西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院反芻動(dòng)物遺傳與進(jìn)化研究中心在反芻動(dòng)物瘤胃進(jìn)化研究領(lǐng)域取得了新進(jìn)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(dòng)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(dòng)物因其獨(dú)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(dòng)物具有了高效消化植物纖維的能力并因此獲得了獨(dú)特的進(jìn)化優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了反芻動(dòng)物類群的繁盛和多樣性。
反芻動(dòng)物并不是唯一擁有多胃室的類群，與其分歧時(shí)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(dòng)物進(jìn)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(jìn)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(dòng)物類群所在的鯨偶蹄目的50種組織共897個(gè)轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，覆蓋了其中三個(gè)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(duì)反芻動(dòng)物瘤胃的功能創(chuàng)新的遺傳進(jìn)化基礎(chǔ)進(jìn)行了探究，并進(jìn)一步對(duì)候選基因的功能進(jìn)行了驗(yàn)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(gè)瘤胃相對(duì)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(dòng)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(jìn)化出不同的表皮結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)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(dòng)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(dòng)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(yàn)證，證實(shí)調(diào)控改變是器官進(jìn)化遺傳機(jī)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(gè)反芻動(dòng)物特異的氨基酸突變，酶活性試驗(yàn)結(jié)果表明這些突變使得該蛋白與其他哺乳動(dòng)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(dòng)物更高效的能量代謝效率。抑菌圈試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)反芻動(dòng)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(jìn)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(gè)起點(diǎn)。同時(shí)，該研究也為進(jìn)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(hào)通路和金黃色葡萄球菌感染通路中涉及的多種遺傳機(jī)制，B.瘤胃新基因DEFB1和C. 新基因LYZ1對(duì)金黃色葡萄球菌有抑菌活性。
該研究得到國家有關(guān)項(xiàng)目及學(xué)校高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。
原文鏈接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-020-1828-8
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