瘤胃细菌对日粮碳水化合物适应力差异的进化机制

Rumen microbes and their hosts have coevolved about 40 million years, forming an efficient bioconversion system for fiber resources. Studying the valuable genetic resources of rumen microbes and their degradation mechanisms will help to improve feed degradation rate and animal production efficiency, and provide reference for biofuel industry. This project is intended to combine rumen in situ culture and metagenomic binning assembly techniques, to construct high-quality genome set and gene set for ruminal feed-particle attached bacteria in dairy cows. Comparing the temporal and spatial diversity of the species and functional genes in the attached flora between high starch ingredients and high fiber ingredients; and by combining the nutrient compositions and changes of ingredients, to reveal the law of collaborative or dynamic degradation of bacteria in different nutrient niches. From the perspective of comparative genomics, to reveal the evolutionary mechanisms of rumen bacteria adapting to certain carbohydrate resources and gaining competitive advantages in similar nutrient niches. This study will screen out the key functional genes and variations related to microbial dietary adaptation, and provide theoretical bases for the directional regulation of rumen microflora and reveal its response mechanism to dietary carbohydrates.

瘤胃微生物及其宿主已协同进化约4千万年，形成了高效的纤维资源生物转化系统。研究瘤胃微生物宝贵的基因遗传资源及其高效的碳水化合物降解机制，有助于改善饲料降解率和动物生产效率，还可为生物燃料等行业提供参考。本项目拟结合瘤胃原位降解和宏基因组Binning组装技术，构建奶牛瘤胃日粮颗粒附着细菌的高质量基因组集和基因集。比较高淀粉原料和高纤维原料附着菌群的物种和功能基因的时空多样性变化；并结合原料的养分组成和降解变化，揭示不同营养生态位的细菌间协同或演替的日粮降解规律。从比较基因组学的角度揭示瘤胃细菌适应某类碳水化合物资源并在同类竞争中取得优势的进化机制。本研究可筛选出微生物对日粮适应相关的关键基因和变异，为瘤胃微生物区系的定向调控和揭示其对日粮碳水化合物的响应机制提供理论依据。

瘤胃微生物与其宿主已协同进化约四千万年，形成了高效利用植物纤维资源的发酵系统。研究瘤胃微生物丰富的基因遗传资源及其碳水化合物降解机制，有助于提高动物饲料降解率，还可为生物燃料等行业提供参考。本项目利用宏基因组分箱技术和单细胞全基因组技术分别构建了瘤胃两大类群-细菌（n=6116）和纤毛虫（n=52）的高质量基因组目录。基于细菌的基因组目录发现，瘤胃固相和液相微生物区系之间存在明显的差异，而且固相微生物区系比液相微生物区系结构更收敛、物种多样性和丰度均匀性更高。Firmicutes_A、Fibrobacterota、Spirochaetota和Archaea更倾向于在固相中定植，而Bacteroidetes和Cyanobacteria在液相中的丰度更高。基于Y-A-S框架进一步将细菌的生活史特性划分为4类：繁殖生长、环境适应、营养利用和营养获取。根据此框架发现不同细菌适应不同空间生态位和碳水化合物资源具有不同的生活史策略，比如Spirochaetota具有最高的粘附和移动特性，为其率先占据固相资源提供了保证；Fibrobacterota具有最高的多糖降解酶数量和种类，可独立降解植物细胞壁。Firmicutes_A和Bacteroidetes具有的纤维小体和多糖利用位点为其资源获取提供了竞争优势，从而助力其种类繁盛和丰度优势。基于纤毛虫的基因组目录首次厘清了纤毛虫系统发育关系和分类学框架，鉴定出1个新的科、2个新的属、2个新的种和9个同义物种。比较基因组分析表明大量的水平基因转移和基因家族扩张为瘤胃纤毛虫物种提供了广谱的碳水化合物活性酶(CAZymes)，使其能独立降解主要种类的植物和微生物碳水化合物。特别是双毛亚科和头毛亚科物种的基因组编码的CAZymes与肠道真菌一样多，约80%的CAZymes用于植物细胞壁降解。体外表达实验验证了纤毛虫水平转移的纤维素酶和木聚糖酶具有活性，而且它们的活性比推测的相应细菌供体的酶活性高2-9倍。此外构建的基因组目录极大地促进了瘤胃宏基因组数据的解读，为后续解析瘤胃微生物对牛羊生产性能的影响提供了有力的数据和技术支撑。