姜雨教授团队联合北京畜牧兽医研究所公布了世界上首个牛羊瘤胃原虫基因组目录集

2022年8月19日，姜雨教授团队、北京畜牧兽医研究所姚斌院士团队和美国俄亥俄州立大学于忠堂教授在ISME Journal杂志上发表了一篇题为 Genomic insights into the phylogeny and biomass-degrading enzymes of rumen ciliates 的文章。文章公布了世界上首个瘤胃原虫的基因组目录集，发现其是一类可媲美肠道真菌的降解微生物，厘清了其系统发育关系和分类学框架，鉴定出1个新的科，2个新的属和2个新的种以及33000多个非冗余的碳水化合物活性酶（CAZymes）。

牛羊等反刍动物可以将人类不可食用的植物秸秆等资源转化人类可食用的高质量的肉和奶，缓解了人畜争粮的问题。这一功能归因于反刍动物强大的瘤胃微生物发酵系统。近年来，相继发表万余个瘤胃细菌、古菌和真菌的基因组，并解析了其系统发育学和生态功能。而瘤胃原虫是人类最早(1843年)发现的一类瘤胃微生物，其可占据瘤胃微生物生物量的50%，且在瘤胃微生态系统中扮演着重要角色，比如与细菌的捕食、共生和竞争关系。但由于其不能纯培养，而通过传统的单培养和驱除原虫的方式均不能排除共生微生物的干扰，其代谢功能一直是个未解之谜。由于原虫捕食细菌且与甲烷菌具有共生关系，科学家们倾向于认为瘤胃原虫对饲料降解和环境保护是不利的，并进行了长达近百年的驱除试验。本团队成员之前的研究发现，驱除原虫仅短期会降低瘤胃甲烷产量，长期反而提高了甲烷产量，而且驱除原虫后瘤胃纤维降解率会降低(JASB，2018)。这种有悖于传统认知现象，驱动了团队进一步的机理探究。此项目旨在通过基因组的手段规避细菌和古菌等共生微生物的干扰，进而通过比较基因组学和功能基因组学的手段解析其系统发育、基因组进化和生态功能。

通过创建整套纤毛虫单细胞全基因组测序的组装和识别流程，共获得了奶牛、肉牛和奶山羊瘤胃中22个形态种的52个高质量基因组(完整度>80%)。在52个高质量基因组中，具有端粒的序列占基因组总序列的14%-92% (平均61%)。其中Oph. caudatus SAGT3完整染色体数量高达26,497条，另外其还有33,578条具有单端端粒的不完整染色体，所以其染色体的数量至少有43,286条。这远高于已发现的水生纤毛虫的染色体数量，Oxytricha trifallax (16,000)、Halteria grandinella (23,000) (Swart et al., 2013; Zheng et al., 2021)，成为目前自然界中发现单倍体染色体数量最高的物种。利用这些基因组构建了瘤胃纤毛虫的分类学和系统发育框架，将22个形态种修改为19个物种和13个属。其中我们发现了9个同义物种和2个隐形物种，提议的2个新的属和1个新的科。另外纤毛虫的片段化（一条染色体仅编码一个基因）和非片段化基因组首次在同一个纲中被发现，通过系统发育关系推测等毛科的非片段化基因组属于独立起源事件。利用构建的纤毛虫的基因组目录对901个已发表的瘤胃宏基因组数据重分析发现，纤毛虫的reads在宏基因组测序reads中可高达72%，平均为12%，这极大地促进了瘤胃宏基因组数据的解析。