不同個(gè)體的腸道菌群組成各不相同并且與健康密切相關(guān)，宿主的遺傳變異是否以及如何影響其自身的腸道菌群組成是一個(gè)國(guó)際研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)。由于受到環(huán)境、飲食、健康狀況以及宿主遺傳變異的多重影響，許多研究（尤其是在人類(lèi)中的研究）難于被重復(fù)，因此在Nature及其子刊發(fā)表了不少爭(zhēng)論性文章。

▲江西農(nóng)業(yè)大學(xué)官網(wǎng)截圖

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　　4月27日北京時(shí)間23:00，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature》（《自然》）在線長(zhǎng)文發(fā)表江西農(nóng)業(yè)大學(xué)豬遺傳改良與養(yǎng)殖技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃路生院士團(tuán)隊(duì)的重大研究成果：發(fā)現(xiàn)ABO血型基因通過(guò)調(diào)節(jié)N-乙酰半乳糖胺濃度顯著影響豬腸道中丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌的豐度，并系統(tǒng)地闡明了其作用機(jī)理。這是目前為止，國(guó)際上整個(gè)農(nóng)業(yè)動(dòng)物領(lǐng)域（豬、牛、羊、雞等）第一個(gè)鑒別到宿主基因組影響腸道菌群組成的因果突變并系統(tǒng)闡明了其中的作用機(jī)理。中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)黃路生，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)首席教授陳從英、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)專(zhuān)家米歇爾?喬治教授為文章共同通訊作者，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)楊慧博士、吳金鴛博士為文章共同第一作者。

▲《Nature》截圖

　　這是迄今為止江西省和中國(guó)畜牧學(xué)領(lǐng)域首篇《Nature》發(fā)表的研究長(zhǎng)文，同時(shí)也是國(guó)際豬基因組與遺傳育種領(lǐng)域近20年來(lái)第三篇在《Nature》發(fā)表的研究論文（上一篇是2012年），對(duì)我國(guó)種業(yè)自主創(chuàng)新工作有重要意義。

▲兩個(gè)世代的家豬嵌合家系中研究同個(gè)體不同日齡、不同腸道部位腸道菌群組成與豐度的遺傳力，解析宿主遺傳變異對(duì)腸道菌群組成的因果機(jī)制及其生物學(xué)機(jī)理。

　　針對(duì)這一世界難題，項(xiàng)目組以家豬為研究材料，為了增加宿主個(gè)體的遺傳變異，首先用12年時(shí)間構(gòu)建了一個(gè)由全世界八個(gè)不同的商業(yè)品種及中國(guó)地方豬種混合雜交而成的嵌合家系第六及第七世代群體，同時(shí)通過(guò)嚴(yán)格控制飼料、飼養(yǎng)、健康及環(huán)境條件，從以下五個(gè)方面系統(tǒng)研究并解答了這一難點(diǎn)問(wèn)題：

　　一、發(fā)現(xiàn)同一個(gè)體不同發(fā)育階段及腸道部位菌群組成的異質(zhì)性：通過(guò)對(duì)兩個(gè)世代（F6和F7）1500個(gè)實(shí)驗(yàn)個(gè)體，每個(gè)個(gè)體持續(xù)測(cè)定3個(gè)時(shí)間點(diǎn)（出生后25、120及240天），并在出生后第240天屠宰測(cè)定每個(gè)個(gè)體三個(gè)腸道部位（回腸、盲腸、糞便）的腸道細(xì)菌組成，證明腸道菌群的組成、豐度具有生長(zhǎng)階段和腸道部位的廣泛特異性及多樣性。而目前國(guó)際上通常研究中采集的糞便樣品僅能代表菌群組成的一部分；

　　二、發(fā)現(xiàn)腸道菌群組成及豐度的可遺傳性：通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)豬只的飼料、飼養(yǎng)、健康及環(huán)境條件的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)管理，在F6和F7兩個(gè)世代中分別鑒別到1050和955個(gè)細(xì)菌分類(lèi)（OTU和taxa）可遺傳，最高遺傳力可達(dá)0.598 （YRC22屬），450個(gè)可遺傳的細(xì)菌分類(lèi)在F6和F7兩個(gè)世代中被重復(fù)驗(yàn)證，并且部分可遺傳的細(xì)菌分類(lèi)與人類(lèi)腸道中的研究結(jié)果相一致，如Christensenellaece在人和豬中都具有高的遺傳力，由此證明腸道菌群的組成是可以遺傳的；

