基于宏基因组学研究绵羊消化道微生物碳水化合物酶组成及其功能差异开题报告

1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）

随着全球气候变化和人口激增，如何高效生产食物是未来农业发展的巨大挑战。现代畜牧业中，反刍动物凭借瘤胃这一生理结构，能实现对饲料中碳水化合物的高效利用，最终减少对粮食作物的需求。瘤胃是一个复杂的生态系统，其内部栖息着大量微生物，包括细菌、古细菌、真菌、原虫[1]。不同的微生物可能占据不同生态位，种间竞争与交互饲喂造就瘤胃形成一张功能冗余但又丰富的碳水化合物酶谱[2]。然而，即使不具备瘤胃这一生理结构，其他动物也可以实现碳水化合物的高效利用。Zheng等[3]发现蜜蜂通过肠道Gilliamella和Bifidobacteria的发酵作用能有效降解花粉内的半纤维素和果胶。马科动物凭借“盲肠-结肠生态系统”实现饲草的快速消化，这种后肠发酵系统与瘤胃发酵系统有明显区别[4]。叶猴的胃憩室为树叶降解相关细菌定植提供了条件，形成了“瘤胃样”消化模式[5]。Hayakawa等[6]在长鼻猴前肠发现多样化的微生物群落，这种前肠发酵的能力为长鼻猴适应不同栖息地提供生存策略。这些结果表明“瘤胃样生态系统”的形成条件可能不是完全由某一器官决定，消化道微生物可能是支撑宿主对日粮碳水化合物有效利用的关键因素，特别是对宿主内源生物酶难以降解的多糖的利用。鉴于消化道微生物的厌氧特性，体外培养方法已经不能满足研究需求。因此，随着Helsman[7]提出宏基因组学概念和测序成本下降，越来越多的研究学者基于宏基因组学技术对反刍动物消化道微生物基因集进行数据挖掘。2011年，Hess等[8]在奶牛瘤胃微生物宏基因组中发现27,755个纤维素降解酶相关基因，糖苷水解酶13（GH13）的基因数量最多（3,442个）。2017年，Svartstrm 等[9]对驼鹿99个宏基因组组装基因（MAGs）进行碳水化合物酶基因注释，构建出不同MAGs的碳水化合物代谢谱，为木质纤维素降解菌群的研究提供一个深入的视角。2018年，Seshadri等[10]通过对比CAZy数据库发现Prevotella、Clostridiales和Bacteroidales可能是瘤胃内分泌碳水化合物活性酶最多的三类细菌群。2019年，Stewart等[11]对4,941个MAGs预测后发现442,917个碳水化合物酶相关基因。然而，以上研究都集中于反刍动物瘤胃微生物基因集，其他胃肠道微生物碳水化合物酶组成和分布是未知的，“瘤胃样生态系统”是否存在其他胃肠道是未知的。我们缺乏从全消化道角度去探讨碳水化合物酶的功能和组成差异。这里，我们对绵羊全消化道食糜样本进行微生物测序分析，并通过宏基因组学技术进行全消化道间微生物基因集比较，希冀探明各消化道碳水化合物酶组成和差异，并找出可供工业化高效生产的碳水化合物酶，实现饲料原料的多元化和高效化利用，最终缓解农业生产矛盾。

2. 研究的基本内容和问题

研究的目标：

①探明绵羊不同消化道碳水化合物酶组成和功能差异。

3. 研究的方法与方案

研究方法：

① 文献法。查找反刍动物宏基因组学相关研究。

4. 研究创新点

以往研究多集中于反刍动物瘤胃，但其他消化道的研究至今空白，缺乏从整体角度探讨碳水化合物酶空间上的演变分布。

本研究首次从全消化道角度，对绵羊全消化道碳水化合物酶进行整体研究，可以探明其余消化道微生物在碳水化合物代谢中发挥的作用，并弥补相关反刍动物研究领域的空白。

5. 研究计划与进展

研究计划：

① 2019.9~2019.11,依托相关生物公司进行采样样本的测序并查找相关文献。