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重点实验室张志刚研究员团队在动物肠道微生物组与动物高海拔响应方面取得新进展

2023-05-30  

近日,云南大学云南生物资源保护与利用国家重点实验室张志刚研究员团队在动物肠道微生物组与动物适应高原极端环境方面取得新进展,相关研究成果于2023年5月23日发表在npj Biofilms and Microbiomes上(5年IF=9.667)。

青藏高原是“世界第三极”,平均海拔超过4500米,具有低氧、高寒、紫外线强、冷季时间长的气候特征。该地区栖息着种类繁多的哺乳动物类群。由于长期自然选择作用,牦牛、藏羚羊、藏绵羊、藏猪等动物类群发生了一系列的趋同进化,逐渐形成耐低氧、耐寒、抗紫外线辐射、耐粗饲的性状。探究动物高原低氧适应具有多方面的重要意义,比如了解人类复杂疾病发生机理、改善和促进人类健康等。过去大量研究表明动物自身基因组的变异、基因表达调控甚至表观遗传学的改变均有助于土著动物适应高原极端环境胁迫。然而,到目前为止,仍然缺乏从肠道微生物视角出发,来理解和认识高原哺乳动物低氧适应的机制。

张志刚研究员团队前期以青藏高原土著反刍动物牦牛和藏绵羊为例,借助宏基因组、代谢组、转录组以及进化生物学策略,通过与低海拔近缘黄牛和普通绵羊相比,全面系统地探索了哺乳动物高原适应的肠道微生物组机制,证实了哺乳动物肠道微生物组的趋同进化有利于哺乳动物的高原适应,至少是在能量代谢的适应方面(Zhang et al., 2016, Current Biology)。该原创性的发现不仅为动物适应性进化理论提供了新的知识,也开启了动物高原适应机制研究的新视角。此后,团队联合兰州大学生命科学学院、草地农业生态系统国家重点实验室龙瑞军教授团队,通过食性-肠道微生物互作的新视角,阐明了牦牛适应高原极端环境过程中食性选择特征及其与肠道微生物的协同作用机制(Guo et al., 2021, npj Biofilms and Microbiome)。本研究以短期适应高原极端环境单胃动物藏猪为例,借助宏基因组和生物信息学技术手段,构建8210个中高质量的猪肠道微生物参考基因组(完整度>75%,污染率<10%),代表了1050个肠道微生物物种,其中73.47%属于新物种(图1)。从物种水平上全面揭示了放牧藏猪与低海拔圈养猪肠道微生物结构和组成的显著分化。功能层面,不管与欧洲圈养猪还是中国圈养猪相比,自然放牧的藏猪肠道微生物均富含纤维、半纤维、β糖苷、几丁质等碳水化合物水解酶类。藏猪特异性富集的Fibrobacterota门和Elusimicrobia门具有合成中短链脂肪酸、乳酸、20种必需氨基氨酸,多种B族维生素及其活性因子的潜能(图2)。其中, Fibrobacterota门具有更强大的合成代谢能力,表现在乙酸、丙氨酸、组氨酸、精氨酸、色氨酸、丝氨酸、苏氨酸、缬氨酸、B2、B5、B9、亚铁血红素和四氢叶酸合成通路上富含多种关键酶,已知研究提示这些代谢产物或许与宿主适应寒冷、低氧和强紫外线照射的极端环境密切相关。本研究为全面系统理解动物适应高原极端环境的微生物组学机制提供了有力的证据,也进一步揭示了高原土著动物肠道内富含重要的微生物资源。

1 MAGs 质量信息和SGBs物种注释

2 Fibrobacterota和Elusimicrobia 合成代谢通路图

基于上述系列理论创新,团队从藏猪肠道中分离得到部分功能微生物,其中乳酸菌和双歧杆菌可以有效提高断奶仔猪生长性能和免疫功能。该藏猪源菌剂组合已申请国家发明专利,且得到授权(授权公告号:CN 114591863B)。团队将继续全面探索动物适应高原低氧环境的微生物组学机制,深入挖掘功能微生物,为人类大健康和畜牧业发展,提供理论基础和实践资源。

博士后赵芳芳(云南大学)、硕士生杨丽丽(中国科学院昆明动物所遗传资源与进化国家重点实验室)、博士生张涛(云南大学)为该论文的共同第一作者,张志刚研究员(云南大学)为该论文的通讯作者。上述系列工作得到了第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0503)、国家自然科学基金项目(U2002206和31970571)、云南省重大科技专项(202001BB050001)、中国科学院重点研究计划(NO. KFZDSW-219)、云南大学研究生科研创新项目(NO. KC-22221159)的经费支持。

原文链接: https://doi.org/10.1038/s41522-023-00395-3 。


供稿:云南生物资源保护与利用国家重点实验室

编辑:李哲

责任编辑:王崴


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