互利共生原生动物--瘤胃纤毛虫的适应性进化研究

Rumen ciliates are mutualistic protozoa which inhabit the rumen of ruminant animals. They are not only adapted to survive in the strict anaerobic condition in the rumen, but also perform the function of bioconversion of lignocellulosic feeds into volatile fatty acids to provide energy source for the host animal. However, the genetic basis and molecular mechanism of adaptive evolution of rumen ciliate protozoa remain elusive. Based on our previous results which obtained the sequencing data of the genome and transcriptome of the dominant rumen ciliate Eudiplodinium neglectum by single-cell sequencing, this project will focus on the two key adaptations of rumen ciliates that adapting to the strict anaerobic condition in the rumen to survive and degrading the lignocellulosic feeds into volatile fatty acids to benefit for the host animal, and identify genes which play vital roles in these two key adaptations of rumen ciliate in E. neglectum on the genome-wide using bioinformatics methods and molecular biology experiment. Furthermore, we will also explore the molecular mechanism of adaptive evolution of rumen ciliates by evolutionary analysis. The implementation of this project will not only lead to better understanding of the basic research on the adaptive evolution of the mutualistic protozoa, but also provide important reference to develop feed for animals.

瘤胃纤毛虫是一类生活在反刍动物瘤胃中的原生动物，它既能适应瘤胃严格的厌氧环境，又能将动物饲料中的木质纤维素转化为挥发性脂肪酸为宿主提供能量来源，与反刍动物互利共生。然而，瘤胃纤毛虫适应瘤胃严格厌氧环境和与宿主互利共生的适应性进化的分子基础和机制研究十分匮乏。在我们前期工作获得瘤胃纤毛虫优势物种Eudiplodinium neglectum的单细胞测序的基因组和转录组数据的基础上，本项目拟以E. neglectum为研究对象，通过单细胞二代测序等组学、生物信息学和分子生物学技术方法，重点针对瘤胃纤毛虫参与厌氧能量代谢和降解木质纤维素两个方面，在基因组水平鉴定其适应厌氧环境和与宿主互利共生的分子基础，进而深入探讨其适应性进化的分子机制。项目的实施不仅大大促进互利共生类原生动物的适应性进化理论的研究，而且为挖掘遗传资源、开发反刍动物饲料提供重要资料。

瘤胃纤毛虫是一类生活在反刍动物瘤胃中的原生动物，它既能适应瘤胃严格的厌氧环境，又能将动物饲料中的木质纤维素转化为挥发性脂肪酸为宿主提供能量来源，与反刍动物互利共生。然而，瘤胃纤毛虫适应瘤胃严格厌氧环境和与宿主互利共生的适应性进化的分子基础和机制研究十分匮乏。我们在获得瘤胃纤毛虫2个内毛目和1个前庭目代表种单细胞测序数据的基础上，对瘤胃纤毛虫与宿主互利共生的分子基础和机制进行研究。单细胞测序和重头组装获得3个瘤胃纤毛虫的转录组数据，基于29个纤毛虫的基因组/转录组数据构建100个蛋白编码基因的数据超矩阵进行Phylogenomic分析，结果表明瘤胃纤毛虫属于侧口纲（Litostomatea）毛口亚纲(Trichostomatia)，且内毛目和前庭目形成姐妹支。在内毛目瘤胃纤毛虫中鉴定到产氢酶，而前庭目中未鉴定到产氢酶，三种瘤胃纤毛虫中都存在电子传递链的部分复合体，表明内毛目和前庭目瘤胃纤毛虫分别通过H2产生的线粒体和厌氧线粒体来适应瘤胃严格厌氧环境。碳水化合物活性酶和纤维素酶的鉴定结果表明内毛目和前庭目瘤胃纤毛虫都参与降解纤维素和半纤维素，但不降解木质素，且内毛目瘤胃纤毛虫降解纤维素和半纤维素的能力更强。通过同源搜索和系统发生分析，在三种瘤胃纤毛虫中分别鉴定到794、864和142个从原核生物中水平基因转移（HGT）获得的基因，密码子使用偏好性和polyA分析表明这些HGT的基因是瘤胃纤毛虫的序列，进一步的基因功能富集分析表明这些HGT获得的基因主要是参与厌氧能量代谢和降解木质纤维素的酶类，表明HGT是瘤胃纤毛虫与宿主互利共生的重要机制。该研究揭示了瘤胃纤毛虫适应瘤胃严格厌氧环境和降解木质纤维素与反刍动物互利共生的分子基础和进化机制，同时为挖掘遗传资源、开发反刍动物饲料提供重要资料。