凌恩生物客户南京农业大学毛胜勇教授团队再次在国际权威期刊《Microbiome》（IF=16.837）发表题为“Metagenomic insights into the microbe-mediated B and K2 vitamin biosynthesis in the gastrointestinal microbiome of ruminants”研究论文，通过宏基因组手段全面分析了参与反刍动物维生素B族和K2生物合成的胃肠道微生物基因和基因组，揭示了维生素生物合成在胃肠道中的分布特点和饮食的影响，并特别分析了菌群的钴胺（维生素B12）生物合成。
期刊：Microbiome
影响因子：16.837
发表时间：2022
样本类型：瘤胃内容物
客户单位：南京农业大学
研究背景
维生素是动物维持正常生理功能而必需的一类小分子化合物。在维生素家族中，B族维生素（VB）主要作为辅酶，参与动物体内碳水化合物代谢，维生素K2（VK2）起着加速凝血和维持凝血的作用。先前研究表明，反刍动物瘤胃微生物可合成VB和VK2，但除瘤胃外的其它胃肠道区段的微生物能否合成VB和VK2？合成VB和VK2的主要胃肠道微生物种群组成有哪些？日粮结构对胃肠道微生物介导的VB和VK2合成有怎样的影响？这些问题尚不清楚。
实验设计
本研究在团队前期构建的反刍动物胃肠道微生物基因集和基因组集的基础上（凌恩客户文章|《Microbiome》：宏基因组构建反刍动物全消化道超1万个MAGs新进展），收集了已发表的7,052个反刍动物胃肠道微生物基因组，分析与VB和VK2有关的微生物基因组及通路。通过改变日粮结构，探究营养调控对奶牛瘤胃中VB和VK2合成的影响规律。
图1实验设计和取样
实验结果
1、整个GIT中的B族和K2维生素生物合成丰度
根据从7个反刍动物（奶牛、水牛、牦牛、山羊、绵羊、狍和水鹿）的370个GIT样本中产生的已发表的反刍动物胃肠微生物基因目录，确定了1,135,807个基因和167个Kos，这些基因涉及八种VB和VK2的de novo生物合成途径。在这些途径中，参与泛酸盐生物合成途径的基因丰度最高，而参与甲萘醌的途径基因丰度最低。
反刍动物的维生素生物合成主要由胃和大肠微生物完成，VB和VK2生物合成的总丰度在胃微生物组中占优势，而硫胺素、烟酸和吡哆醇的生物合成在大肠中更丰富。同时发现在反刍动物GIT微生物组中，每种维生素的替代合成途径是有选择性的，几种维生素被抑制而被微生物组合成。
图2 B族和K2维生素de novo生物合成的相对丰度和分类学分布
2、维生素生物合成基因的系统发育起源
为了深入了解微生物介导的维生素代谢，研究者对这些维生素生物合成基因进行了分类分析。研究结果表明，VB和VK2生物合成基因在系统发育上属于拟杆菌门（44.24%），其次是厚壁菌门（33.24%）和变形菌门（6.15%；图2b）。此外，核波菌素、烟酸、叶酸、menaquinone等生物合成基因主要来源于拟杆菌门，占比大50%。钴胺素中，12.08%的生物合成基因被归为Euryarchaeota门，其比例远高于其他维生素。VB和VK2生物合成基因的最重要属是普氏菌属、拟杆菌属、梭菌属、瘤胃球菌属、甲烷短杆菌属、纤维杆菌属和Alistipes。
参与VB和VK2生物合成的主要微生物群在整个GIT区域都是不同的，而不同的维生素在GIT微生物群中有特定的微生物种群。
3、反刍动物GIT微生物群中钴胺素的de novo生物合成
钴胺素是一种特殊的维生素，仅由原核生物合成。微生物介导的钴胺素生物合成通过两种替代途径发生，包括需氧和厌氧途径（图3a）。在有氧途径中的相关基因的丰度较低，这表明该途径在反刍动物GIT的厌氧环境中很少存在。一些在厌氧途径中丰度较低的基因也表明，反刍动物GIT微生物群中钴胺的从头生物合成可能受到限制。
在探索GIT区域中钴胺素生物合成的分类学研究中，观察到分类种群的α多样性在胃中最高，在小肠中最低，而β多样性呈现相反的趋势（图3b）。
