导语
可遗传的瘤胃微生物群是反刍动物生长性能的重要调节因子。然而，迄今为止还没有关于绵羊宿主遗传-瘤胃微生物群相互作用及其与表型关系的信息。中国科学院牧草改良与草地农业生态系统国家重点实验室有学者对1150只绵羊的全基因组重测序基因型、16S瘤胃微生物菌群数据和纵向体重（BW）表型进行了整理和分析以解决上述问题。相关研究成果以题为“Heritability and recursive influence of host genetics on the rumen microbiota drive body weight variance in male Hu sheep lambs”发表在《Microbiome》。
文献标题：Heritability and recursive influence of host genetics on the rumen microbiota drive body weight variance in male Hu sheep lambs发表期刊：Microbiome影响因子：15.5 (Q1)发表时间：2023.08.29
研究思路
研究结果
1.核心和关键瘤胃微生物群组成的格局
为了确定宿主与瘤胃微生物群之间是否存在共生相互作用，调查了可能对瘤胃生态系统的组织和维持至关重要的微生物属。在筛选出低质量的菌属后，共鉴定出430个独特的菌属，其中17个菌属构成了瘤胃微生物群的核心（所有个体中都包含这些菌属），其累积丰度占瘤胃微生物总丰度的75%以上。使用Spearman rank相关系数矩阵分析了瘤胃微生物群落的共生网络以确定共生模式，当Benjamini-Hochberg < 0.05，|r| > 0.60时代表具有显著的强相关性。这些数据对于确定微生物群落间具有高度连接性的15个关键连接属至关重要。总之，这些被鉴定出的菌属在瘤胃微生态系统中扮演着关键的角色，是微生物群结构和功能的潜在驱动力，尤其是Christensenellaceae R-7组、LachnospiraceaeNK3A20组和NK4A214组，它们在核心微生物群和关键类群中都被鉴定出。
2.瘤胃微生物特征的遗传性
为了研究宿主遗传是否会影响瘤胃微生物群，使用Mantel test来研究遗传关系矩阵（GRM）和微生物关系矩阵（MRM）之间可能存在的关联。并对1150只绵羊的300个瘤胃微生物群特征进行了h²估计，以探讨宿主遗传在微生物群落总变异中所占的比例。利用微生物群落性状的十种测量方法，包括扩增子序列变异（ASV）丰富度、Chao1、ACE、香农指数、厚壁菌门：拟杆菌门（F:B）比率以及主坐标分析（PCoAs）等。在超过60%的动物中，检测到81个单类群性状，代表了单个微生物群属的相对丰度。此外，还估算了209个二分类性状的h²值，结果显示包含的所有微生物属占瘤胃微生物总丰度的91%以上，其中单菌种性状占89.88%。64%的数量属和9个群落性状具有显著的遗传性（PLRT < 0.05)。可遗传类群中核心属占76%，关键类群占80%。二分类瘤胃菌属只占总丰度的1.25%，可能与宿主基因组有关，其中22%被确定为可遗传，主要受其流行程度的限制。这些遗传属的遗传率估计值从0.09到0.68不等；相对丰度和流行率都很低的Candidatus Liberibacter的h²最高（0.68，PLRT = 2.42E-07），而Caldalkalibacillus的遗传率最低（0.09，PLRT = 5.00E-02）。
3. 大规模GWAS鉴定出了深刻影响绵羊瘤胃微生物群的宿主遗传
为了更深入地了解宿主加性遗传对瘤胃微生物群的影响，我们在1150只羊中调查了23,112,008个常染色体遗传变异与80个瘤胃微生物群特征之间的关联，这些特征具有显著的遗传性（h²，PLRT < 0.05）。最后，共有411个关联涉及405个位点，它们与80种瘤胃代谢物中的一种或多种独立相关，且具有显著性（P < 1×10−8）。使用Bonferroni校正后，能够确定171个关联，涉及171个基因组位点和28个微生物群特征。
4.宿主遗传和瘤胃微生物群解释的绵羊体重变化比例
为了探索宿主加性遗传和瘤胃微生物群对绵羊体重性状的影响程度，分别使用上述相同的GRM和MRM计算了6个体重性状的h²和微生物率（m²）。发现所有体重性状都具有中高遗传率，100日龄体重遗传率为36%，出生体重遗传率为61%，180日龄体重遗传率为39%。在遗传力方面，m²在0~1之间，随着m²值的增加，瘤胃微生物群对性状的主要贡献得到了证实。在对宿主遗传进行校正后，180日龄体重的微生物率估计为20%。180日龄收集的瘤胃微生物群数据得出的m²与出生体重的比值不显著，其他年龄的平均m²与体重的比值为20%，从100日龄的17%到24%。
随后，利用绵羊瘤胃微生物群与体重之间的二部MWAS分析模型，确定了微生物群分类群的哪些指标可能会调节这一机制。从该分析中确定了最后四个属，包括Lachnospiraceae ND3007组、Rikenellaceae RC9组、Syntrophococcus和Oribacterium，它们都具有遗传性并与180日龄体重显著相关（Bonferroni校正P <0.05）。其中，Lachnospiraceae ND3007组和Rikenellaceae RC9肠道组为中度遗传的核心类群，分别解释了180日龄体重方差的10.85%和10.32%。相比之下，潜在的核心和基石类群Oribacterium（流行率=99.91%）和Syntrophococcus（流行率=99.57%）的线性拟合相关系数均超过9.8%。
