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[转载]Biosafety and Health：河南农业大学王亚楠教授构建国际上首个鸡胃肠道多界微生物基因组目录

已有 611 次阅读 2024-3-27 16:25 |个人分类:数据库|系统分类:博客资讯|文章来源:转载

近日，河南农业大学王亚楠教授在《Biosafety and Health》在线发表了题为“The multi-kingdom microbiome catalog of the chicken gastrointestinal tract” 的研究论文。该研究构建了国际上首个综合性的鸡胃肠道多界微生物基因组目录。

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The multi-kingdom microbiome catalog of the chicken gastrointestinal tract

鸡胃肠道多界微生物基因组目录

Yanan Wang*, Mengqi Qu, Yuhai Bi, William J.Liu, Sufang Ma, Bo Wan, Yongfei Hu, Baoli Zhu, Gaiping Zhang, George F. Gao

*Corresponding author

International Joint Research Center of National Animal Immunology, College of Veterinary Medicine, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450046, China

CAS Key Laboratory of Pathogen Microbiology and Immunology, Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences (CAS), Beijing 100101, China

Longhu Laboratory, Zhengzhou 450046, China

亮点

◼ 本研究构建了全球首个综合性的鸡胃肠道多界微生物基因组目录（CMKMC），包括18201个细菌和225个古细菌基因组（MAGs）及33,411个病毒基因组。◼ 通过物种注释和数据比对分析，从中发现812个潜在的新种和240个潜在的新属。◼ 大多数已知可分类种水平的病毒分类单元（OTUs）属于Caudovirales，噬菌体携带多种辅助代谢基因和抗生素耐药基因。◼ 该研究结果是迄今为止国际上最大的鸡胃肠道多界微生物基因组目录，包括鸡肠道中数量最多的细菌、古细菌和病毒基因组。这些基因组数据将作为新的参考基因组资源，并为鸡肠道微生物组研究提供新的见解。

摘要

鸡是现今全球重要的动物资源之一，鸡肉和鸡蛋产品作为人类饮食生活中蛋白质的主要来源之一，发挥着重要的作用。尽管近期的研究在肠道微生物组研究方面取得了重要的进展，但对鸡肠道细菌、古细菌和病毒基因组的综合性研究仍有不足。在本研究中，作者通过整合分析135个宏/元基因组和来自10个国家的宏基因组装基因组（MAGs）数据构建了首个鸡胃肠道多界微生物基因组目录（CMKMC），包括18,201个细菌MAGs、225 个古细菌MAGs和33,411个病毒基因组，并注释了超过 6,076,006个来自基因组的蛋白质编码基因。研究发现，在该数据集中，分别有812个和240个MAGs是潜在的新种和新属，远远超过之前报道的数量。这些未分类的MAGs主要分布在以下4个门：Firmicutes_A (n=263)、Firmicutes (n=126)、Bacteroidota (n=121)和 Proteobacteria (n=87)。大多数分类的种水平的病毒基因组属于Caudovirales。大约 63.24%的鸡肠道噬菌体组可以感染两个或两个以上的宿主，包括完整的环状病毒。此外，我们还发现鸡肠道病毒携带多种辅助代谢基因和抗生素耐药基因。本研究结果所构建的CMKMC是迄今为止国际上首个、规模最大的鸡肠道多界微生物基因组目录，为深入了解鸡胃肠道微生物的功能和结构提供了新见解，为改善鸡肠道健康和生产力方面提供了重要基础依据。

关键词：鸡，微生物组，宏基因组组装基因组，古细菌组，病毒组，耐药基因

鸡是世界范围内重要经济价值的食品动物，通过提供肉和蛋产品在人类生活中起着不可或缺的作用。根据联合国粮食及农业组织的数据，全球约有1600多个鸡品种，其中亚洲是世界上鸡品种最多的地区，约占46%。世界上大约有258亿只鸡，其中中国饲养了约51亿，是世界上鸡数量最多的国家之一。

鸡的胃肠道中蕴藏着数以万亿计的细菌，这些细菌在鸡的健康生理功能起着至关重要的作用，包括宿主代谢、免疫、营养和生产能力。先前的研究主要集中在鸡肠道微生物群的代谢、促进生长和治疗、免疫、微生物的变化、宿主遗传和饲料效率以及抗生素耐药基因的多样性和丰度。鸡的胃肠道中有丰富多样的多界生态系统，如细菌、古生菌和病毒，尽管数量众多，但对它们的了解仍然很少。

一个综合性的微生物基因组集（包括细菌、古细菌和病毒）对肠道微生物的深入了解是非常重要的，尽管细菌、古细菌微生物和噬菌体的功能需要培养的方法来进一步验证。尽管对鸡肠道微生物基因组（MAGs和/或基因集）进行了一些研究，但对于鸡肠道多界微生物，包括细菌、古细菌和噬菌体病毒组的综合性探索研究仍有很多不足，严重限制了对宏基因组（元基因组）数据的深度挖掘和利用。

该研究通过对来自1215只鸡粪便样本的135个宏基因组测序数据分析，构建出5094个细菌和118个古细菌基因组MAGs。使用多个病毒分析软件筛选>5kb的病毒基因组59911个，去冗余后获得33411个病毒基因组。整合本研究组装的基因组和前期研究产生的12339个MAGs构建了全球首个鸡肠道多界微生物基因组，包含18201个细菌、225个古细菌和33411个病毒基因组（图1）。

