2016-10-08
在人和动物肠道内定植着庞大的微生物群，这些微生物统称为肠道菌群。肠道菌群在与其宿主长期的共生共代谢过程中不断进化，可以消化各种植物多糖以及其他营养物质，是一个巨大而复杂的生态系统。鹅作为家禽中的重要一员，除了为人类提供肉、蛋、羽毛等畜产品外，自身也有很多独特的生理特征，如极强的肝脏脂肪沉积能力，以及作为水禽它能够消化植物纤维的能力等。然而，迄今为止，关于这些特性研究的较少，其分子机制还不十分清楚。
首先，该研究采用Illumina MiSeq和HiSeq高通量测序技术 ，对四川白鹅进行全基因组从头测序，得到高质量的鹅基因组序列图谱，拼接得到的基因组大小为1.10 Gb，基因组完整度为91.83%。在获得高质量的基因组图谱后，采用从头预测、近源物种蛋白同源预测结合转录组数据的方法预测得到16,288个蛋白编码基因，其中，83.13%的蛋白序列能注释到NR、KEGG、KOG或GO数据库中。鹅基因组中重复序列的比例为6.9%。对鹅的进化分析显示，鹅和其祖先鸿雁在距今3.4~6.3 Mya发生分歧。在距今35~4.5万年，鹅和鸿雁的有效种群数量稳步增长；在距今4.5~2.5万年，鹅和其祖先鸿雁均遭遇了遗传瓶颈事件；随后，鹅的有效种群数量维持平衡，而鸿雁的有效种群数量则快速增加。
对鹅、鸡、鸭和斑胸草雀四个物种基因组进行基因家族分析，发现鹅基因组中有197个基因发生扩张，1,849个基因发生收缩。结合dN/dS分析结果显示，在鹅中发生基因家族扩张或快速进化的基因主要富集在能量代谢、碳水化合物和脂肪代谢、核苷酸和氨基酸代谢以及次级代谢物代谢。这一结果印证了鹅对环境的高度适应性。
其次，研究对鹅和鸡的肠道菌群进行宏基因组测序和比较分析 。结果显示，这两种动物共享了超过2000个物种（OTU水平），各自独有的微生物物种数约350个。然而，两者的整体组成差异明显：虽然两者在门水平都以厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobacteria）为优势类群，但在属水平，鹅肠道中富集了乳杆菌属（Lactobacillus）、链球菌属（Streptococcus）、乳球菌属（Lactococcus）、梭菌属（Clostridium）、消化球菌属（Peptococcus）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）等属，这些厌氧微生物普遍可以利用食物中的蛋白和糖类，发酵产生乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸。同时，两者肠道菌群的多样性也具有一定差异，鹅肠道菌群的丰富度较低（P<0.01），但两者的整体多样性差异不明显。
在此基础上，研究对鹅基因组和肠道菌群宏基因组进行了功能整合分析 。分析发现，相比于鸡，鹅基因组属于扩张和快速进化的基因家族中，聚糖降解相关的代谢通路均得到了显著的富集。由于植物纤维的主要成分就是多聚糖，这些代谢通路的富集反映了鹅自身对于消化高纤维食物的适应性。虽然这些与糖代谢相关的扩张和快速进化的基因家族并未在鹅肠道宏基因组中富集，但鹅肠道中却富集了消化纤维素相关的糖酵解/糖异生途径，从而帮助鹅将复杂的纤维素多糖降解为丙酮酸，并顺利进入三羧酸（Tricarboxylic acid，TCA）循环。因此，整合分析不仅发现了鹅食草性相关的代谢网络，还揭示了鹅自身基因组与其肠道宏基因组之间的互作、互补。
该研究是重庆市畜牧科学院王启贵研究员课题组和上海交通大学孟和教授课题组合作完成。文章于2016年9月9日在线发表在《Scientific Reports》。该研究高通量测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
原文索引：
Guangliang Gao, Xianzhi Zhao, Qin Li, Chuan He, Wenjing Zhao, Shuyun Liu, Jinmei Ding, Weixing Ye, Jun Wang, Ye Chen, Haiwei Wang, Jing Li, Yi Luo, Jian Su, Yong Huang, Zuohua Liu, Ronghua Dai, Yixiang Shi, He Meng & Qigui Wang Genome and metagenome analyses reveal adaptive evolution of the host and interaction with the gut microbiota in the goose.Scientific Reports 6, 32961.doi:10.1038/srep32961（2016）.
