NBT | Hungate1000瘤胃微生物组成员的培养和测序

文献信息：

文献：Cultivation and sequencing of rumen microbiome members from the Hungate1000 Collection
中文：Hungate1000瘤胃微生物组成员的培养和测序
单位：美国加利福尼亚州能源部联合基因组研究所，新西兰农业研究中心草原研究中心
杂志：NATURE BIOTECHNOLOGY
时间：2018

Hungate1000项目生成了410个在羊和牛瘤胃中发现的微生物基因组序列的参考集（当时最大规模的靶向培养和测序项目之一）。这项研究涉及了来自9个国家14个研究机构的近60名科学家，那时已产生的瘤胃微生物基因组数量达到501个。在这个项目开始之前，科学界只有15个瘤胃微生物基因组可用（science 2011）。
参考：http://www.rmgnetwork.org/hungate1000.html
参考：Nature Biotechnology最新公布410个基因组
参考：Metagenomic Discovery of Biomass-Degrading Genes and Genomes from Cow Rumen. Science 2011

摘要：

反刍家畜的生产力取决于瘤胃微生物群，它们将难以消化的植物多糖发酵成生长所需的营养物质。了解瘤胃微生物群的功能对于减少反刍动物产生的温室气体和利用木质纤维素开发生物燃料都很重要。我们提出了410种培养的细菌和古菌，以及它们的参考基因组，代表了每一个培养的瘤胃相关的古菌和细菌科。我们评估多糖降解，短链脂肪酸生产和产甲烷途径，并指定特定分类单元的功能。在可用瘤胃宏基因组数据集中，共有336个微生物存在，而在人肠道微生物组数据集中，共有134个微生物存在。与人体微生物组比较发现，编码维生素B12从头合成的基因在瘤胃特异性富集，由于环境胁迫标记的代表性不足，瘤胃微生物组的基因丢失和潜在的垂直遗传正在进行进化。我们估计我们的Hungate基因组资源代表了瘤胃中存在的约75%的属级细菌和古菌群。

1 Hungate 1000 collection

2 与公共数据、RDP数据库的比对比较

来自全球瘤胃普查(Global Rumen Census)的微生物群落组成数据与来自501 Hungate目录基因组的16S rRNA基因序列(黄点)重叠。大量但目前尚未分类的两组细菌用蓝色(拟杆菌门，RC-9肠道组)和橙色(梭菌门，R-7肠道组)点表示。树周围的彩色圆环代表核糖体数据库(Ribosomal Database Project database)项目数据库中每个OTU的分类(从内到外):属、科、目、纲、门。颜色的强度指示了OTU与该分类水平的RDP数据库中序列的相似性百分比。

3 GH PL编码基因数与家族数成正比

501 Hungate目录基因组中每个不同家族中降解CAZymes (GH、糖苷水解酶和PL、多糖裂解酶)的数量。基因组按门上色。

4 肠道菌分解植物多糖途径

大多数关于瘤胃微生物发酵途径的已知信息来自最终产物通量的测量，或者来自体外微生物纯培养或混合培养，以及基于非瘤胃微生物中存在的参考代谢途径。具体物种对某一个途径，或他们在体内对最终产物形成的贡献，是poorly characterized。挖掘已测序物种的功能潜力, 我们利用自己的细菌基因组信息结合已发表文献以底物利用和发酵产物为基础分析细菌新陈代谢 (补充表5)。(图2 b)中展示了最丰富的细菌和古细菌群体在瘤胃中发现发现的存在于至少一个,或多个细菌中的主要代谢通路和策略; 结果，我们现在对这些群体编码的通路有了更好的理解。该分析还首次提供了大量但没有特征的拟杆菌目和梭菌目成员对瘤胃发酵的贡献。这一代谢方案为研究这些生物的基因功能和设计瘤胃发酵策略提供了一个框架。

利用代谢研究和参考基因组分析获得的信息，通过全球瘤胃普查项目[22]确定的优势菌群和古菌群，展示了植物结构碳水化合物的降解和代谢。表中显示的丰度和流行度数据来自全球瘤胃普查项目[22]。丰度表示该属水平组在包含该属水平组的样本中的平均相对丰度(%)，而盛行率表示该属水平组在所有样本中的盛行率(n = 684)。胆碱转化为三甲胺和丙二醇转化为丙酸会产生细菌微室(BMC)内的有毒中间体。
肠道菌的“秘密武器”——短链脂肪酸

5 top8菌中多糖降解CAZymes的数量

来自八个最丰富的细菌群体的代表基因组中编码的多糖降解的CAZymes的数量。纤维素: GH5、GH9、GH44、GH45、GH48; 果胶: GH28, PL1, PL9, PL10, PL11, CE8, CE12; 木聚糖: GH8、GH10、GH11、GH43、GH51、GH67、GH115、GH120、GH127、CE1、CE2。

6 丁酸弧菌烯醇化酶基因的调查

一些瘤胃细菌的一个奇怪的特征是缺少一种可识别的烯醇化酶，这是糖酵解的倒数第二个酶步骤，在生命的所有领域中都是保守的。

丁酸弧菌烯醇化酶基因的调查。基于Hungate收集的所有丁酸弧菌菌株基因组中56个保守标记蛋白串联比对的最大似然树。缺少可检测到的烯醇化酶基因的菌株用淡粉色阴影表示，而那些烯醇化酶被截断的菌株用淡紫色阴影表示。没有阴影的菌株具有完整的烯醇化酶。

7 评估Hungate catalog对宏基因组分析的贡献

宏基因组蛋白的Hungate目录基因组招募。基于16S rDNA基因比对的瘤胃菌株最大似然树。树枝是根据门进行颜色编码的。利用iTOL绘制多元柱状图，描绘每个生态系统分类中宏基因组样本对这些细菌CDS的平均覆盖度。

8 牛瘤胃与人肠道的pfam风度比较

瘤胃与人类肠道分离菌间差异丰富的Pfams。X轴为metastats得到的差异pfam，q值< 0.001。Y轴为每个群体(瘤胃或肠道)的平均计数差的log2倍。OPPP, 氧化戊糖磷酸途径。

参考及更多：
NBT：牛瘤胃微生物组的参考基因组集
Compendium of 4,941 rumen metagenome-assembled genomes for rumen microbiome biology and enzyme discovery. Nature Biotechnology 2019