　　三、鑒別了影響不同階段及不同部位腸道菌群組成的宿主基因組變異位點(diǎn)：項(xiàng)目對(duì)兩個(gè)世代1430個(gè)嵌合個(gè)體進(jìn)行全基因組重測(cè)序，共鑒別到3000多萬(wàn)個(gè)宿主基因組變異（即基因組上每100bp就有1個(gè)變異）。基于上述高度遺傳變異的實(shí)驗(yàn)群體，對(duì)檢測(cè)到的8490個(gè)細(xì)菌分類(lèi)進(jìn)行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，共檢測(cè)到1527個(gè)顯著影響846個(gè)細(xì)菌分類(lèi)的豐度或存在與否的宿主基因組變異位點(diǎn)。

　　四、發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了影響特定腸道丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌豐度差異的因果基因突變：通過(guò)對(duì)F6及F7兩個(gè)世代大樣本家豬的系統(tǒng)遺傳解析，鑒別到家豬ABO血型系統(tǒng)中一個(gè)350萬(wàn)年前包含第8外顯子的2.3kb缺失變異。這個(gè)基因缺失變異直接導(dǎo)致了家豬腸道中丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌的豐度差異。對(duì)300個(gè)F7盲腸組織的全基因組轉(zhuǎn)錄本分析表明，該2.3kb的缺失突變導(dǎo)致ABO基因中一個(gè)具有可變第8和第9外顯子的7.4kb轉(zhuǎn)錄本表達(dá)量只有正常轉(zhuǎn)錄本的1/3，而且這個(gè)轉(zhuǎn)錄本編碼的蛋白質(zhì)丟失了62%的氨基酸序列（包括7/8的活性位點(diǎn)），導(dǎo)致ABO蛋白的N-乙酰半乳糖胺轉(zhuǎn)移酶失去活性。基于嵌合家系群體的祖代八個(gè)家豬品種、亞洲野豬、歐洲野豬、蘇門(mén)答臘野豬、菲律賓疣豬、印度尼西亞爪哇疣豬和非洲普通疣豬，對(duì)這個(gè)ABO基因2.3kb缺失進(jìn)行溯源，發(fā)現(xiàn)這個(gè)2.3kb的基因缺失突變?cè)谒械淖娲藗€(gè)豬種、亞洲和歐洲/美洲野豬以及印度疣豬中均有存在而且突變的斷點(diǎn)序列在所有樣本中一致，從而證實(shí)豬屬中的這個(gè)ABO基因2.3kb缺失屬于古老突變并存在平衡選擇。

　　五、系統(tǒng)研究并清晰探明發(fā)現(xiàn)宿主基因組因果突變位點(diǎn)影響腸道丹毒絲菌豐度的機(jī)制：ABO基因2.3kb的缺失（O型血個(gè)體）導(dǎo)致編碼的蛋白質(zhì)無(wú)N-乙酰半乳糖胺轉(zhuǎn)移酶活性，因此無(wú)法把N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）添加到腸道粘液中高度糖基化的黏蛋白上，導(dǎo)致OO基因型個(gè)體腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度降低，從而影響依賴(lài)N-乙酰半乳糖胺作為碳源的細(xì)菌的生長(zhǎng)。基于上述假設(shè)，系統(tǒng)開(kāi)展了以下工作：

　　1. ABO血型顯著影響腸道糖胺濃度：在屠宰測(cè)定的278頭實(shí)驗(yàn)豬中，使用靶向代謝組方法測(cè)定AA、AO和OO基因型個(gè)體盲腸內(nèi)容物中N-乙酰半乳糖胺濃度，證實(shí)ABO血型顯著影響腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度。

　　2. 腸道糖胺濃度直接影響丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌豐度：在對(duì)屠宰測(cè)定的278頭實(shí)驗(yàn)豬分析盲腸中N-乙酰半乳糖胺濃度和受ABO血型影響的丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌豐度的關(guān)聯(lián)性，發(fā)現(xiàn)即使是在同一種基因型的個(gè)體間盲腸內(nèi)容物中N-乙酰半乳糖胺濃度和丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌豐度仍顯著相關(guān)，表明ABO血型是通過(guò)影響腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度從而影響丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌豐度。

