NC发布迄今最大规模猪肠道微生物基因集! | CNGBdb支撑发表科研成果解读

2021-03-16 270CNGBdb

当前研究证实,人类肠道微生物在宿主的新陈代谢、免疫甚至是精神类疾病中起着至关重要的作用。猪肠道微生物也不例外,其在猪的健康和生产中起着重要作用。家猪是人类食用的主要肉类,同时还是生物医学研究的动物模型。因此,迫切需要完整的微生物基因集和参考基因组序列信息来研究肠道微生物组与猪重要经济性状和疾病的因果关系。

近日,江西农业大学科研团队在国际顶级学术期刊Nature Communications发表大规模猪肠道微生物基因集的科研成果。研究通过深度宏基因组测序对来源广泛的500个样本进行了研究,构建了整合的猪肠道微生物基因目录(PIGC),还比较了野猪和高度商业化杜洛克猪两种不同饲养条件下猪肠道微生物组,为猪肠道微生物组研究提供了重要的资源。

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本次研究的宏基因组测序数据,微生物和宏基因组组装数据已存储于国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),项目编号为:CNP0000824

主要研究成果

1. 物种基因组分析

研究采集了来自8个农场的8个不同品种或中西杂交种的472个粪便,20个盲肠腔,6个回肠腔和2个空肠腔,共500个样本(图1)。这些样品包括不同年龄、性别、品种、地理区域、不同肠道部位,进行深度宏基因组测序,共产生5.73Tb高质量数据。同时,整合了现有的287个猪肠道菌群样品数据,构建出包含17,237,052个基因cluster(以90%的蛋白质一致性聚类)的肠道微生物基因集(PIGC),其中28%是未知蛋白质。与此同时,通过采用分箱分析(binning),构建了6,339个基于宏基因组组装的中高等质量(完整度超过50%,污染小于5%)微生物基因组(图1)。进一步根据不低于95%的平均核苷酸一致性原则,它们被分类为2,673个物种水平的基因组集(SGB),其中超过86%为当前数据库中未知的物种基因组(图2a)。

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图1 不同年龄,性别,品种,肠道部位,地理和驯化的样本。完整基因以100%,90%和50%的氨基酸一致性聚类,以生成PIGC100,PIGC90和PIGC50的非冗余基因目录。重建的微生物基因组分别以平均核苷酸一致性(ANI)的99%和95%聚集到菌株级和物(SGB)。6,339个非冗余MAG分为中等质量MAG(完整度超过50%,污染小于5%)和高质量MAG(完整度超过90%,污染小于5%)。基因组分类数据库(GTDB)中包含至少一个参考基因组(或由宏基因组组装的基因组)的SGB被视为已知SGB(kSGB), 没有参考基因组的SGB被视为未知SGB(uSGB)

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图2 a. 对6,339个MAG进行不同级别的分类;b. MAG的系统发育树。外循环代表界(kingdom),进化枝背景的不同颜色代表门;c. 每个门中物种级基因组分类(SGB)的数目和未知SGB(uSGB)的百分比。没有现有参考基因组的SGB(无法在GTDB-tk的物种级别注释)定义为未知SGB(uSGB),而具有至少一个MAG的SGB可以在物种级别注释为已知SGB(kSGB)

随后,使用基因组分类数据库工具包(GTDB-Tk)将6,339个MAG分类。所有6,339个MAG均被划分为界级别(细菌为6,825个,古细菌为54个),绝大多数MAG(6,219个,98%)被归为科级别,4,783个(75%)被归为属级别,然而仅865个MAG被分配给365个已知物种(图2a)。其余86%的MAG无法与当前数据库中的任何基因组匹配,这表明了这是潜在新物种的代表基因组。

2. 探究野猪和家猪肠道微生物组的差异

1)作者使用当前的基因集和MAG,确定了野猪和商业杜洛克猪肠道微生物组之间的几个菌株水平差异。来自相同物种水平的基因组集(SGB)的一些MAG在野猪和杜洛克猪之间显示出不同的富集方向,总共有7个SGB标记为细菌,其中6个SGB为未知SGB(uSGB,图3a,b)。例如,在19个MAG簇成SGB_2312并注释为Oscillospirales的情况下,其中2个MAG富含野猪,在杜洛克猪中有2个MAG富集,而其他15个MAG在杜洛克猪和野猪之间没有丰度差异(图3a,b )。同样,SGB_600是一种uSGB,包含33个MAG,属于古细菌中的甲氧甲基菌科,分别有4个和2个MAG富集在野猪和杜洛克猪(图3c,d)。这表明野猪和杜洛克猪之间肠道菌群在菌株水平上的差异,如果没有强大的MAGs数据库就无法检测到。

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图3 a.系统发育树,显示来自细菌的七个SGB中的所有MAG。不同的颜色区分每个SGB。有些MAG在野猪中富集(蓝色条),在杜洛克猪中富集(红色条)和没有显著差异(灰色)。b.热图显示了野猪和杜洛克猪之间七个SGB中29种MAG的不同富集。c.系统发育树显示了来自SGB_600的所有MAG,该古细菌属于古细菌中的甲氧甲基嗜菊科。在野猪中富集(蓝色条),在杜洛克猪中富集(红色条)。d.箱线图显示了野猪(n = 6)和杜洛克(Duroc-JY:n = 16,Duroc-SH:n = 20)之间SGB_600中六个MAG的丰度不同。 P <0.05, P <0.01, P <0.001, P <0.0001

2)使用PIGC90在野猪和杜洛克猪之间比较肠道微生物组的功能能力。共鉴定出103条显示差异丰度的途径,包括富集野猪的92条途径和杜洛克猪中11条具有更高丰度的途径。野猪肠道微生物组富集的途径主要与氨基酸的生物合成和代谢,脂质代谢(例如次生胆汁酸的生物合成,脂肪酸的生物合成和降解),碳水化合物的代谢,维生素的代谢(例如维生素B6和生物素)有关,抗生素的生物合成(例如新霉素,卡那霉素和庆大霉素的生物合成),而杜洛克猪的肠道微生物组主要通过与遗传信息处理相关的途径(例如DNA复制和同源重组)得以富集。

3)作者分析了野猪中抗生素抗性基因(ARG)的含量。与杜洛克猪相比,野猪的肠道微生物组的ARG数量显著降低。在种类上,杜洛克猪具有与四环素,氨基糖苷,核苷,M-L-S(大环内酯抗生素,林可酰胺抗生素和链霉菌素抗生素)和林可酰胺有关的大量ARG。但是,几乎所有种类的抗生素抗性基因在野猪中的含量都较低。

该研究提供了目前为止国际上规模最为宏大的猪肠道微生物基因集和基于宏基因组组装的基因组,该成果的面世,为猪肠道微生物组相关研究提供了重要的基础资源。

文献原文:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21295-0

信息及图片来源:"华大科技BGITech"公众号

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