反芻動物可利用植物纖維生產(chǎn)肉奶等高營養(yǎng)價值的食品，同時排放溫室氣體甲烷。長期以來，科學(xué)家重點關(guān)注反芻動物瘤胃微生物的菌群組成和功能，而全消化道微生物對飼料利用效率、甲烷生成和宿主健康的功能解析尚未完成。
為此，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位聯(lián)合開展反芻動物全消化道微生物組的結(jié)構(gòu)和功能研究。選取了奶牛、水牛、牦牛、山羊、綿羊、狍子和獐子7種代表性反芻動物，采集了瘤胃、小腸等全消化道10個區(qū)段的食糜樣品共370個樣品。項目首次構(gòu)建了反芻動物全消化道微生物基因集（非冗余基因>154M），同時組裝了超過10,000個非冗余的微生物基因組，且在種水平上鑒定出了8,745個新基因組。這些新基因組極大的拓展了反芻動物全消化道微生物基因組資源，在分類學(xué)上大幅提升了對反芻動物消化道微生物的分辨率。同時，我們對組裝微生物基因組的氫酶分布進行系統(tǒng)解析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反芻動物全消化道約60%微生物基因組編碼氫酶基因，具有代謝氫的能力。這些微生物分布在24個門（主要是Firmicutes和Bacteroidetes），72個目（主要是Bacteroidales和Oscillospirales），304個屬（主要是Prevotella）中。其中，約50%微生物基因組能通過發(fā)酵途徑產(chǎn)生氫分子（主要是Firmicutes），有95個甲烷菌基因組能利用氫生成甲烷，其他消耗氫微生物有352個。該研究首次構(gòu)建了反芻動物氫代謝微生物基因組數(shù)據(jù)庫，證實了全消化道微生物具有廣泛代謝氫的能力，這將為提高飼料利用效率和減少甲烷排放提供科技支撐。
該研究成果以An integrated gene catalog and over 10,000 metagenome-assembled genomes from the gastrointestinal microbiome of ruminants為題發(fā)表在微生物學(xué)權(quán)威期刊Microbiome。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院毛勝勇教授、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院李志鵬教授、西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院邱強教授、亞熱帶生態(tài)所王敏研究員為本論文共同通信作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
反芻動物全消化道微生物基因集和基因組分布
反芻動物全消化道微生物基因組氫酶和還原酶分布