图1 鸡肠道多界微生物组目录的构建，包括细菌、古细菌和病毒基因组

共有11885个、3304个、403个和13个MAGs分别在种、属、科和目水平上无法注释到已知分类的物种，属于潜在新的物种（图2）。在新组装的MAGs中，仅有3732个MAGs可以注释到已知的种，这表明许多MAGs是之前未知的物种。新生成的细菌MAGs以Firmicutes、Firmicutes_A和Bacteroidota为主，而各门水平的新MAGs百分比不一致。所有古细菌MAGs属于Halobacterota（n=102）、Euryarchaeota (n=78)和 Thermoplasmatota (n=45)。在种水平上，新组装的80个古细菌MAGs是以前未知的，占总数的35.56%。然后，使用对组装的病毒基因组进行物种注释分析，其中91.76%的病毒基因组可以注释到已知的分类。在目水平上，主要是Caudoviricetes，其次是Malgrandaviricetes、Arfiviricetes、Faserviricetes、Tectiliviricetes和Megaviricetes（图3）。总之这些发现代表了鸡肠道微生物组中细菌、古细菌和病毒群落的高度多样性，并且有超乎想象丰富多样的新的微生物基因组。

图2 CMKMC基因组的物种分类和系统发育分析

图3 33411个病毒基因组的物种分类

图4 CMKMC基因组功能注释

图5 CMKMC噬菌体的宿主预测

在组装基因组的基础上，研究进一步注释了基因组上的功能基因，揭示了CMKMC基因组的碳水化合物酶、毒力因子、耐药基因和质粒复制子的特征。通过预测鸡肠道噬菌体组的宿主，鉴定出75个古细菌噬菌体和16505个细菌噬菌体。这些噬菌体的宿主分布在28个门、45个纲、103个目、203个科和754个属，其中包括17个已知和4个未知属水平的古细菌噬菌体，和 737个已知和52个未知属水平的细菌噬菌体。在33411个基因组中仅有12.38%、21.64%和37.30%的基因可以使用KEGG、Pfam和VOG注释到功能。仅有153个噬菌体携带有抗生素耐药基因，提示耐药基因在鸡肠道噬菌体基因组上不常见。

图6 鸡肠道病毒携带的AMGs和ARGs

本研究构建了国际上首个鸡胃肠道多界微生物基因组目录 CMKMC，包括18201 个细菌、225 个古细菌和 33411 个病毒基因组，提供了重要的参考基因组资源。通过对 CMKMC 基因组进行物种和功能注释，不仅发现很多潜在的新物种基因组，也绘制了 CMKMC 功能基因图谱，对深入研究鸡肠道微生物组成结构和功能有重要的意义。为微生物干预改善鸡肠道健康、生产力和生物安全防控提供重要的数据资源。

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DOI: 10.1016/j.bsheal.2024.02.006.

Cite: Yanan Wang et al.The multi-kingdom microbiome catalog of the chicken gastrointestinal tract. Biosafety and Health (2024),6(2): 101-115.

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.bsheal.2024.02.006。

河南农业大学王亚楠教授为论文第一作者和通讯作者, 张改平院士、高福院士参与支持了本研究。该项工作由国家重点研发计划、河南农业大学高层次人才启动基金、河南省重大科技专项、国家自然科学基金等项目资助完成。

参考来源：Biosafety and Health

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主要作者介绍

王亚楠

河南农业大学特聘教授

博士，河南农业大学特聘教授、拔尖人才，硕士生导师，国家执业兽医师，国家动物免疫学国际联合研究中心骨干成员。

河南农业大学与中国科学院微生物研究所联合培养博士。扬州大学与中国科学院微生物研究所联合培养硕士。2022年8月作为河南农业大学高层次人才引进回校工作，任校特聘教授。主要从事家禽等动物肠道微生物组与耐药基因组、人兽共患沙门菌与食品安全、病原微生物耐药与生物安全/公共卫生等方面的教学与科研工作。主持河南农业大学高层次人才项目（200万）、十四五国家重点研发计划子课题项目。在National Science Review（2023，高被引论文）、Journal of Infection（2021，2020，2019，Editor’s choice论文）、Environment International（2021，2020）、Microbiology Spectrum（2023）、Biosafety and Health（2024）等期刊发表学术论文23篇，其中第一/共一作者或通讯作者文章14篇。受邀为mSystems、Frontiers in Microbiology、Science of the Total Environment、One Health Bulletin、iMeta、hlife和Animal Diseases等期刊的编委/青年编委或审稿人。

主要学术成绩：（1）在动物肠道微生物组与耐药基因组方面：揭示了耐药基因在动物（家禽）及人体肠道菌群中的生态学分布和转移规律；利用微生物组结合微生物组表达谱测序手段阐明了鸡、猪和人体肠道菌群耐药基因及其表达谱的差异特征；已构建迄今为止国际上首个鸡肠道多界微生物基因组集目录，其中包括18201个细菌、225个古细菌和33411个病毒基因组。（2）在人兽共患沙门菌与数据库方面，已构建中国大陆地区迄今为止最大的综合性沙门菌菌株库，系统揭示近20年我国沙门菌多种优势血清型和耐药性时空演变规律；首次报道29种尚未在我国出现的沙门菌血清型和12个新的序列型；阐明了猪源ST34和鸡源ST19鼠伤寒沙门菌分别与引起儿童和成人腹泻感染的菌株的联系；已构建了迄今为止中国最大的、开源的沙门菌基因组数据库（https://nmdc.cn/clsgdbv2），绘制了沙门菌耐药基因、毒力基因和可移动遗传元件组图谱，并证实气候、社会和经济因素与沙门菌耐药性呈显著正相关。