研究揭示反芻動物瘤胃功能創新的多種遺傳進化機制

2020-11-30 生物谷

 

西北農林科技大學動物科技學院反芻動物遺傳與進化研究中心在反芻動物瘤胃進化研究領域取得了新進展，並以「Modes of genetic adaptations underlying functional innovations in the rumen」為題，於11月5日《Science China-Life Sciences》雜誌在線發表。該論文第一署名單位為西北農林科技大學，動科學院博士研究生潘香羽、蔡鈺東、博士後李宗軍、碩士研究生王妮妮、西北工業大學生態環境學院博士後陳賢情、丹麥哥本哈根大學Rasmus Heller助理教授為共同第一作者。我校姜雨教授和西北工業大學生態環境學院王文教授為共同通訊作者。

反芻動物因其獨特的前胃發酵系統和反芻行為而得名，其瘤胃是前胃發酵系統的主要器官。它與微生物的緊密協作，使得反芻動物具有了高效消化植物纖維的能力並因此獲得了獨特的進化優勢，促進了反芻動物類群的繁盛和多樣性。

反芻動物並不是唯一擁有多胃室的類群，與其分歧時間約6500萬年的鯨偶蹄目中，包括胼足亞目的駱駝和鯨河馬亞目中的河馬、鯨豚等均擁有多胃室。但由於他們食性和生態位的不同，他們的胃室特化出各自不同的特徵。瘤胃作為反芻動物進化過程中的重要器官，為系統解析其功能創新背後的遺傳進化模式，研究人員聯合國內外10多家單位收集了反芻動物類群所在的鯨偶蹄目的50種組織共897個轉錄組數據，覆蓋了其中三個擁有多胃室結構的亞目（反芻亞目、胼足亞目和鯨河馬亞目）。利用比較基因組學和比較轉錄組學方法對反芻動物瘤胃的功能創新的遺傳進化基礎進行了探究，並進一步對候選基因的功能進行了驗證。

偶蹄目多胃室物種的系統發育樹

該研究利用首次開發的組織特異表達基因篩選指標E50，鑑定到655個瘤胃相對其他組織高表達的基因。其中14.7%的基因來自食道組織，其餘的大部分募集自表皮、免疫和消化代謝等相關組織，這些基因參與的功能通路都與瘤胃已知的功能高度相關。通過比較駱駝、鯨豚和反芻動物的第一胃室的表達譜，研究結果發現瘤胃與鯨偶蹄目其他物種的第一胃室可能共享來自食道的發育起源，瘤胃不僅上調了食道表達的基因，還從其他組織募集了更多基因的表達，從而進化出不同的表皮結構、增強的酮體代謝和特異調控微生物群落結構的能力。

瘤胃基因的募集來源

更重要的是，結合反芻動物比較基因組學分析，該研究發現大多數的（77.65%）瘤胃核心基因附近富集了反芻動物特異的非編碼保守序列，並部分地被瘤胃和食道的開放染色質區域驗證，證實調控改變是器官進化遺傳機制最活躍的方式。此外，在酮體代謝通路關鍵限速酶基因HMGCS2中發生了5個反芻動物特異的胺基酸突變，酶活性試驗結果表明這些突變使得該蛋白與其他哺乳動物相比擁有更高的利用乙醯輔酶A合成羥甲基戊二醯輔酶A的酶活性，可能賦予了反芻動物更高效的能量代謝效率。抑菌圈試驗發現反芻動物新產生的基因（DEFB1和LYZ1）能夠選擇性地抑制革蘭氏陽性菌，這一結果表明通過新基因的產生，瘤胃可能具有了特異調控微生物群落的功能。

該研究揭示了瘤胃功能創新的遺傳進化基礎，鑑定到的瘤胃核心基因及其特異突變為今後研究瘤胃的發育基因調控網絡，以及瘤胃與微生物群之間的相互作用提供了一個起點。同時，該研究也為進一步優化提高反芻家畜生產性能提供了新的思路。開發出的E50方法為複雜器官的特異表達基因的研究提供嶄新的途徑，有望被廣泛使用。(生物谷Bioon.com）

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