西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院反芻動物遺傳與進化研究中心在反芻動物瘤胃進化研究領(lǐng)域取得了新進展，并以“Modes of genetic adaptations underlying functional innovations in the rumen”為題，于11月5日《Science China-Life Sciences》雜志在線發(fā)表。該論文第一署名單位為西北農(nóng)林科技大學(xué)，動科學(xué)院博士研究生潘香羽、蔡鈺東、博士后李宗軍、碩士研究生王妮妮、西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院博士后陳賢情、丹麥哥本哈根大學(xué)Rasmus Heller助理教授為共同第一作者。我校姜雨教授和西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院王文教授為共同通訊作者。
反芻動物因其獨特的前胃發(fā)酵系統(tǒng)和反芻行為而得名，其瘤胃是前胃發(fā)酵系統(tǒng)的主要器官。它與微生物的緊密協(xié)作，使得反芻動物具有了高效消化植物纖維的能力并因此獲得了獨特的進化優(yōu)勢，促進了反芻動物類群的繁盛和多樣性。
反芻動物并不是唯一擁有多胃室的類群，與其分歧時間約6500萬年的鯨偶蹄目中，包括胼足亞目的駱駝和鯨河馬亞目中的河馬、鯨豚等均擁有多胃室。但由于他們食性和生態(tài)位的不同，他們的胃室特化出各自不同的特征。瘤胃作為反芻動物進化過程中的重要器官，為系統(tǒng)解析其功能創(chuàng)新背后的遺傳進化模式，研究人員聯(lián)合國內(nèi)外10多家單位收集了反芻動物類群所在的鯨偶蹄目的50種組織共897個轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，覆蓋了其中三個擁有多胃室結(jié)構(gòu)的亞目（反芻亞目、胼足亞目和鯨河馬亞目）。利用比較基因組學(xué)和比較轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法對反芻動物瘤胃的功能創(chuàng)新的遺傳進化基礎(chǔ)進行了探究，并進一步對候選基因的功能進行了驗證。
偶蹄目多胃室物種的系統(tǒng)發(fā)育樹
該研究利用首次開發(fā)的組織特異表達(dá)基因篩選指標(biāo)E50，鑒定到655個瘤胃相對其他組織高表達(dá)的基因。其中14.7%的基因來自食道組織，其余的大部分募集自表皮、免疫和消化代謝等相關(guān)組織，這些基因參與的功能通路都與瘤胃已知的功能高度相關(guān)。通過比較駱駝、鯨豚和反芻動物的第一胃室的表達(dá)譜，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)瘤胃與鯨偶蹄目其他物種的第一胃室可能共享來自食道的發(fā)育起源，瘤胃不僅上調(diào)了食道表達(dá)的基因，還從其他組織募集了更多基因的表達(dá)，從而進化出不同的表皮結(jié)構(gòu)、增強的酮體代謝和特異調(diào)控微生物群落結(jié)構(gòu)的能力。
瘤胃基因的募集來源
更重要的是，結(jié)合反芻動物比較基因組學(xué)分析，該研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的（77.65%）瘤胃核心基因附近富集了反芻動物特異的非編碼保守序列，并部分地被瘤胃和食道的開放染色質(zhì)區(qū)域驗證，證實調(diào)控改變是器官進化遺傳機制最活躍的方式。此外，在酮體代謝通路關(guān)鍵限速酶基因HMGCS2中發(fā)生了5個反芻動物特異的氨基酸突變，酶活性試驗結(jié)果表明這些突變使得該蛋白與其他哺乳動物相比擁有更高的利用乙酰輔酶A合成羥甲基戊二酰輔酶A的酶活性，可能賦予了反芻動物更高效的能量代謝效率。抑菌圈試驗發(fā)現(xiàn)反芻動物新產(chǎn)生的基因（DEFB1和LYZ1）能夠選擇性地抑制革蘭氏陽性菌，這一結(jié)果表明通過新基因的產(chǎn)生，瘤胃可能具有了特異調(diào)控微生物群落的功能。
該研究揭示了瘤胃功能創(chuàng)新的遺傳進化基礎(chǔ)，鑒定到的瘤胃核心基因及其特異突變?yōu)榻窈笱芯苛鑫傅陌l(fā)育基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以及瘤胃與微生物群之間的相互作用提供了一個起點。同時，該研究也為進一步優(yōu)化提高反芻家畜生產(chǎn)性能提供了新的思路。開發(fā)出的E50方法為復(fù)雜器官的特異表達(dá)基因的研究提供嶄新的途徑，有望被廣泛使用。
瘤胃調(diào)控微生物。A.瘤胃關(guān)鍵基因在IL17信號通路和金黃色葡萄球菌感染通路中涉及的多種遺傳機制，B.瘤胃新基因DEFB1和C. 新基因LYZ1對金黃色葡萄球菌有抑菌活性。
該研究得到國家有關(guān)項目及學(xué)校高性能計算平臺的支持。
原文鏈接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-020-1828-8
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魯公網(wǎng)安備 37060202000128號
