不同個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國際研究熱點及難點。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日北京時間23:00，國際著名學(xué)術(shù)期刊《Nature》（《自然》）在線長文發(fā)表江西農(nóng)業(yè)大學(xué)豬遺傳改良與養(yǎng)殖技術(shù)國家重點實驗室黃路生院士團隊的重大研究成果：發(fā)現(xiàn)ABO血型基因通過調(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)細菌的豐度，并系統(tǒng)地闡明了其作用機理。這是目前為止，國際上整個農(nóng)業(yè)動物領(lǐng)域（豬、牛、羊、雞等）第一個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理。中國科學(xué)院院士、中國畜牧獸醫(yī)學(xué)會理事長黃路生，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)引進專家米歇爾?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畜牧學(xué)領(lǐng)域首篇《Nature》發(fā)表的研究長文，同時也是國際豬基因組與遺傳育種領(lǐng)域近20年來第三篇在《Nature》發(fā)表的研究論文（上一篇是2012年），對我國種業(yè)自主創(chuàng)新工作有重要意義。

▲兩個世代的家豬嵌合家系中研究同個體不同日齡、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腸道菌群組成的因果機制及其生物學(xué)機理。

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

　　一、發(fā)現(xiàn)同一個體不同發(fā)育階段及腸道部位菌群組成的異質(zhì)性：通過對兩個世代（F6和F7）1500個實驗個體，每個個體持續(xù)測定3個時間點（出生后25、120及240天），并在出生后第240天屠宰測定每個個體三個腸道部位（回腸、盲腸、糞便）的腸道細菌組成，證明腸道菌群的組成、豐度具有生長階段和腸道部位的廣泛特異性及多樣性。而目前國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：通過對實驗豬只的飼料、飼養(yǎng)、健康及環(huán)境條件的統(tǒng)一標(biāo)準管理，在F6和F7兩個世代中分別鑒別到1050和955個細菌分類（OTU和taxa）可遺傳，最高遺傳力可達0.598 （YRC22屬），450個可遺傳的細菌分類在F6和F7兩個世代中被重復(fù)驗證，并且部分可遺傳的細菌分類與人類腸道中的研究結(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：項目對兩個世代1430個嵌合個體進行全基因組重測序，共鑒別到3000多萬個宿主基因組變異（即基因組上每100bp就有1個變異）?；谏鲜龈叨冗z傳變異的實驗群體，對檢測到的8490個細菌分類進行了全基因組關(guān)聯(lián)分析，共檢測到1527個顯著影響846個細菌分類的豐度或存在與否的宿主基因組變異位點。

　　四、發(fā)現(xiàn)并驗證了影響特定腸道丹毒絲菌科相關(guān)細菌豐度差異的因果基因突變：通過對F6及F7兩個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350萬年前包含第8外顯子的2.3kb缺失變異。這個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)細菌的豐度差異。對300個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基因中一個具有可變第8和第9外顯子的7.4kb轉(zhuǎn)錄本表達量只有正常轉(zhuǎn)錄本的1/3，而且這個轉(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），導(dǎo)致ABO蛋白的N-乙酰半乳糖胺轉(zhuǎn)移酶失去活性?；谇逗霞蚁等后w的祖代八個家豬品種、亞洲野豬、歐洲野豬、蘇門答臘野豬、菲律賓疣豬、印度尼西亞爪哇疣豬和非洲普通疣豬，對這個ABO基因2.3kb缺失進行溯源，發(fā)現(xiàn)這個2.3kb的基因缺失突變在所有的祖代八個豬種、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序列在所有樣本中一致，從而證實豬屬中的這個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影響腸道丹毒絲菌豐度的機制：ABO基因2.3kb的缺失（O型血個體）導(dǎo)致編碼的蛋白質(zhì)無N-乙酰半乳糖胺轉(zhuǎn)移酶活性，因此無法把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基因型個體腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度降低，從而影響依賴N-乙酰半乳糖胺作為碳源的細菌的生長?；谏鲜黾僭O(shè)，系統(tǒng)開展了以下工作：

　　1. ABO血型顯著影響腸道糖胺濃度：在屠宰測定的278頭實驗豬中，使用靶向代謝組方法測定AA、AO和OO基因型個體盲腸內(nèi)容物中N-乙酰半乳糖胺濃度，證實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)細菌豐度：在對屠宰測定的278頭實驗豬分析盲腸中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)細菌豐度仍顯著相關(guān)，表明ABO血型是通過影響腸道中N-乙酰半乳糖胺濃度從而影響丹毒絲菌科相關(guān)細菌豐度。

