浙江大學動物科學學院孫會增課題組發文揭示奶牛瘤胃微生物活性功能類群

瘤胃微生物羣是反芻動物（如牛、羊等）消化系統中至關重要的組成部分，能將植物纖維和其他難以消化的物質轉化爲可吸收的營養成分，爲機體提供70% ~ 80%的能量來源。解碼菌羣中單菌的活性功能是揭示覆雜微生組真實作用的關鍵，然而，瘤胃微生物功能冗餘和基因選擇性表達制約了個體活性功能的表徵，導致瘤胃微生物組中有什麼活性功能類羣，這些功能類羣的物種組成及功能特徵如何等尚未可知。爲了填補這個空白，研究團隊開發了一種全新的研究方法——微生物組單細胞轉錄組學技術（Microbiome single-cell Transcriptomics, MscT），即構建了目前最全面的牛胃腸道微生物基因組圖譜（Bovine Gastro Microbial Genome Map, BGMGM）作爲參考數據集，利用基於隨機引物和微流控的微生物單細胞RNA-Seq技術測定瘤胃內容物中微生物單個細胞的基因表達情況，通過基準測試多物種（多基因組）單細胞降維聚類算法進行活性功能類羣鑑定和代謝機制解析。該方法不僅適合於動物乃至人類消化道，還適用於其他缺少參考基因集的複雜環境微生物組中單菌活性功能的研究，爲微生物組研究開拓了新的方向。

基於該方法，研究團隊構建了一個涵蓋17,4531個微生物細胞和2,534個物種的瘤胃微生物單細胞轉錄組圖譜，揭示了瘤胃微生物在單細胞水平上的功能分工；共鑑定出12個活性功能類羣（圖1），每個類羣由表達特定代表性功能基因的細胞組成。鑑於瘤胃微生物羣在碳水化合物（特別是纖維素、果膠）代謝過程中發揮了重要作用，研究團隊進一步在碳水化合物代謝通路中探究了關鍵活性功能類羣的代謝特徵。研究發現，HSP90+ HMACs功能類羣在瘤胃中具有高代謝活性，其總代謝活性和碳水化合物代謝活性顯著高於其它類羣，在將複雜碳水化合物轉化爲簡單糖類（如葡萄糖）的過程中起到關鍵作用。以往研究認爲果膠生成丙酸途徑是飼餵非常規飼料日糧下奶牛泌乳性能低下的限制性通路，本研究發現在降解果膠生成丙酸的4個連續過程中，Integrase+ HMACs功能亞類羣代謝丙酮酸生成琥珀酸的活性最高，而其它3個過程中活性功能較低。同時，在該亞類羣中Basfia succiniciproducens作爲代謝活性最高的物種，其細胞在這4個連續過程中顯示出一致的代謝功能變化趨勢。在此基礎上，深入探討了B. succiniciproducens代謝狀態變化軌跡爲：“從初始狀態（Multi signal cells）到代謝狀態1（Transposase+ Formate/nitrite TCs）和代謝狀態2（Integrase+ cells）”，代謝狀態1細胞的“丙酮酸到乙酰輔酶A”代謝活性顯著較高，而代謝狀態2細胞的“丙酮酸到琥珀酸”代謝活性顯著較高。丙酮酸是碳水化合物代謝的關鍵中間物質，其代謝過程與瘤胃微生物氫代謝密切相關，丙酮酸代謝生成琥珀酸可降低氫的生成，對瘤胃甲烷減排意義重大。以上結果提示，基於基因表達的微生物細胞狀態變化在代謝表型研究中具有巨大潛力。

圖1 奶牛瘤胃微生物活性功能類羣

該研究利用MscT技術，通過基於BGMGM的泛基因組功能基因比對策略，揭示了瘤胃微生物生態系統原位活性功能類羣，表徵了B. succiniciproducens等核心微生物物種細胞在碳水化合物代謝過程中的重要功能和關鍵動態特徵。這項研究不僅在技術上取得了重要進展，爲微生物學研究提供了重要資源，在通過瘤胃微生物組調控反芻動物生產和健康，解決全球生態動態、酶資源探索和生物燃料大規模工業生產等方面也具有廣泛的應用前景。

信息來源：浙江大學動物科學學院官網

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