西北高原所在高原有蹄类动物肠道微生物遗传演化方面取得新突破

有蹄类动物体内肠道微生物通过发酵将植物中的纤维素和半纤维素等复杂多糖降解为短链脂肪酸（SCFAs）等物质，作为有蹄类动物主要的能量来源。与平原近缘种相比，高原物种需要更多的能量来适应高原低氧和低温的极端气候。已有研究指出高原有蹄类动物如藏羚、藏野驴和野牦牛相对于其平原近缘种，其肠道微生物具有较高的SCFAs合成效率，但这种高SCFAs合成效率表型背后的遗传特征尚不明确。

中国科学院西北高原生物研究所动物生态与资源保护研究团队以中国境内奇蹄目（Perissodactyla）和鲸偶蹄目（Cetartiodactyla）17个常见有蹄类物种为研究对象，通过大规模宏基因组测序和组装、分箱和注释，获得131,416个宏基因组组装基因组（MAGs），其中包含22,998个高质量MAGs和11,175个菌种水平基因组（SGBs），成功构建了中国典型有蹄类物种的肠道微生物宏基因组图谱，其中60%左右的SGBs为本研究首次报道。

研究进一步揭示出，高原有蹄类肠道微生物中碳水化合物活性酶（CAZYmes）的相对丰度显著高于其平原近缘种。通过比较基因组学分析，发现以拟杆菌属（Cryptobacteroides）为代表的高原有蹄类核心菌群中，携带编码CAZYmes的插入性结构变异更加丰富。这种结构变异是高原有蹄类肠道微生物中CAZYmes高丰度表型的关键因素之一。研究首次发现，高原有蹄类肠道菌群中拥有一部分经独立演化和快速物种暴发形成的特殊菌谱，这些菌种与宿主之间不存在协同演化（co-evolution）和共物种形成（co-speciation）的关系。进一步分析显示，这些菌种的基因组中携带有更多编码CAZYmes的基因，这是高原物种肠道微生物中高丰度CAZYmes的另一个主要原因。深入分析发现，这部分菌群拥有更多与短链脂肪酸（SCFAs）相关的初级代谢基因簇。在这些基因簇中，负责复杂多糖降解的上游CAZYmes与下游负责甲酸、乙酸、丙酸和丁酸等SCFAs/VFAs合成的关键酶形成了“连锁”关系。

本研究揭示了高原有蹄类动物肠道微生物高能量代谢背后的遗传特征，为有蹄类动物肠道微生物研究提供了基因组资源，同时为理解肠道微生物功能和遗传演化及其与宿主之间相互作用及共同适应环境提供了新视角。

相关研究结果以 Large-scale metagenomic assembly provide new insights into the genetic evolution of gut microbiomes in plateau ungulates 为题于11月6日在Nature旗下国际著名期刊 npj Biofilms and Microbiomes（中国科学院一区Top）在线发表。西北高原所博士研究生徐波和和特别研究助理宋鹏飞为共同第一作者，张同作研究员为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金区域联合基金（U20A2012）、青海省自然科学基金团队项目（2023-ZJ-901T）和中国博士后面上基金（2023M743743）的资助。作者特别感谢中国科学院昆明动物研究所施鹏研究员和云南大学张志刚研究员的大力支持和帮助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41522-024-00597-3

研究涉及的17种有蹄类动物肠道微生物样本分布图

中国17种有蹄类动物肠道微生物宏基因组草图