最新研究!江西农大阐明宿主基因影响肠道菌群组成
——对提升畜禽饲料转化率及促进生长意义重大

越来越多的科学研究表明,宿主遗传信息关联着肠道微生物,而肠道微生物的改变也关联宿主表型,免疫及疾病治疗。所以,当前普遍的研究共识是,宿主与微生物的相互作用是驱动机体进化的重要因素。

虽然这些共识说得轻巧,但这其中,宿主的遗传变异是否影响以及如何影响其自身的肠道菌群组成,却一直是个国际研究热点及难点。在中国科学院院士高福看来,宿主遗传是否影响以及如何影响自身的肠道微生物组成,在国际上存在学术争议。因为要鉴别到宿主遗传对肠道菌群影响的因果基因突变,非常困难。

“无论是在人类,还是农场动物研究领域都已经开展了很多研究,但这些研究很多只是找到关联性,并且结果难于被重复。”江西农业大学副教授杨慧向记者补充。

在4月27日国际著名学术期刊《自然》在线发表的一篇论文上,中国科学院院士黄路生及其江西农大猪遗传改良与养殖技术国家重点实验室研究团队揭示了一项重大研究成果:发现ABO血型基因通过调节N-乙酰半乳糖胺浓度显著影响猪肠道中丹毒丝菌科相关细菌的丰度,并系统地阐明了其作用机理。也就是说,他们鉴别到宿主基因组影响肠道菌群组成的因果突变并系统阐明了其中的作用机理,是为国际上整个农业动物领域首次。

在此篇重量级的论文中,黄路生院士,江西农业大学首席教授陈从英,引进专家米歇尔·乔治教授为文章共同通讯作者,同校的杨慧副教授与吴金鸳博士为文章共同第一作者。

2009年,黄路生教授开始设计建立嵌合实验群体,利用四个主要西方猪种与四个主要中国(亚洲)地方猪种轮回混合杂交构建全球唯一的家猪嵌合家系。

“当时大家的关注点都在研究肠道微生物对宿主表型的影响,而宿主本身遗传是否影响以及如何影响肠道微生物这方面的研究基本还没有,基于此开始这个课题。”杨慧介绍。作为论文的第一作者,她在课题中主要工作是采集样品,提取微生物DNA以及后续的数据分析和部分实验工作。

因为肠道菌群受环境,饮食,健康状况以及宿主遗传变异等多重影响,为了找到宿主遗传与肠道菌群基因突变联系,“在项目设计之初,就严格控制饲料,饲养,健康及环境条件,将中西方品种杂交增加宿主个体的遗传变异,这样才有利于寻找对肠道菌群有影响的因果基因。”杨慧告诉记者。

自2009年至今的10多年中,江西农大黄路生院士研究团队以家猪为研究材料,构建了由全世界八个不同商业品种及中国地方猪种混交的嵌合家系,共计1500多个个体。我们不禁要问:时间跨度这么长,涉及品种这么多的实验群体构建是如何实现的?

“首先是黄路生院士的精心设计,其次是在黄路生院士的带领下实验全体室师生的精诚合作,遇到问题积极讨论寻求解决办法”杨慧说。

杨慧称,该研究选择了第六(F6)和第七(F7)两个世代的个体。“因为嵌合家系杂交到第六和第七代时,8个始祖品种的基因组嵌合已经很完全且比较稳定了,有利于后续实验的开展。此前世代的个体样本研究组也都收集了基因组信息,这些始祖的基因组信息有利于追踪后代的遗传变异。”

于此,研究团队通过对F6和F7两个世代1500个实验个体,每个个体持续测定3个时间点(出生后25,120及240天),并在出生后第240天屠宰测定每个个体三个肠道部位(回肠,盲肠,粪便)的肠道细菌组成,证明肠道菌群的组成,丰度具有生长阶段和肠道部位的广泛特异性及多样性。而目前国际上通常研究中采集的粪便样品仅能代表菌群组成的一部分。他们通过对F6及F7两个世代大样本家猪的系统遗传解析,鉴别到家猪ABO血型系统中一个350万年前包含第8外显子的2.3kb缺失变异。这个基因缺失变异直接导致了家猪肠道中丹毒丝菌科相关细菌的丰度差异。

那么,如何才能追溯到350万年前的基因缺失呢?

杨慧称,他们对嵌合家系群体的祖代8个家猪品种,亚洲野猪,欧洲野猪,苏门答腊野猪,菲律宾疣猪,印度尼西亚爪哇疣猪和非洲普通疣猪都进行了全基因组测序,然后对ABO基因及附近区域构建进化树,发现ABO基因2.3kb缺失在以上品种中均有存在,根据进化树推断ABO基因2.3kb的缺失应该发生在350万年前一个古老基因的突变。

“这种基因缺失在中西方家猪和野猪品种都已找到,发生在350万年前属于自然缺失,因为大约在1万年前,近东和中国的猪才被大量驯化。”杨慧解释。

据了解,这项成果的发现,对于提升畜禽饲料转化率及促进生长上的意义重大。后续,研究团队将分离,鉴定一些影响家猪生长和饲料转化率的微生物,并通过培养组学手段将这些细菌分离培养出来,阐明其和宿主互作机制,开发调控技术。

 中国畜牧兽医报记者 章勇


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