基于宏转录组学解析紧密附着粗纤维瘤胃微生物菌群的生物学特性及其黏附机制

The adhesion of microorganisms to plant fiber is the most important to the degradation of plant fiber in the rumen. And thus the adhesion mechanism of those microorganisms should be studied to further understand the fiber degradation in the rumen and to improve the utilization of plant fiber in ruminants. On the basis of previous studies, the core microorganisms that tightly attached to plant fiber will be investigated and their characteristics will be studies with animal experiments and metatranscriptomics firstly. And then the metabolic function and the diversity of fiber degrading genes will be explored. The cellulosomics of tightly attached microorganisms were then analyzed, especially the cohensins and their adhesion to substrates. Based on those studies, the characteristics on fiber adhesion of typical strains , especially their cellulosomics and cohensins will be studied in detailed. The changes of other genes in the strains when they attach to plant fiber will be investigated to obtain the differentially expressed genes, which might be related to the adhesion to plant fiber, excretion of plant fiber degrading enzymes, metabolism of carbohydrates etc. The results could give us insight into the mechanism of adhesion to plant fiber of tightly attached microorganisms in the rumen to improve the feed efficiency of plant fiber in ruminants.

瘤胃微生物对粗纤维的紧密附着是瘤胃粗饲料降解的必要步骤，解析瘤胃微生物对粗纤维的紧密附着机制，对深入了解瘤胃内粗饲料的降解机理及提高粗饲料利用率意义重大。申请人拟在前期研究的基础上，首先通过瘘管动物实验，利用宏转录组学技术，解析粗纤维上紧密附着瘤胃微生物核心菌群组成，研究紧密附着核心微生物菌群代谢功能及纤维降解基因多态性，研究紧密附着微生物核心菌群纤维小体及黏附蛋白多态性与底物黏附特性。在此基础上，采用体外培养技术，研究紧密附着粗纤维典型菌株的纤维小体表达及表面黏附蛋白多态性与功能，研究典型菌株在粗纤维黏附过程中其他功能基因表达的变化情况，分析差异表达基因与粗纤维黏附、纤维降解酶分泌、碳水化合物代谢等的相关性，探究其纤维黏附过程中功能基因改变的可能机制。研究结果可阐明紧密附着微生物黏附与降解粗纤维机理，促进粗纤维饲料在反刍动物中的高效利用。

申请人前期研究发现，粗纤维上紧密附着的微生物及其功能是其降解与代谢的关键，本项目中，申请人在前期研究基础上，进一步利用宏转录组学技术解析粗纤维上紧密附着微生物的生物学特性，特别是其粗纤维降解特性，同时深入研究这些紧密附着微生物对粗纤维的黏附机制。项目研究结果显示，粗纤维降解过程中紧密附着微生物存在一个核心菌群，该核心菌群包括10多个属的微生物。核心菌群所分泌的核心纤维降解酶谱包括GH3、GT2、CE1及CBM6等。核心菌群主要依赖CBM37、CBM6及CBM50等对粗纤维底物进行黏附。紧密附着核心微生物菌群的结构和功能在粗纤维降解过程中会发生显著变化，这一改变与粗纤维降解前后期结构性碳水化合物组成不同有关。粗纤维降解后期紧密附着微生物菌群特征主要表现为丁酸弧菌和纤维杆菌的显著升高和普雷沃氏菌等的显著降低，功能上的差异主要表现为部分糖苷水解酶、糖苷转移酶和酯酶基因表达的显著上调。典型菌株粗纤维黏附机制研究结果显示，厌氧真菌主要依靠纤维小体的表达对粗纤维进行降解。其对底物的降解效果具有典型的底物诱导特性，结构复杂底物条件下，其主要纤维降解酶为GH6、CE1、GH3等，主要结合模块为CBM1、CBM2、CBM6、CBM26等。CE1酶的表达与功能研究结果显示，该酶能显著提高半纤维素酶对底物的降解能力。厌氧真菌对底物黏附能力的提高可以显著提高粗纤维到单糖降解过程中主要纤维素酶的表达，促进微生物对粗纤维的降解，同时提高微生物对单糖的吸收转运与代谢能力。综上，项目完成了计划书中的研究内容，在体内试验阐述紧密附着微生物对粗纤维的黏附与降解规律基础上，利用典型菌株进行了粗纤维的黏附与机制研究，并探讨了菌株对粗纤维的黏附对微生物其他功能基因的影响。项目获得了1个高效降解粗纤维的阿魏酸酯酶，该酶在提高粗纤维降解、开发秸秆等粗饲料资源方面具有潜在的应用价值。