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2019-07-08浏览量:1363

『锐帮读』宏基因组和宏转录组揭示肉牛瘤胃微生物组的品种效应及其与饲料效率的关系

导读

微生物负责瘤胃内容物的发酵,影响牛的饲料效率。品种对瘤胃微生物组的影响和与饲料效率的关系尚不明确。本研究利用宏基因组学和宏转录组学,研究了来自三个品种的不同饲料效率的肉牛的瘤胃微生物组,找出功能类别与瘤胃微生物组成的差异,并评估宿主品种和饲料效率对瘤胃微生物组的影响。

 

文献ID

题目:Comparative metagenomic and metatranscriptomic analyses reveal the breed effect on the rumen microbiome and its associations with feed efficiency in beef cattle

译名:宏基因组和宏转录组揭示肉牛瘤胃微生物组的品种效应及其与饲料效率的关系

期刊名:《Microbiome》

年份:2019年1月   IF:10.465

通讯作者:Le Luo Guan

单位:加拿大阿尔伯塔大学,农业、食品和营养科学系

 

材料与方法

  

实验设计

48头牛,3个品种(安格斯[ANG],夏洛来牛[CHAR],金塞拉复合杂交品种[HYB]),2个剩余采食量组(高RFI[H-RFI];低RFI[L-RFI]),在屠宰时收集瘤胃消化物样品。

 

测序平台

Illumina Hiseq;PE100;宏基因组&宏转录组

 

研究成果

1、瘤胃微生物组在DNA和RNA水平上的功能类别

在宏基因组中,对3,589,489个contigs进行eggNOG功能注释,观察到23个eggNOG功能类别,其中10.43%,8.15%和8.10%分别参与“复制,重组和修复”,“氨基酸转运和代谢”和“碳水化合物转运和代谢”。而对于T-和M-转录组,“碳水化合物转运和代谢”是最活跃的功能类别(在T-和M-转录中分别为13.96%和13.78%)(图1)。表明在收集消化物样品时,瘤胃微生物中的大部分功能活性为复制,生长和发酵。

 

图1 宏基因组,T-和M-转录组的eggNOG功能类别

 

2、宏基因组和宏转录组之间的比较

主成分分析(PCA)显示了宏基因组和宏转录组功能类别之间的明显分离,与转录组相比,宏基因组功能更紧密地聚集在一起(图2a)。

 

其中,几个功能类别在DNA水平上丰富,但在RNA水平表达较低,如“复制,重组和修复”(~2倍,P <0.05),“细胞外结构”(~3倍,P<0.05)等。同时,另外一些功能类别,包括“碳水化合物转运和代谢”,“翻译,核糖体结构”等,在RNA水平高度表达(2-6倍, P<0.05)(图1和图2b,c)。这表明,宿主表型表现可能与瘤胃微生物活性(在RNA水平上)相关,因此在RNA水平上的分析更可以代表瘤胃微生物组与宿主表型表现之间的联系。

 

图2 瘤胃宏基因组和宏转录组数据之间可区分的微生物功能类别

 

3、M-和T-转录组之间的比较

根据PCA分析,T-和M-转录组之间的总体功能类别,未显示出明显差异(图3a,b)。同时,基于两种功能类别和表达基因进行分析,在T-和M-转录之间检测到强相关性(图3c,d)。

 

使用DESeq2分析比较T-和M-转录的各个功能类别的丰度,鉴定出10个有明显差异的功能类别(P<0.05)(图3c)。同时,DESeq2分析显示2050个基因在T-和M-转录之间具有不同的丰度(FDR<0.05),并且其中大多数在M-转录中较低。

 

图3 T-和M-转录组的微生物功能谱

 

4、瘤胃微生物群的组成概况

T-转录组中,745,816个序列代表细菌的16S rRNA V1-V3区和古菌的16S rRNA V6-V8区。通过这些数据,鉴定出108个细菌属和24个古菌种。细菌属水平上,Prevotella(11.94±0.49%),Treponema(11.25±0.95%)等的丰度较高。古菌种水平上,丰度最高的是Methanobrevibacter(27.58±1.82%)(图4)。

