反刍动物可利用植物纤维生产肉奶等高营养价值的食品，同时排放温室气体甲烷。长期以来，科学家重点关注反刍动物瘤胃微生物的菌群组成和功能，而全消化道微生物对饲料利用效率、甲烷生成和宿主健康的功能解析尚未完成。
为此，中国科学院亚热带农业生态研究所、南京农业大学等单位联合开展反刍动物全消化道微生物组的结构和功能研究。选取了奶牛、水牛、牦牛、山羊、绵羊、狍子和獐子7种代表性反刍动物，采集了瘤胃、小肠等全消化道10个区段的食糜样品共370个样品。项目首次构建了反刍动物全消化道微生物基因集（非冗余基因>154M），同时组装了超过10,000个非冗余的微生物基因组，且在种水平上鉴定出了8,745个新基因组。这些新基因组极大的拓展了反刍动物全消化道微生物基因组资源，在分类学上大幅提升了对反刍动物消化道微生物的分辨率。同时，我们对组装微生物基因组的氢酶分布进行系统解析。结果发现，反刍动物全消化道约60%微生物基因组编码氢酶基因，具有代谢氢的能力。这些微生物分布在24个门（主要是Firmicutes和Bacteroidetes），72个目（主要是Bacteroidales和Oscillospirales），304个属（主要是Prevotella）中。其中，约50%微生物基因组能通过发酵途径产生氢分子（主要是Firmicutes），有95个甲烷菌基因组能利用氢生成甲烷，其他消耗氢微生物有352个。该研究首次构建了反刍动物氢代谢微生物基因组数据库，证实了全消化道微生物具有广泛代谢氢的能力，这将为提高饲料利用效率和减少甲烷排放提供科技支撑。
该研究成果以An integrated gene catalog and over 10,000 metagenome-assembled genomes from the gastrointestinal microbiome of ruminants为题发表在微生物学权威期刊Microbiome。南京农业大学动物科技学院毛胜勇教授、吉林农业大学动物科学技术学院李志鹏教授、西北工业大学生态与环境学院邱强教授、亚热带生态所王敏研究员为本论文共同通信作者。该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。
反刍动物全消化道微生物基因集和基因组分布
反刍动物全消化道微生物基因组氢酶和还原酶分布