【原】【LorMe周刊】宿主遗传与瘤胃微生物互作驱动绵羊体重变异

作者：李亚蓉，南京农业大学硕士在读，主要研究根系代谢组及根际微生物组解析。 

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍宿主遗传和瘤胃微生物之间的可能关联以及对宿主生长性状的作用，原文于2023年发表在《Microbiome》上。

导 读

随着全球人口增长、个人经济水平提高和城市化的推动，人们对肉类的需求持续增长。与此同时，消费者对低脂肪肉类的健康关注也在逐渐增加。不过，绵羊中较高的体重往往伴随着过多的脂肪沉积。因此，在绵羊肉类生产中，迫切需要找到平衡产量和健康性的方法，需要全面了解控制体重（BW）的机制，并制定新的育种干预策略。除了传统育种方法，调控肠道微生物群也成为控制体重的潜在途径。可遗传的瘤胃微生物在绵羊的生长性能中扮演着重要的角色。然而，我们对绵羊宿主遗传和瘤胃微生物之间相互作用以及它们与表型之间的关系了解甚少。本文作者对1150只绵羊的全基因组重测序基因型、16S瘤胃微生物和体重（BW）表型进行了整理和分析。

图1. 实验设计

结 果

1．瘤胃微生物组成

为了确定宿主与瘤胃微生物之间是否存在共生关系，作者研究了可能对瘤胃生态系统至关重要的微生物属。共鉴定出 430 个属，其中17个属构成了核心瘤胃微生物群（在全部个体中存在），其累积丰度占总丰度的 75% 以上（图2）。通过Spearman相关性构建了瘤胃微生物共生网络（P < 0.05 & |r| > 0.60），以确定微生物群落间具有高度连接性的15个关键属（图2）。这些属在瘤胃微生态系统中扮演着关键的角色，是微生物群落结构和功能的潜在驱动力，尤其是Christensenellaceae R-7 group，Lachnospiraceae NK3A20 group和NK4A214 group，它们在核心微生物和关键类群中都被鉴定出来。

图2. 绵羊瘤胃微生物属的组成

2．影响绵羊瘤胃微生物的宿主遗传学

接下来，作者评估了瘤胃微生物特征的遗传力，这些特征包括微生物群落丰富度、Chao1、ACE、Shannon指数、厚壁菌门:拟杆菌门比例（F:B）以及前五个主坐标（PCoAs）。研究发现，64%量化的瘤胃属（52/81）和九个群落特征是显著可遗传（PLRT < 0.05）。此外，二分类瘤胃属中，有22%（47/209）被确认为具有遗传性。总的来说，瘤胃中的厚壁菌门成员是最主要的可遗传分类群，其次是拟杆菌门。这些可遗传属的总丰度高达73%，平均丰度为57%。此外，F:B比率可以反映人类和其他哺乳动物的肥胖情况，也具有遗传性（0.15，PLRT = 0.02）。

为更深入地了解宿主遗传对瘤胃微生物的影响，作者探究了宿主遗传变异与80个瘤胃微生物（在1150只绵羊的队列显著可遗传，PLRT < 0.05）之间的关联（mbGWAS）。使用显著性阈值2.16e-09（Bonferroni校正）识别出171个关联，涉及171个SNP位点和28个微生物特征（图3）。最显著的关联是Prevotellaceae Ga6A1 group与SNP：rs405050318（P = 3.13E-13）。两个遗传变异rs427324596和rs417318619同时与六个不同的微生物属相关。对于四个α多样性指数和F:B，观察到217个SNP位点和259种关联。其中，两个SNP rs427324596和rs417318619同时与四个指数显著关联。对可遗传瘤胃微生物候选基因的选择进一步提高了在生产中诱导特定微生物群的可行性，以进一步调节宿主表型和生产性能。

图3. 绵羊遗传变异与可遗传瘤胃微生物间的全基因组关联分析

3．可遗传瘤胃微生物影响绵羊体重

为了探讨宿主遗传和瘤胃微生物对绵羊体重的贡献程度，作者分别评估了六个体重性状的遗传力（h²）和微生物贡献（m²），以及将宿主遗传和瘤胃微生物同时作为表型变异的组成部分，再次评估h2和m2，这些模型的结果基本一致（图4a）。宿主遗传和瘤胃微生物对180天龄体重的综合贡献为52%。具体而言，遗传力为0.35（归因于宿主遗传的表型方差比例），微生物贡献为0.17（归因于瘤胃微生物的表型方差比例）。

