原麝全基因组学及肠道菌群多样性和基因功能分析研究

来源 :苏日娜 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pgwork2011
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麝因雄麝分泌的麝香而闻名,又因过度捕猎及栖息地遭受破坏而使麝种群极度濒危,现存数量少、野生种质资源不足。目前对于林麝基因组相关研究起步较早、文献报道较多,并且对影响林麝肠道菌群结构的多种因素进行了全面研究,而对于原麝基因组和肠道菌群的相关研究基本属于空白。正是由于缺乏对原麝全面了解,在一定程度上限制了原麝人工饲养事业的发展。我国人工饲养麝的规模难以扩大主要因素是圈养麝的疾病高发,而肠道菌群对宿主健康的影响尤为重要,取决于饮食、环境和宿主等多种因素。因此,为了更好的保护原麝资源和将来进行全面的人工驯化养殖,有必要对原麝遗传多样性及其肠道微生态特征进行研究。本研究首先进行全基因组测序绘制原麝精细遗传图谱,完善原麝基因组信息为后续研究提供了参考数据。之后利用Illumina Mi Seq测序平台分析季节因素对于原麝肠道微生物细菌和真菌组成及多样性的影响。进一步与林麝肠道微生物组成进行比较研究,并在此基础之上利用q PCR技术测定原麝和林麝肠道细菌和真菌的群落数。最后,利用Illumina Hi Seq Xten测序平台进行宏基因组测序研究,更加系统了解季节因素对于原麝肠道菌群功能的影响,以及在代谢层面比较分析了原麝和林麝肠道菌群的差异。具体结果如下:(1)基于全基因组测序分析原麝种群遗传多样性该部分试验主要进行了原麝基因组de novo测序、重测序和转录组测序。通过de novo测序获得基因组大小约为3.10 Gb的原麝基因组组装草图,contig N50为29,145bp,scaffold N50为7,955,248 bp。测序共注释了19,363个蛋白质编码基因,有44.44%的基因组具有重复性。通过比较基因组分析表明原麝更接近牛科动物而非鹿科动物,以及原麝更适于在寒冷和高海拔环境下生存。通过原麝基因组重测序构建PSMC模型,表明原麝有效种群数量的变化与最近的冰川时期相对应。此外,基于转录组分析确定了在分泌麝香中起作用的候选基因。(2)基于16S r RNA测序分析原麝肠道细菌菌群结构该部分试验分别在冬季和夏季采集林麝和原麝新鲜粪便样品,进行q PCR荧光定量检测和16S r RNA高通量测序,对测序后的优化数据分别进行OTU聚类和ASV分析。研究结果表明季节的改变对原麝肠道菌群结构有显著影响,核心菌门的丰度受不同季节的影响存在显著差异,并且夏季肠道微生物的alpha多样性高于冬季。此外,原麝和林麝的肠道菌群结构存在显著差异,原麝厚壁菌门的相对丰度显著高于林麝组,与之相对应的是拟杆菌门相对丰度的降低。(3)基于ITS测序分析原麝肠道真菌菌群结构该部分试验分别在冬季和夏季采集林麝和原麝新鲜粪便样品,通过q PCR荧光定量检测和ITS区高通量测序,结果表明季节的改变对于原麝肠道真菌菌群的结构影响较大,原麝夏季肠道真菌多样性低于冬季,且菌群丰富度存在显著差异。子囊菌门为原麝肠道真菌的优势菌门,相对丰度随季节因素改变差异不显著。同时,原麝和林麝肠道真菌在alpha多样性指数和beta多样性差异显著,表明真菌结构存在较大差异。(4)基于宏基因测序分析研究原麝粪便微生物组成和功能该部分试验分别对6只林麝和4只原麝粪便样本进行宏基因组测序,通过COG数据库、KEGG数据库、CAZy数据库、CARD数据库和NR物种数据库进行功能注释及功能差异分析。研究结果揭示原麝肠道菌群在不同季节的功能差异,在夏季碳水化合物代谢丰富,冬季能量代谢丰富。在短链脂肪酸合成的相关途径中鉴定到丁酸盐代谢和丙酸盐代谢关键酶(EC:1.3.1.44,EC:6.4.1.2)的相对丰度在冬季显著上调。糖苷水解酶、糖基转移酶和碳水化合物酯酶家族为原麝肠道菌群中主要的碳水化合物水解酶,其中糖基转移酶家族的GT2最丰富,依次是GH2家族、GT4家族、CE1家族、CE4家族和GH109家族。受季节因素影响GT41、GT5和CBM32家族在原麝夏季样本中显著上调,而GH94、GT8、GT32和CE4则在冬季显著上调,值得注意的是在CE家族中仅有CE4家族表现出季节差异。在此基础之上,研究结果进一步表明林麝和原麝在KEGG代谢途径中存在显著差异,纤维素和半纤维素降解途径的关键酶β-葡萄糖苷酶和内切纤维素酶相对丰度林麝组显著高于原麝,而原麝大多数特有的酶促反应与丙酮酸代谢有关,如乙酰辅酶A合成酶等。此外,基于CARD数据库共注释到87个耐药基因型,分别针对17种不同类型的抗生素产生耐药,多重耐药基因达到35个,针对单一药物的耐药基因有52个。林麝和原麝肠道菌群耐药基因显著不同,从耐药基因的抗生素分类水平上看,在林麝肠道菌群中主要有四环素类、β-内酰胺类、氨基糖苷类和大环内酯类耐药基因,而在原麝组中相对丰度较高的基因型是van WG和van G属于糖肽类耐药基因。受饲养环境和摄食习性的影响,原麝和林麝肠道微生物在组成和功能层面均存在显著差异,季节的变化也显著改变了原麝肠道微生物的组成和功能。综上所述,本研究结果能够填补原麝基因组相关研究的空白,为进一步研究原麝这种具有重要经济价值的物种提供了宝贵的遗传信息资源,并为麝科动物遗传多样性、进化、生物学特性以及功能基因的挖掘提供了数据基础。此外,了解原麝肠道微生物群落的构成并调查其肠道微生物功能,对指导科学的人工养殖、预防原麝养殖中肠道疾病的发生和发展具有重要的现实意义。
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