　　3. 分離目標(biāo)細(xì)菌，基于基因組全長(zhǎng)測(cè)序，探尋目標(biāo)細(xì)菌利用糖胺的分子機(jī)制：（1）從家豬中分離培養(yǎng)了2株與受ABO血型影響的丹毒絲科相關(guān)細(xì)菌的16S rRNA基因序列相似性達(dá)到100%及99.8%的菌株，并用三代測(cè)序獲得了兩株菌的全基因組序列。（2）利用宏基因組測(cè)序，構(gòu)建廣泛代表野豬、地方豬、商業(yè)豬不同性別、日齡、腸道部位及健康狀況的92個(gè)個(gè)體3111個(gè)宏基因組組裝基因組（包含248個(gè)丹毒絲菌科基因組）作為對(duì)照，系統(tǒng)分析了24個(gè)參與N-乙酰半乳糖胺利用的基因，包括11個(gè)與N-乙酰半乳糖胺轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因、2個(gè)GalNAc-6P去乙酰酶基因、2個(gè)六磷酸半乳糖胺異構(gòu)酶/脫氨酶基因、3個(gè)六磷酸塔格糖激酶基因、4個(gè)1,6-二磷酸塔格糖醛縮酶基因和2個(gè)調(diào)節(jié)阻遏蛋白基因在2株受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株基因組和3111個(gè)宏基因組組裝基因組中的分布情況。發(fā)現(xiàn)與GalNAc轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝相關(guān)的基因趨向于聚集在一起形成共調(diào)節(jié)的基因操縱子。通過(guò)計(jì)算和比較代謝通路值和調(diào)節(jié)子值，發(fā)現(xiàn)受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株具有更完整的GalNAc轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝通路，且代謝通路基因形成操縱子樣基因簇，其它丹毒絲菌次之，丹毒絲菌以外的2863個(gè)其它菌種最低。

　　4. 體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，目標(biāo)丹毒絲菌利用糖胺的轉(zhuǎn)錄機(jī)制：利用體外培養(yǎng)基培養(yǎng)分離的目標(biāo)丹毒絲菌科菌株，添加糖胺促進(jìn)了目標(biāo)菌株生長(zhǎng)；收集并測(cè)定菌株轉(zhuǎn)錄組分析表明，受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株與GalNAc轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝相關(guān)的操縱子樣基因簇一直處于表達(dá)狀態(tài)，與是否添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc誘導(dǎo)無(wú)關(guān)；而對(duì)照組的大腸桿菌菌株則是在添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc誘導(dǎo)后表達(dá)；

　　5. 證實(shí)受ABO血型影響的丹毒絲菌確實(shí)可利用N-乙酰半乳糖胺：使用C13標(biāo)記的GalNAc飼喂體外培養(yǎng)的受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株，在培養(yǎng)13小時(shí)后收集菌體培養(yǎng)物進(jìn)行C13標(biāo)記的代謝物測(cè)定，發(fā)現(xiàn)GalNAc的代謝產(chǎn)物如三磷酸甘油醛和磷酸二羥丙酮都被C13標(biāo)記，該代謝流實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株能夠利用GalNAc。

　　6. 無(wú)菌小鼠灌喂實(shí)驗(yàn)證實(shí)，添加N-乙酰半乳糖胺促進(jìn)了目標(biāo)丹毒絲菌科菌株的生長(zhǎng)：將10只無(wú)菌昆明系母鼠同時(shí)灌喂分離培養(yǎng)的受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株和對(duì)照的大腸桿菌菌株，平均分成兩組分別灌喂200mg/kg體重的GalNAc或?qū)φ盏臒o(wú)菌PBS，于第12天測(cè)定實(shí)驗(yàn)小鼠盲腸中丹毒絲菌科菌株和對(duì)照的大腸桿菌的豐度，證實(shí)添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc會(huì)顯著影響腸道中丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌豐度，而對(duì)照的大腸桿菌豐度則不受影響。

