阿拉善双峰驼瘤胃中纤维降解基因多样性与功能分析

In the long-term evolutionary process, Alxa Bactrian camel formed unique biological characters to adapt to the ecological conditions of desertification, such as resistance to low quality forage, thirst, hunger, etc. The efficiency of degradation of cellulose, hemicellulose and lignin in the rumen of camel was significantly higher than other ruminants. However, there is little research about rumen microbe of Alxa Bactrian camel. It’s deserve to further study the rumen microorganisms involved in fiber degradation mechanisms, important new functional genes and biological active substances. This project compares the cellulolytic bacterial community in different ruminal niche (rumen wall, rumen fluid and rumen digesta) of Alxa Bactrian camel by using the 16S rRNA and high-throughput sequencing technology, and then studies the diversity of cellulase and xylanase genes. Rumen microbial metagenomic library is built and screened to find out new gene clusters of cellulase and xylanase from the rumen of camel. Finally, the structure information of these fibers genes and its enzymatic degradation characteristics are analyzed through the prokaryotic expression system. The project will be useful to exploit cellulolytic genes resources and bacteria with high enzyme activity.

阿拉善双峰驼在长期的进化过程中，形成了独特的适应荒漠化生态条件的生物学特性，如耐粗饲、耐渴、耐饥饿等，其瘤胃微生物对纤维素、半纤维素、木质素的降解能力显著高于其他反刍动物。然而,阿拉善双峰驼瘤胃微生物的研究仍比较薄弱，其瘤胃微生物参与纤维素降解的机制、重要新功能基因及其生物活性物质均有待进一步研究。本项目拟以阿拉善双峰驼瘤胃纤维分解菌为研究对象，利用细菌16S rRNA序列和高通量测序技术，对瘤胃不同生态位（瘤胃壁、瘤胃液和瘤胃食糜）纤维分解菌群落结构进行比较研究，继而研究阿拉善双峰驼瘤胃不同生态位纤维素酶和木聚糖酶基因的多样性，同时构建瘤胃微生物宏基因组文库，寻找瘤胃内新的纤维素酶和木聚糖酶基因簇，再通过原核表达系统，对这些纤维降解基因的结构信息及其酶学特征进行分析，以开发具有高酶活性的纤维降解菌或基因资源。

阿拉善双峰驼是我国内蒙古荒漠地带的重要经济畜种，其瘤胃对高纤维低质量的粗饲料的消化能力高于其他反刍动物。调控反刍动物粗纤维利用率的因素多种多样，各存利弊，然而关于阿拉善双峰驼瘤胃微生物细菌多样性及其功能基因的规律研究尚不清楚。本项目旨在通过研究阿拉善双峰驼瘤胃不同生态位细菌多样性和微生物基因组信息的相关性，来揭示阿拉善双峰驼瘤胃纤维降解菌的结构特点及其特异纤维降解基因结构信息。本研究利用细菌16s rDNA高通量测序方法分析阿拉善双峰驼瘤胃液相、固相和瘤胃壁粘附微生物数量和区系的异同点，从宏基因组层面揭示出瘤胃液相和固相微生物基因组基因结构组成和代谢功能差异。研究发现，拟杆菌门（Bacteriodetes）和厚壁菌门（Firmicutes）是碳水化合物代谢酶的主要贡献者，而不同生态位二者含量不同，且瘤胃液中以拟杆菌门为主，瘤胃固相和瘤胃壁粘附微生物以厚壁菌门为主，同时瘤胃固相和瘤胃壁粘附微生物相似程度相当高。虽然不同生态位微生物细菌家族结构组成与单峰驼和其他反刍动物相似，但种属中均以未知菌属占有数量较多，说明阿拉善双峰驼瘤胃微生物细菌存在很多未知菌属，极具开发价值。宏基因组测序结果显示阿拉善双峰驼瘤胃微生物中存在很多不同类别的纤维素降解基因，且纤维素酶基因与其他物种存在差异，为新的纤维素酶基因功能的开发奠定基础。