多组学整合分析肠道菌群影响猪生长速度的机理

Growth rate is one of the most important economic traits of pigs. Increasing growth rate will contribute to the economic benefits of pig industry. Many factors can affect the growth rate, including genetics, nutrition, environment and health status of pig population. Gut microbiome may have important effects on pig growth rate. In this project, we will use Duroc as the experimental material. First, we will initially isolate the gut microbiota that are significantly associated with growth rate in 550 experimental pigs by 16S rRNA sequencing. After that, total 20 individuals that showed extreme difference in growth rate and structure of gut microbiota will be chosen to perform the metagenomic sequencing and metabolomic sequencing. An association study is used to identify bacterial strain and metagenomic markers related to growth rate. In order to find functional strains that have a major effect on growth rate, a validation experiment in germ-free mice will be carried out after an isolated culture of bacterial strain. Then, we will systematically evaluate the relationship among gut microbiota, metabolites and growth rate. And the molecular mechanisms about effects of gut microbiota in growth rate of pigs will be illustrated by integrating gut microbiota, metagenomic and metabolomic analysis. This project will provide theoretical basis on improving the growth rate of pigs through artificially modulating the gut microbiota, and also lay the foundation for that gut microbes will be made animal micro-ecological agent in pig production in the future.

生长速度是家猪最重要的经济性状之一，提高生长速度可以直接增加养猪业的经济效益。生长速度受遗传、营养、环境条件和猪群健康状况等很多因素影响，其中宿主肠道菌群通过参与物质代谢及免疫系统发育而对其生长产生影响。本研究将利用纯种杜洛克为研究材料，首先对550个个体进行16S rRNA测序，初步分离与平均日增重（ADG）相关的肠道微生物。在此基础上选择生长速度和肠道菌群都差异极端的个体20头进行宏基因组测序和代谢组测序，鉴别与生长速度紧密相关的微生物菌株和宏基因标记，并将菌株分离培养，进行无菌小鼠验证实验，筛选出影响宿主生长速度的功能菌株，并综合分析肠道微生物、代谢组、生长速度之间的关系。整合肠道微生物、宏基因组和代谢组学的结果阐明肠道微生物影响猪生长速度的分子机制，为通过肠道微生物调控猪生长速度提供理论参考，也为未来将肠道微生物制成微生物菌剂投入到养猪生产中奠定基础。

中国是世界第一养猪大国，猪肉产量占世界一半以上。在养猪生产中提高猪的生长速度仍是当下猪育种工作中重要目标。越来越多的研究表明肠道微生物是影响猪生长速度的重要因素之一。本研究测定了3个群体共723头纯种杜洛克的生长速度，采食量和背膘厚等性状，并采集所有猪只粪便样品提取了微生物DNA进行16S rRNA基因测序。课题组利用LC-MS仪器测定了160头猪粪便中短链脂肪酸含量，选取了53头血清样品进行了非靶向代谢组学实验。利用16S rRNA测序数据，我们采用2-part model发现了22个与生长速度关联的微生物。生长速度快的个体中有更多普氏菌的富集，特别是Prevotella Copri。接着我们挑选表型极端个体进行宏基因组测序，再次发现Prevotella Copri是效应最大的微生物。课题组采集新鲜的粪便样品分离出一株Prevotella Copri菌株，且对这个菌株进行了三代测序，组装出完整的基因组。我们将16S rNRA基因测序分析发现的与生长速度有关的8株普氏菌序列和培养获得普氏菌序列一起进行比对和构建进化树，发现培养获得的菌株应该与之前分析得到的Otu3865是同一个菌株（比对率99%）。课题组用培养获得的菌株进行无菌小鼠饲喂实验，饲喂三周后发现生长速度明显提高。此外，课题组利用16S rRNA基因测序数据，建立了利用生长速度相关的微生物标记物预测猪生长速度的方法，预测的准确率可达到99.99%。另外课题组还分析了肠道菌群对饲料利用率和采食量的影响，发现普氏菌可以提高猪的食欲但会降低饲料利用率。肠道宏基因组功能分析发现，氨基酸合成与代谢的基因及相关的代谢物与猪的饲料利用率显著关联。课题相关研究结果为通过肠道微生物调控猪生长速度，食欲及饲料利用率提供了理论参考，也为未来开发相关微生物生态制剂奠定基础。