 

图4 三种品种中丰度最高(top10)的瘤胃微生物类群

 

5、品种对瘤胃微生物群的影响

在三个品种的肉牛中,检测到不同的微生物类群(图4)。在主坐标分析(PCoA)中,也显示HYB中的瘤胃细菌和古菌群落与 ANG和CHAR中的不同(图5)。约50%的微生物类群受到品种的影响,包括55个细菌属和10个古菌种。

 

来自三个品种的瘤胃微生物组,在DNA水平上显示出可区分的功能类别,特别是HYB的微生物组,与ANG和CHAR显著不同(图6a)。而在转录组水平上,三个品种之间的差异并不明显(图6b,c)。

 

图5 主坐标分析(PCoA)三个品种的瘤胃微生物组成概况

 

图6 三个品种肉牛的微生物功能特征

 

6、H-RFI和L-RFI之间的微生物组成特征

对每个品种的瘤胃微生物组成与饲料效率之间的关系进行分析,对于细菌类群,Firmicutes的相对丰度(L-RFI:28.56±1.82%;H-RFI:22.45±2.14%;P=0.042)和Chloroflexi的相对丰度(L-RFI:0.05±0.01%;H-RFI:0.03±0.01%;P=0.046),在H-和L-RFI (CHAR)之间是不同的。对于古菌,HYB和CHAR中,在H-和L-RFI之间分别检测到多种类群的丰度差异,但在ANG的两个RFI组,未检测到差异古菌(表3)。

 

表3 三个牛肉品种RFI组间差异微生物类群的相对丰度

 

7、H-RFI和L-RFI之间的微生物功能差异

对于ANG,在M-转录组水平上,其中“RNA加工和修饰”功能,显示L-RFI动物的丰度高于H-RFI动物的丰度(P=0.021)。对于CHAR,在基因组水平上,其中“细胞周期控制”和“次级代谢物生物合成”功能, H-RFI动物的丰度高于L-RFI动物的丰度(P=0.008;P=0.033)。对于HYB,基因组水平上的“细胞内运输,分泌和囊泡运输”功能和转录组水平上的“细胞运动性”功能,H-RFI动物的丰度高于L-RFI动物的丰度(P=0.001;P=0.044;P=0.013)。

 

T-转录中,RFI组之间有38个差异基因,其中HYB中28个,CHAR中有10个,ANG中没有。M-转录中,RFI组之间有14个差异基因,其中HYB中有12个,CHAR中2个,ANG中没有。并且,在H-RFI中差异基因的丰度高于在L-RFI中差异基因的丰度(图7a-c)。这表明,低效个体的瘤胃微生物能够发酵更广泛的底物并且可以产生更多的产物。高效个体具有相对简单的瘤胃微生物功能和较低的活性,可能产生更多特异性产物,可被宿主更有效地吸收和利用。

 

图7 宏基因组(a),T-转录组(b)和M-转录组(c),H-和L-RFI组之间的差异基因/转录产物

 

研究结论

1、研究对3个品种肉牛的瘤胃微生物群进行宏基因组及宏转录组测序,分析了瘤胃微生物组在DNA和RNA水平上的功能类别。

2、对宏基因组和宏转录组功能类别进行了比较,发现在DNA水平上和RNA水平上的功能类别差异较大,在RNA水平上的分析更可以代表瘤胃微生物组与宿主表型表现之间的联系。

3、对瘤胃微生物组成进行分析,展示了品种对瘤胃微生物群的影响。

4、比较高饲料转化率与低饲料转化率(H-RFI和L-RFI)的肉牛之间微生物组成和功能差异,表明高效个体具有相对简单的瘤胃微生物功能和较低的活性,可能产生更多特异性产物,可被宿主更有效地吸收和利用。

 

亮点

研究将宏基因组和宏转录组测序分析相结合,通过分析微生物组成,功能类别和基因表达,证实了瘤胃微生物组与宿主品种和饲料效率的关联。另外,研究表明宏转录组可能是一种将瘤胃微生物与宿主表型联系起来的有效方法。

 

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