基于肠道微生物宏基因组探讨狼到家犬驯化中的食物适应机制

Access to dietary resources shapes animal evolution. The intestine microbial communities and mammals are mutualism and co-evolution. Their functional contribution on the food adaptation in animal domestication is of great interest in ecological researches. The domestic dog (Canis familiaris) was probably the earliest domesticated animal. There was complicated ecological adaptations occurred during dog domestication. Adaptations of the early ancestors of modern dogs to thrive on a diet rich in starch constituted a crucial step in the early domestication of dogs. Genomic analysis identified a list of genes with key roles in starch digestion and fat metabolism show signals of selection during dog domestication. However, there is less report about the adaptation mechanism of the intestine microbial communities to the food changes in dog domestication. Here we considered a metagenomic sequencing of the intestine microbial communities of wild wolves, captured wolves, South China native dogs and Inner Mongolia dispersed dogs. Based on the sequence analysis of the hypervariable region of 16S rRNA gene and depth excavation of the microbic genomic data, it will show the composition, diversity and genome characteristics of wolves and dogs intestinal microbes, and predict the possible function of these organisms in the their digestive physiology. It will then explore the functional contribution and molecular mechanism of the intestine microbial communities in the adaptation of the starch digestion and fat metabolism during dog domestication.

食物资源的适应驱动着动物的进化。肠道微生物与宿主协同进化、互利共生，它们在动物食物驯化中的作用是一个值得关注的生态学问题。家犬是目前已知第一种被家养驯化的动物。狼到家犬的驯化过程中经历了复杂的生态适应，其中食物的适应是至关重要的一步。基因组研究表明，家犬家养驯化后与淀粉消化和脂肪代谢相关的基因表现出与食物选择有关的变化，证明家犬存在适应食物中淀粉和脂肪变化的遗传机制。然而，有关狼到家犬驯化过程中与食物变化相关的肠道微生物的适应机制至今未见报道。本项目拟对野生狼、圈养狼、中国南方土著犬和内蒙古草原散养犬肠道微生物宏基因组进行研究，通过16S rRNA基因高变区高通量测序分析肠道微生物的群落结构，通过微生物全基因组测序挖掘功能基因在消化代谢中的作用，从而从物种多样性和基因多样性两个层次探讨肠道微生物在家犬适应食物中淀粉增多、脂肪减少的过程中的功能性贡献及其相关的分子机制。

动物家养驯化中的生态适应机制是进化生态学和保护遗传学的热点话题。狼到家犬的驯化过程中食物的适应是至关重要的环节。本项目旨在对狼和家犬肠道微生物宏基因组进行比较，探讨肠道微生物在狼到家犬食物适应上发挥的作用。项目组于2015年至2017年在内蒙古自治区达赉湖自然保护区采集野生狼粪便样品3份，救护饲养狼粪便样品4份，牧民散养家犬粪便样品5份。经过高通量de novo测序和生物信息学分析，完成了项目研究的全部内容，取得以下主要成果：.首先，掌握了狼和家犬肠道微生物宏基因组数据，经过基因注释和组间比较，展示了野生狼、圈养狼和家犬肠道微生物基因组在基因组成和丰度上的差异。.其次，通过对测序数据的物种注释，展示了野生狼、圈养狼和家犬的肠道微生物的物种组成和多样性特征，通过三个组各个分类阶元物种多样性的比较，发现了野生狼、圈养狼和家犬肠道的核心微生物群，并揭示了三者的主要差异。.第三，通过对野生狼和圈养狼肠道微生物基因水平、物种水平和功能水平的比较，分析了圈养条件对狼肠道微生物多样性和微生物基因组的影响，发现了与食物变化和环境变化相关的基因、物种和功能水平上的差异。.第四，通过对狼和家犬肠道微生物基因的功能注释，发现了在狼和家犬之间与碳水化合物和脂类代谢相关的基因功能丰度上的显著差异，验证和进一步揭示了食物差异对肠道微生物的影响，以及肠道微生物在宿主食物消化和肠道健康中的贡献。.最后，通过对狼和家犬肠道微生物抗生素抗性基因进行了检测和抗性机制挖掘，找到了在家犬和圈养狼肠道微生物中丰度较高的抗生素抗性基因，分析了这些抗性基因的物种归宿，并探讨了其抗性机制。.通过本项目的研究，丰富了哺乳动物肠道微生物基因组数据库和物种多样性数据库，发现了野生食肉动物圈养后肠道微生物的重要变化，揭示了肠道微生物在碳水化合物和脂类代谢过程中的重要贡献，加深了人们对肠道微生物在肠道营养和健康方面的作用的认识。