由于瘤胃中共生微生物的活動(dòng)，反芻動(dòng)物(牛咀嚼)動(dòng)物如牛，綿羊和山羊的消化道將木質(zhì)纖維素植物物質(zhì)轉(zhuǎn)化為用于營(yíng)養(yǎng)的短鏈脂肪酸，具有無(wú)與倫比的效率。瘤胃微生物在允許反芻動(dòng)物家畜分解食物中起著至關(guān)重要的作用，并生產(chǎn)牛奶，肉類和羊毛，這有助于支持全球超過(guò)10億人的生計(jì)和糧食安全。然而，這一過(guò)程也是溫室氣體甲烷(CH4)中受人類影響最大的單一來(lái)源，這些動(dòng)物每年向大氣中釋放約1.38億美國(guó)短噸CH4。

了解瘤胃微生物組的多樣性和功能是開發(fā)支持反芻動(dòng)物有效全球食品生產(chǎn)同時(shí)減少甲烷排放的技術(shù)和實(shí)踐的關(guān)鍵一步。另外，對(duì)于鑒定用于將植物原料轉(zhuǎn)化為生物燃料和生物產(chǎn)物的生物技術(shù)相關(guān)酶存在相當(dāng)大的興趣。

2018年3月19日，在Nature Biotechnology上報(bào)道由威廉(比爾)凱利領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，曾任新西蘭農(nóng)業(yè)研究中心草原研究中心，并包括美國(guó)能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)的科學(xué)家，該研究所是美國(guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。從Hungate1000系列培育和測(cè)序的瘤胃微生物基因組和分離物的參考目錄。該系列是迄今為止最大的目標(biāo)培養(yǎng)和測(cè)序項(xiàng)目之一，是通過(guò)全球瘤胃微生物研究人員的協(xié)調(diào)努力制作的。在項(xiàng)目開始時(shí)，只有14種細(xì)菌和一種產(chǎn)甲烷菌的參考基因組。Hungate目錄現(xiàn)在包含了共有501個(gè)基因組 - 這項(xiàng)研究新生成的410個(gè)基因組，另外還有91個(gè)已經(jīng)從其他研究中公開獲得。

縮放瘤胃微生物學(xué)

“JGI是基于序列的研究的開展，實(shí)現(xiàn)和民主化的世界領(lǐng)先者，也是為數(shù)不多的科學(xué)領(lǐng)域之一。除了序列生成，數(shù)據(jù)處理和大型計(jì)算資源之外，我們還帶來(lái)了豐富的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)。幫助彌合從序列到生物學(xué)的差距，“JGI計(jì)算生物學(xué)家，該論文的共同第一作者Rekha Seshadri說(shuō)。

該項(xiàng)目的名字是為了紀(jì)念已故的羅伯特·洪加特(1906-2004)，他是一位開創(chuàng)性的微生物學(xué)家，他發(fā)明了一種廣泛使用的嚴(yán)格培養(yǎng)厭氧菌的方法，這種方法現(xiàn)在以他的名字命名。

Kelly指出，這項(xiàng)工作是2012年2月在新西蘭舉行的瘤胃微生物學(xué)家會(huì)議上提出的JGI社區(qū)科學(xué)計(jì)劃(CSP)2012提案的高潮。前JGI主任Eddy Rubin是會(huì)議的與會(huì)者之一。 JGI剛剛發(fā)表了第一篇關(guān)于科學(xué)的瘤胃宏基因組研究，他對(duì)可能的測(cè)序規(guī)模的看法鼓勵(lì)了一個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目的發(fā)展。

凱利說(shuō)：“我們的生成Hungate基因組目錄的工作提供了經(jīng)典的微生物學(xué)與獨(dú)立于微生物培養(yǎng)的現(xiàn)代技術(shù)之間的聯(lián)系，這些微生物學(xué)提供了厭氧(特別是瘤胃)微生物學(xué)的培養(yǎng)基礎(chǔ).DNA和RNA序列分析相結(jié)合現(xiàn)在可以用基因組測(cè)序，表征的培養(yǎng)菌株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，開始揭示瘤胃微生物群落功能的復(fù)雜性。“

“如果我們一起做事，這個(gè)項(xiàng)目就是科學(xué)如何迅速發(fā)展的一個(gè)很好的例子，”研究共同第一作者Sinead Leahy補(bǔ)充說(shuō)，現(xiàn)在新西蘭農(nóng)業(yè)溫室氣體研究中心。“該項(xiàng)目有助于進(jìn)一步填補(bǔ)我們對(duì)厭氧微生物知識(shí)的空白，因?yàn)樗鼘ｉT針對(duì)專門的厭氧瘤胃環(huán)境，并報(bào)告來(lái)自尚未進(jìn)行分類學(xué)分類或表型特征但是最豐富的瘤胃微生物的菌株的基因組序列“。

科學(xué)亮點(diǎn)

Hungate目錄包含瘤胃報(bào)告的75%的屬級(jí)分類群。研究人員能夠?qū)蝹€(gè)微生物分配到與瘤胃功能相關(guān)的主要代謝途徑中。他們報(bào)告說(shuō)，總的來(lái)說(shuō)，基因組目錄編碼了近33,000種可以分解植物細(xì)胞壁的降解碳水化合物活性酶。其他代謝亮點(diǎn)和瘤胃微生物組的進(jìn)化小插曲在手稿中提供。他們注意到一個(gè)有趣的進(jìn)化實(shí)例，即基因喪失的普遍保守烯醇酶，糖酵解中的倒數(shù)第二個(gè)酶，即將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸的代謝途徑。討論了瘤胃特異性適應(yīng)，例如B12的從頭合成和瘤胃微生物群的潛在垂直遺傳。

為了測(cè)試Hungate集合作為支持宏基因組分析的資源的價(jià)值，從參考基因組的140萬(wàn)個(gè)編碼序列(CDS)中搜索來(lái)自8,000多個(gè)不同宏基因組樣本的~19億個(gè)CDS，存儲(chǔ)在綜合微生物基因組和微生物組中( IMG / M)數(shù)據(jù)庫(kù)。IMG / M系統(tǒng)支持微生物基因組和微生物組的注釋，分析和分發(fā)。

大多數(shù)Hungate基因組確實(shí)存在于可用的瘤胃宏基因組中。“然而，與人類微生物組存在顯著重疊 - 幾乎三分之一的物種在人體消化系統(tǒng)樣本中檢測(cè)到，無(wú)意中增加了人類微生物組研究的參考集.IMG是序列數(shù)據(jù)綜合的綜合資源環(huán)境元數(shù)據(jù)(這是關(guān)鍵)，沒有它，這些觀察結(jié)果就不會(huì)發(fā)生，“Seshadri說(shuō)。將微生物組數(shù)據(jù)整合到所有棲息地類型以實(shí)現(xiàn)新的相關(guān)性和發(fā)現(xiàn)的重要性，是最近提出的國(guó)家微生物組數(shù)據(jù)協(xié)作(NMDC)的主要支柱之一，其中JGI正在發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用。

瘤胃微生物學(xué)資源

“該出版物標(biāo)志著對(duì)瘤胃微生物學(xué)的重大貢獻(xiàn)，基因組序列與其相應(yīng)的文化相結(jié)合，將使Hungate Collection成為世界各地瘤胃微生物群體的優(yōu)秀資源，將微生物基因組與瘤胃功能聯(lián)系起來(lái)，并揭示了被稱為世界上最大的商業(yè)發(fā)酵過(guò)程，“AgResearch的Kelly，Leahy和Graeme Attwood在聯(lián)合聲明中說(shuō)。