　　3. 分離目標(biāo)細菌，基于基因組全長測序，探尋目標(biāo)細菌利用糖胺的分子機制：（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)細菌的16S rRNA基因序列相似性達到100%及99.8%的菌株，并用三代測序獲得了兩株菌的全基因組序列。（2）利用宏基因組測序，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個個體3111個宏基因組組裝基因組（包含248個丹毒絲菌科基因組）作為對照，系統(tǒng)分析了24個參與N-乙酰半乳糖胺利用的基因，包括11個與N-乙酰半乳糖胺轉(zhuǎn)運相關(guān)基因、2個GalNAc-6P去乙酰酶基因、2個六磷酸半乳糖胺異構(gòu)酶/脫氨酶基因、3個六磷酸塔格糖激酶基因、4個1,6-二磷酸塔格糖醛縮酶基因和2個調(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個宏基因組組裝基因組中的分布情況。發(fā)現(xiàn)與GalNAc轉(zhuǎn)運和代謝相關(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。通過計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個其它菌種最低。

　　4. 體外培養(yǎng)實驗證實，目標(biāo)丹毒絲菌利用糖胺的轉(zhuǎn)錄機制：利用體外培養(yǎng)基培養(yǎng)分離的目標(biāo)丹毒絲菌科菌株，添加糖胺促進了目標(biāo)菌株生長；收集并測定菌株轉(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)運和代謝相關(guān)的操縱子樣基因簇一直處于表達狀態(tài)，與是否添加N-乙酰半乳糖胺GalNAc誘導(dǎo)無關(guān)；而對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；

　　5. 證實受ABO血型影響的丹毒絲菌確實可利用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小時后收集菌體培養(yǎng)物進行C13標(biāo)記的代謝物測定，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，該代謝流實驗進一步證實了受ABO血型影響的丹毒絲菌科菌株能夠利用GalNAc。

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

　　項目發(fā)現(xiàn)的主要意義：項目歷時十幾年，通過對兩個世代1500多個個體，每個個體三個生長階段和三個腸道部位共5100多個樣品的系統(tǒng)研究，有力證明宿主遺傳會影響腸道菌群的組成和豐度。發(fā)現(xiàn)并驗證ABO血型基因的一個350萬年前的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)細菌豐度的下降。這是國際上所有農(nóng)業(yè)動物（豬、牛、羊、雞等）中第一個被發(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)對于借助同樣的手段研發(fā)宿主遺傳通過影響腸道菌群調(diào)節(jié)飼料轉(zhuǎn)化效率和促進生長新技術(shù)，培育節(jié)糧型和快長型新品種具有重要參考意義。同時，項目研究發(fā)現(xiàn)的丹毒絲菌科在人類中報道與肥胖、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相似，特別是相比較于小鼠，其腸道菌群組成與人類更為相似。因此，利用豬作為模式動物，從腸道菌群和宿主基因互作出發(fā)研究人類上述疾病發(fā)病機理及菌群調(diào)控技術(shù)也具有重要的參考意義。

　　作者簡介： 

　　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“博新計劃”獲得者。2017年受聘江西農(nóng)業(yè)大學(xué)“未來之星”特聘崗，主要研究領(lǐng)域為豬重要經(jīng)濟性狀與腸道微生物、菌群與宿主遺傳互作。先后主持和參與國家級和省部級課題6項，累計發(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。先后參與國家級科研項目2項，累計發(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等國際領(lǐng)域SCI刊物上發(fā)表論文2篇，國內(nèi)A類刊物發(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，德國哥廷根大學(xué)農(nóng)學(xué)博士，江西省高層次人才理事會副秘書長。主要從事豬腸道菌群與宿主基因互作研究和教學(xué)工作。先后主持或參與國家級科研項目10余項，累計發(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等國際領(lǐng)域內(nèi)重要SCI刊物上發(fā)表論文36篇，在國內(nèi)A類刊物發(fā)表論文12篇。作為主要參與者獲國家教學(xué)成果二等獎、國家科技進步二等獎、江西省科技進步一等獎、江西省科技進步二等獎、中華農(nóng)業(yè)科技獎優(yōu)秀創(chuàng)新團隊獎、中國僑界貢獻獎（創(chuàng)新人才獎）各1項。

　　通訊作者：黃路生，1965年生；中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，中國畜牧獸醫(yī)學(xué)會理事長，國家畜禽遺傳資源委員會主任。德國洪堡學(xué)者，國家杰出青年基金獲得者。長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”各項性能全面超過美國，處于世界領(lǐng)先水平并已成為中國家豬育種主流技術(shù)。在產(chǎn)品創(chuàng)造上，培育的華系種豬第一父本達到國際先進水平。以第一主持人獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、國家科技進步二等獎、何梁何利獎、全國勞模等重要獎勵。 

　　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)國家重點實驗室