近日，我院反刍动物遗传与进化研究团队王禹教授联合多家科研单位在微生物和生物信息领域国际知名期刊《iMeta》（IF：23.7）在线发表了题为“Integrating genome- and transcriptome-wide association studies to uncover the host-microbiome interactions in bovine rumen methanogenesis”的研究论文。我院博士研究生王伟、魏振宇和已毕业硕士李卓辉为论文共同第一作者。我院王禹教授、武圣儒副教授和浙江大学动物科学学院李福勇教授为本论文的共同通讯作者。

甲烷作为六大温室气体之一，其对全球变暖的影响仅次于二氧化碳。减少畜牧生产中的甲烷排放对我国实现碳中和目标至关重要。牛作为大型反刍家畜，贡献了畜牧生产中绝大部分的甲烷排放，这归因于其强大的瘤胃发酵系统。反刍动物肠道甲烷排放除了对环境产生负面影响外，还会导致宿主摄入能量的损失。因此，寻找调控瘤胃微生物群的方法来减少反刍动物的甲烷排放一直是迫切需要的。然而，宿主遗传在改变瘤胃微生物群介导的甲烷排放中的作用仍然是一个谜，缺乏宿主调控甲烷排放的关键基因位点，阻碍了低甲烷排放奶牛选育进程。

据此，研究团队共收集了574头成年中国荷斯坦牛的瘤胃组织和瘤胃内容物样本，分别进行了宿主全基因组测序、瘤胃微生物16S扩增子测序和瘤胃转录组测序，并测定了瘤胃液挥发性脂肪酸浓度。本研究中将317个微生物（包括269个细菌和48个古菌）分类群的丰度作为复杂性状表型，分别进行了大规模配对样本的全基因组关联分析（mbGWAS）和全转录组关联分析（mbTWAS）。通过遗传力估计，发现约70%的微生物类群具有显著遗传力，宿主遗传因素能够平均解释约28%的微生物丰度差异。但通过mbGWAS方法在全基因组显著阈值下（ p  < 5.71e-09）仅鉴定到43个遗传变异与22个微生物类群丰度相关。相比之下，瘤胃基因表达解释了平均约43%的微生物丰度变化，mbTWAS方法共检测到28,260个显著的基因-菌群关联对，涵盖210个分类群和4652个独立基因。本研究强调了TWAS方法在检测直接效应器官基因表达和表型性状关联方面的突出优势，该方法实现了在基因表达水平上建立宿主和微生物之间的相关关系。此外，研究通过结合这些宿主TWAS基因、瘤胃微生物群和挥发性脂肪酸之间的多重相关性分析，发现底物氢代谢是联系瘤胃甲烷生成中宿主-微生物相互作用的重要途径。

该研究系统评估了宿主遗传变异和瘤胃基因表达对牛瘤胃微生物丰度变化的影响。研究结果为解析瘤胃甲烷生成过程中宿主-微生物相互作用的可能作用机制提供了新的见解，为低甲烷排放奶牛新品种培育打下基础。

研究设计和数据分析流程模式图

本研究得到国家重点研发计划青年科学家项目（2021YFF1001000）、国家重点研发计划政府间国际科技创新合作项目（2023YFE0111800）等的资金资助。西北工业大学生态环境学院王文教授、我校动物医学院高元鹏副研究员为本研究提供了指导。学院姜雨教授和姚军虎教授为本研究提供了科研平台。我校高性能计算中心为本研究提供了充足的计算资源。

全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/imt2.234