胃中富集的生物合成基因（如cobBCLQUPS和cbiBDK）主要分为拟杆菌门和厚壁菌门，而小肠中富集的cobIKHL和cbiHFG被分类为厚壁菌门和广古菌门。
图3反刍动物GIT微生物群中钴胺素的从头生物合成
4、2,366个维生素de novo生物合成基因组的汇总
本研究从17,425个非冗余基因组中获得了5,318个高质量（>90%完整性和<5%污染）基因组（图4a）。在基因组注释分析中，有2,366个基因组被预测为de novo合成至少一种VB或VK2。这2,366个基因组的大小范围为1.19-7.74 Mb，GC含量范围为24.21-74.64%（图4b）。
通过对这些基因组的维生素合成能力进行评估，发现1,135个基因组可以合成一种维生素，1,167个基因组可以合成2到4种维生素，32个基因组可以合成7种维生素（图4e）。没有基因组可以从头合成所有9种维生素，只有4个基因组可以合成8种维生素。这表明，大多数微生物可能通过微生物之间的相互作用获得非合成的维生素。
此外，作者在分类和功能水平上比较了这些产生维生素的基因组（VPGs）和其他不产生维生素的基因组（NPGs）。发现有几个门含有更多合成维生素的基因组，包括拟杆菌门、变形菌门、放线菌门等（图3d）。此外，作者还比较了VPGs和NPGs之间的代谢途径，得到73个只存在于VPGs，与多种功能性代谢途径相关的KOs。这些结果表明，维生素可能是维持反刍动物GIT微生物群中维持次生代谢物生物合成、嘌呤代谢和氨基酸生物合成的必要辅酶。
图4 2,366个基因组被鉴定为合成B族和K2维生素
5、675个与钴胺素生物合成相关的基因组的比较基因组学
钴胺素从头合成途径主要由普雷沃氏菌属、甲烷短杆菌、拟杆菌、梭状芽孢杆菌和瘤胃球菌属成员完成。制作者比较了这5个属中含有部分钴胺素生物合成基因的622个基因组（PCGs）和53个具有完整的钴胺素de novo生物合成基因的基因组（CCGs）。结果表明，CCGs包含厌氧途径等途径中所有不可缺少的基因，但缺乏好氧途径中最不可缺少的基因，表明它们通过厌氧途径处理钴胺素合成。相反，PCG 缺乏需氧途径中最不可或缺的基因。此外，作者发现反刍动物GIT微生物群系普遍具有钴胺素的利用能力，但只有少数微生物基因组具有完整的钴胺素生物合成途径。
图5 675个VPGs的钴胺素生物合成的基因组比较
6、高谷物日粮对瘤胃微生物群维生素生物合成的影响
作者通过重新分析以前饲喂高草料（CON）和高谷物（HG）日粮的奶牛瘤胃微生物组数据，研究了饮食变化对牛瘤胃微生物群维生素生物合成的影响。研究发现，HG饮食对瘤胃中的VB和VK2合成的微生物组产生了显著影响，瘤胃中钴胺素合成相关微生物基因的总丰度显著降低。HG组的大多数维生素生物合成增强，只有钴胺合成被抑制，这表明膳食纤维素对钴胺生物合成至关重要。
图6 CON组和HG组间B和K2维生素生物合成的比较
研究结论
本研究收集了已发表的7,052个反刍动物胃肠道微生物基因组，鉴定出参与VB和VK2合成的1,135,807个微生物基因和167个Kos，发现其中的2,366个微生物基因组含有能够从头合成VB和VK2的基因。论文构建了胃肠道微生物合成VB和VK2的分子路径，厘清了合成VB和VK2的关键胃肠道微生物种群结构，发现微生物合成的钴胺素在胃肠道微生物和宿主互作中起着重要介质作用。同时揭示了日粮结构变化对奶牛瘤胃中VB和VK2合成的影响规律，发现饲喂高精料日粮显著降低了奶牛瘤胃中钴胺素合成相关微生物基因的总丰度。研究结果为通过靶向营养调控促进反刍动物胃肠道微生物合成VB和VK2提供了理论依据。
参考文献
Metagenomic insights into the microbe-mediated B and K2 vitamin biosynthesis in the gastrointestinal microbiome of ruminants. Microbiome, 2022.
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