以上，作者证明了宿主遗传可以影响绵羊瘤胃微生物，而且可能与瘤胃微生物一起作用于绵羊体重。作者采用MWAS以确定可能调节绵羊体重变异的微生物类群。从这个分析中，识别出四个属，包括Lachnospiraceae ND3007 group, Rikenellaceae RC9 gut group, Syntrophococcus以及Oribacterium，并且它们都是可遗传的，与180天龄体重显著相关。其中，Lachnospiraceae ND3007 group和Rikenellaceae RC9 gut group是中度可遗传的核心微生物，分别解释了180天龄体重变异的10.85%和10.32%（图4c，d）。随后探究了与体重相关的微生物标志物与瘤胃代谢特征之间的潜在关系，进一步强调了可遗传瘤胃微生物，特别是核心和关键类群，在绵羊宿主表型中的关键作用。

图4. 

a 体重性状的遗传力（h²）和微生物贡献（m²）；b 微生物关联研究（MWAS）的曼哈顿图，四个细菌类群与绵羊180日龄体重显著相关（Bonferroni校正后的P值小于0.05），红色标签表示该细菌类群是核心微生物，绿色标签表示该细菌类群是关键类群；c和d 拟合线性模型以确定瘤胃标记属与体重之间的关系；e 显示瘤胃标记属与瘤胃挥发性脂肪酸和瘤胃形态之间的相关性。

4．宿主遗传对瘤胃微生物的递归影响驱动体重变异

尽管宿主遗传和瘤胃微生物共同影响绵羊体重，但结果显示，宿主遗传和瘤胃微生物并不独立，存在一些与体重相关的微生物受体重相关的遗传变异控制。在这种情况下，绵羊基因组可能对体重性状具有直接或间接（标记微生物介导的）影响，并将这一现象定义为“递归”。

为了解答这一问题，作者将GWAS、mbGWAS和MWAS的结果数据结合起来进行分析。基于前期所发现四个于表型相关的微生物特征，鉴定了与其相关的306个SNP（mbGWAS），表明了一种通过遗传变异间接调控表型的情况，即宿主遗传通过控制与体重相关的微生物来间接影响绵羊体重。

随后，作者比较了“间接”情况中标记微生物相关SNP（mbGWAS鉴定）和体重相关SNP（GWAS鉴定）的重叠位点，以确定宿主遗传如何通过“递归”模型影响体重。发现位于OAR 9的40,691,375 bp处rs405307925（图5），同时出现在Lachnospiraceae ND3007 group和180天龄体重关联的SNP位点中。这是首次使用基因位点重叠算法在绵羊中发现影响表型的“递归”现象。为了寻找更多可能的“递归”现象，使用Kruskal-Wallis检验来检查在“间接”情况中的标记微生物相关SNP（mbGWAS鉴定）的基因型间体重是否存在差异。最终，确定了六个具有潜在递归影响绵羊体重的遗传标记。

图5. 

a和b：绵羊180 日龄体重与 Lachnospiraceae ND3007 group的全基因组关联分析（GWAS），横向红色实线表示全基因组显著性（P < 1 × 10-8）阈值；c和d为相关区域的放大图；e和f为rs405307925位点不同基因型下180 日龄体重和Lachnospiraceae ND3007 group的比较。

结 论

本研究通过对1150只胡羊羔羊的全基因组重测序基因型、16S瘤胃微生物组数据和体重表型进行整理和分析，旨在调查宿主遗传和瘤胃微生物在控制绵羊体重中的作用。研究发现瘤胃微生物具有显著的遗传性，特别是核心微生物，通过MWAS和GWAS鉴定出与体重显著相关的标记属和新的遗传变异；揭示了标记属在基因型影响表型中的调节作用，以及相同的遗传标记对羊体重具有直接和间接影响的机制，为胡羊体重的调控和肠道微生物管理策略提供理论依据。

论文信息

原名：Heritability and recursive influence of host genetics on the rumen microbiota drive body weight variance in male Hu sheep lambs

译名：宿主遗传对瘤胃微生物群的遗传和递归影响驱动雄性胡羊羔的体重变异

期刊：Microbiome

DOI：10.1186/s40168-023-01642-7

发表时间：2023.08

通讯作者：李发弟‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

通讯作者单位：兰州大学草地农业科技学院