为研究体重相关微生物标记物与瘤胃代谢特征之间的潜在关系，对所选细菌属与瘤胃挥发性脂肪酸（VFA）特征、瘤胃乳头长度和宽度以及肌肉厚度之间进行了Spearman Rank相关分析。结果表明，VFA与Syntrophococcus呈正相关，但与Lachnospiraceae ND3007菌群、Rikenellaceae RC9肠道菌群和Oribacterium呈负相关。乙酸与Lachnospiraceae ND3007组呈负相关。同样，候选菌属的丰度与瘤胃组织形态学也有显著关联。其中，Lachnospiraceae ND3007组和Oribacterium与瘤胃乳头长度呈正相关，Rikenellaceae RC9肠道组与瘤胃乳头宽度呈正相关。总之，这四个与体重相关的指标类群及其与代谢特征的关系进一步强调了可遗传的瘤胃微生物关键类群在绵羊宿主表型和瘤胃微生物群代谢中的作用。
5.宿主遗传对瘤胃微生物群驱动绵羊体重的递归影响
利用来自同一批1150只绵羊的表型数据和用于mbGWAS的常染色体SNPs数据集进行GWAS分析，以确定宿主基因组中与绵羊体重相关的SNP位点。共发现五个SNP位点与绵羊180日龄时的体重显著相关（P <1×10-8），且均位于在OAR 9上。当p值为1×10−6时，与OAR 9上38,007,144 bp处的基因间SNP（rs413796993；P=6.99E-14）关联最显著；第二个最显著的SNP（rs417240663；P=3E-10）也位于OAR 9上，在XKR4基因的一个内含子上。值得注意的是，OAR 6和OAR 9中的几个区域共包含84%以上的标记SNPs，多个位点都位于内含子上。此外，其他常染色体上的15个SNP中也有4个位于内含子中，如OAR2上UNC80中的rs399594440、OAR13上NRP1中的rs425587495。
虽然宿主遗传和瘤胃微生物群共同作用于绵羊的体重，但宿主遗传和瘤胃微生物群并不是独立的，它们对体重性状的影响也不是独立的、非连锁的。在这种情况下，绵羊基因组可能对体重性状既有直接影响又有间接影响（标记微生物群介导），这种现象被定义为“递归”。对GWAS、mbGWAS和MWAS的结果数据进行合并和分析。MWAS分析结果显示的四种微生物特征与180天体重显著相关，都具有中等到较强的h²（0.16-0.40，PLRT<0.05），mbGWAS鉴定出了影响这四种标记属的306个SNPs，这表明遗传变异对表型的控制存在“间接”情况，即宿主遗传通过控制体重相关的微生物群间接影响绵羊体重。随后，比较了mbGWAS和GWAS结果中标记微生物群相关SNPs的重叠位点，以确定通过“递归”模型影响体重的宿主遗传学。耐人寻味的是，位于OAR 9上40,691,375 bp处的rs405307925同时出现在Lachnospiraceae ND3007组的mbGWAS和180日龄体重GWAS信号集中。接着，使用Kruskal-Wallis检验法来检查上述“间接”情况下标记微生物群相关SNPs基因型内BW的差异。最后，确定了有可能递归影响绵羊体重的六个遗传标记（Kruskal-Wallis检验<0.01）。
研究结论&结果讨论
在这项研究中，探讨了宿主遗传变异与瘤胃微生物群的关联及其对绵羊体重的影响。通过大规模遗传变异分析（GWAS）和瘤胃微生物群分析（MWAS），发现了可能影响绵羊体重的新型候选基因和可遗传的瘤胃标记类群。此外，该研究结果支持宿主遗传影响瘤胃微生物群组成的假说，宿主遗传、瘤胃微生物群和绵羊体重性状之间存在一个错综复杂的网络。此外，还通过“递归”模型确定了影响绵羊体重的六个SNP位点。该研究首次在大规模绵羊种群中探索宿主遗传-瘤胃微生物群-表型关系的研究，充分减弱了环境和饮食等其他因素对绵羊种群的影响。这些观察结果将为综合利用瘤胃微生物群和基因组信息提供可靠而详细的指导，有助于预测复杂性状和制定提高绵羊体重的育种策略。
参考文献
Wang W, Zhang Y, Zhang X, Li C, Yuan L, Zhang D, Zhao Y, Li X, Cheng J, Lin C, Zhao L, Wang J, Xu D, Yue X, Li W, Wen X, Jiang Z, Ding X, Salekdeh GH, Li F. Heritability and recursive influence of host genetics on the rumen microbiota drive body weight variance in male Hu sheep lambs. Microbiome. 2023 Aug 29;11(1):197. doi: 10.1186/s40168-023-01642-7. PMID: 37644504; PMCID: PMC10463499.