　　項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的主要意義：項(xiàng)目歷時(shí)十幾年，通過(guò)對(duì)兩個(gè)世代1500多個(gè)個(gè)體，每個(gè)個(gè)體三個(gè)生長(zhǎng)階段和三個(gè)腸道部位共5100多個(gè)樣品的系統(tǒng)研究，有力證明宿主遺傳會(huì)影響腸道菌群的組成和豐度。發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證ABO血型基因的一個(gè)350萬(wàn)年前的2.3kb缺失導(dǎo)致家豬腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度的降低，從而使其丹毒絲菌科相關(guān)細(xì)菌豐度的下降。這是國(guó)際上所有農(nóng)業(yè)動(dòng)物（豬、牛、羊、雞等）中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的宿主基因組影響腸道菌群的因果基因突變。該發(fā)現(xiàn)對(duì)于借助同樣的手段研發(fā)宿主遺傳通過(guò)影響腸道菌群調(diào)節(jié)飼料轉(zhuǎn)化效率和促進(jìn)生長(zhǎng)新技術(shù)，培育節(jié)糧型和快長(zhǎng)型新品種具有重要參考意義。同時(shí)，項(xiàng)目研究發(fā)現(xiàn)的丹毒絲菌科在人類(lèi)中報(bào)道與肥胖、膽固醇代謝以及結(jié)直腸癌等相關(guān)。豬的消化系統(tǒng)、基因組成和器官大小等與人類(lèi)相似，特別是相比較于小鼠，其腸道菌群組成與人類(lèi)更為相似。因此，利用豬作為模式動(dòng)物，從腸道菌群和宿主基因互作出發(fā)研究人類(lèi)上述疾病發(fā)病機(jī)理及菌群調(diào)控技術(shù)也具有重要的參考意義。

　　作者簡(jiǎn)介： 

　　第一作者：楊慧，1989年生；農(nóng)學(xué)博士，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院青年副教授，碩士研究生導(dǎo)師，人社部“博新計(jì)劃”獲得者。2017年受聘江西農(nóng)業(yè)大學(xué)“未來(lái)之星”特聘崗，主要研究領(lǐng)域?yàn)樨i重要經(jīng)濟(jì)性狀與腸道微生物、菌群與宿主遺傳互作。先后主持和參與國(guó)家級(jí)和省部級(jí)課題6項(xiàng)，累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，以第一作者或通訊作者在Nature、Frontiers in Microbiology和Journal of animal science等國(guó)際領(lǐng)域SCI刊物上發(fā)表論文7篇。

　　共同第一作者：吳金鴛，1992年生；江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)博士。主要從事腸道菌群與宿主遺傳互作、微生物培養(yǎng)組和代謝組等方面的研究。先后參與國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目2項(xiàng)，累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。以第一作者，共同一作或通訊作者在Nature、BMC microbiology等國(guó)際領(lǐng)域SCI刊物上發(fā)表論文2篇，國(guó)內(nèi)A類(lèi)刊物發(fā)表論文1篇。

　　共同通訊作者：陳從英，1975年生；江西農(nóng)業(yè)大學(xué)研究員，博士研究生導(dǎo)師，德國(guó)哥廷根大學(xué)農(nóng)學(xué)博士，江西省高層次人才理事會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)。主要從事豬腸道菌群與宿主基因互作研究和教學(xué)工作。先后主持或參與國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，累計(jì)發(fā)表學(xué)術(shù)論文60多篇，其中以第一作者或通訊作者在Nature、Nature Communications、Microbiome等國(guó)際領(lǐng)域內(nèi)重要SCI刊物上發(fā)表論文36篇，在國(guó)內(nèi)A類(lèi)刊物發(fā)表論文12篇。作為主要參與者獲國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、江西省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、江西省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中華農(nóng)業(yè)科技獎(jiǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)、中國(guó)僑界貢獻(xiàn)獎(jiǎng)（創(chuàng)新人才獎(jiǎng)）各1項(xiàng)。

　　通訊作者：黃路生，1965年生；中國(guó)科學(xué)院院士，發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士，中國(guó)畜牧獸醫(yī)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)，國(guó)家畜禽遺傳資源委員會(huì)主任。德國(guó)洪堡學(xué)者，國(guó)家杰出青年基金獲得者。長(zhǎng)期從事畜禽育種研究。在基礎(chǔ)研究上，全面系統(tǒng)解析中西方野豬及家豬種質(zhì)資源特性，鑒別的家豬主要經(jīng)濟(jì)性狀因果基因突變占全球1/3; 以通訊作者在Nature, Nature Genetics, Nature Communications，Microbiome發(fā)表重要學(xué)術(shù)成果100多篇。在技術(shù)創(chuàng)制上，自主研發(fā)的家豬育種基因芯片“中芯1號(hào)”各項(xiàng)性能全面超過(guò)美國(guó)，處于世界領(lǐng)先水平并已成為中國(guó)家豬育種主流技術(shù)。在產(chǎn)品創(chuàng)造上，培育的華系種豬第一父本達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。以第一主持人獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)、國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、何梁何利獎(jiǎng)、全國(guó)勞模等重要獎(jiǎng)勵(lì)。 

　　成果發(fā)表鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04769-z

　　供稿：省部共建豬遺傳改良與養(yǎng)殖技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室