瘤胃细菌和古生菌丰富度(a，b)，均匀度(c，d)和丰度(e，f)的影响。
品种、性别和饮食均是瘤胃微生物群总体群落结构分离的驱动因素。瘤胃细菌和古生菌群落的α多样性指数和丰度受品种、性别和饮食的影响，而年龄效应只影响到细菌的丰富性和丰富性。品种效应上，ANG和CHAR的细菌和古生菌图谱均有差异，HYB的细菌和古生菌图谱与两个纯品种的有显着性差异(P<0.05)。CHAR瘤胃微生物群（细菌和古生菌）的变化较少，ANG微生物群具有最高丰度。同时，在三个品种群体中检测到相似水平的细菌丰度，HYB的古生菌丰度高于CHAR和ANG。性别效应上，对α多样性的比较分析表明，公牛瘤胃微生物群的古生菌群落丰富度和均匀度最低，细菌群落丰富度最高。公牛具有最高的古生菌丰度，但细菌丰度最低；阉牛具有最低的古生菌丰度和最高的细菌丰度。
3 宿主添加剂遗传效应对瘤胃微生物群有明显影响
图4 优势瘤胃微生物类群间的关系
在本研究中，遗传力估计值为h2≥0.15的微生物分类特征被认为是可遗传的。结果表明，动物添加性遗传变异影响了不同分类水平的59个（细菌56个，古生菌3个）微生物类群相对丰度。在59个可遗传的细菌类群中，有22个属于厚壁菌门，包括瘤胃球菌、未分类的梭菌、布劳氏杆菌等，但大部分属于拟杆菌门。此外，细菌丰度与古细菌丰度、厚壁菌与拟杆菌以及高氏甲烷杆菌与瘤胃甲烷短杆菌均具有相关性。
4 可遗传微生物类群是瘤胃微生物共生网络的核心成员
图5 瘤胃微生物类群的共表达网络
在细菌群落中观察到共表达网络。在属级的细菌菌群之间有72个显著的联系（52个阳性和20个阴性）。以4个可遗传的细菌菌群为中心观察到由相关细菌类群组成的4个主要模块。四个主要的共表达网络模块分别以未分类的梭菌（b）、琥珀酸弧菌科(c)，红蝽菌科(d)和Christensenellaceae(e)为中心。
5 与寄主饲料转化率性状及VFA相关的可遗传微生物特征
图6 可遗传瘤胃微生物特征与饲料转化率（a）和瘤胃挥发性脂肪酸（b）相关。
相关分析表明，瘤胃微生物特征与宿主饲料转化率性状之间存在显著相关（P<0.05）。大多数可遗传的微生物特征对FCR、ADG和DMI的变异有很大的影响，但与RFI或反式脂肪调节的RFI（RFIf)无关。两组可遗传的微生物特征与FCR、ADG及DMI的相关性最强。可遗传的微生物特征与主要的瘤胃代谢指标（VFAs）相关，特别是与醋酸盐和丙酸盐浓度相关。例如，未分类的梭状芽孢杆菌、未分类的Christensenellae和未分类的莫氏杆菌科与乙酸盐正相关，与丙酸盐浓度负相关，而未分类的琥珀色芽孢杆菌科则乙酸盐负相关，与丙酸盐浓度正相关。
6 GWAS鉴定了瘤胃微生物分类特征的宿主单核苷酸多态性
图7 与瘤胃微生物分类群相关的SNP在门(a)、科(b)和属(c)的水平。
这些单核苷酸多态性与六个细菌属（未分类的BS11、瘤胃球菌、未分类的毛螺菌、YRC22、未分类的莫氏杆菌科和未分类的食物谷菌科）、三个细菌科（BS11、副反珠菌科和食物谷菌科）、一个细菌目（食物谷菌目）、两个细菌纲、两个细菌门的丰富性有关。在属水平上，BS11科及未分类的BS11与BTA10上的SNP:rs110670001关联的最为显著。另外，位于BTA13上28.10~28.18mbp的区域的四个相邻单核苷酸多态性（rs110410597、rs41604961、rs109122489和rs110469969）倾向于与螺旋体门和螺旋体类相关。此外，两个属级分类群（未分类的毛螺菌科和瘤胃球菌）倾向于与一个单核苷酸多态性（Bta13上的rs109961459；p=2.61e-06，fdr=0.11）和四个单核苷酸多态性（Bta1上的rs43235157，rs110461771）相关。5个单核苷酸多态性与饲料转化率性状有关。具体来说，snp:rs43235157（与瘤胃球菌相关）影响DMI，snp:rs110461771（与瘤胃球菌相关）影响FCR，snp:rs41257422（与YRC22相关）影响RFIf，snp:rs41911152（与未分类的食物谷菌科相关）对DMI有影响，snp:rs110448978（与未分类莫氏杆菌科有关）与ADG（p=2.06e−02）、DMI（p=4.23e−02）和FCR（p=0.08）有关。
本研究探究了瘤胃微生物菌群的影响因素，评估了瘤胃微生物分类特征的遗传性，确定了品种、性别和饮食影响动物瘤胃微生物菌群的影响。遗传性评估和GWAS研究结果表明，肉牛瘤胃微生物的定植可能受到宿主添加性遗传效应和基因型的影响。此外，可遗传的瘤胃微生物特征与宿主饲料转化率和瘤胃VFAs相关，并且存在与瘤胃微生物群和饲料转化率相关的单核苷酸多态性。因此，牛的遗传表达情况可能影响到瘤胃微生物菌群特征，进而关系到其瘤胃发酵和饲转化效率。借助遗传选择和育种手段，有可能操纵这些可遗传的微生物分类特征，达到优化瘤胃发酵和进一步提高饲料转化率的目的。
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