科研 | Front. Microbiol. ：牛瘤胃不同功能的微生物群落之间的相互作用及其对甲烷排放的影响
编译：Mushroom，编辑：小菌菌、江舜尧。
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本研究通过63头饲喂两种基础日粮的两个品种牛的瘤胃微生物属及其基因进行相对丰度网络分析，揭示瘤胃微生物群内的相互作用及对甲烷排放的影响。
1.共丰度网络分析获得10个对研究甲烷排放有重要意义的功能微生物集群（clusters），其中具有产甲烷关键基因的氢基营养型甲烷菌与使用其它两种产甲烷途径的菌（甲基营养型第七产甲烷古菌（CandidatusMethanomethylophylus）和产乙酸菌（布劳特氏菌））相比有不同的功能特点。真菌和原生生物聚集在一起，而其它可降解植物纤维的细菌（纤维杆菌）分属另一个微生物集群。
2.使用偏最小二乘法分析10个微生物群对甲烷排放产生的作用，结果表明：产甲烷微生物群发挥作用最大（57.3%）。然而，这一微生物群中发挥重要作用的是参与复杂碳水化合物降解、糖和氨基酸代谢的基因以及携带固氮基因的CandidatusAzobacteroides属，而不是产甲烷古菌及其基因。与产生乳酸和丁酸（丁酸菌和假丁酸菌）以及简单氨基酸代谢有关的基因可以促进甲烷排放。相比之下,与甲烷排放呈负相关的基因通过参与乳酸、琥珀酸的合成以及γ-变形菌门中更复杂的氨基酸合成来参与碳水化合物的降解。
3.使用不同的网络分析低甲烷排放量牛（LME）和高甲烷排放量牛（HME）的数据，结果显示产甲烷菌群中的产甲烷菌之间存在竞争，并且在群落内部和群落之间有更大的相互作用。
论文ID
原名：Identificationof Complex Rumen Microbiome Interaction Within Diverse Functional Niches as Mechanisms Affecting the Variation of Methane Emissions in Bovine
译名：牛瘤胃不同功能的微生物群落之间的相互作用及其对甲烷排放的影响
期刊：Frontiers in Microbiology
IF：4.259
发表时间：2020.04.17
通信作者：Marina Martínez-Álvaro1,2, Marc D. Auffret1,Rainer Roehe1
通信作者单位：1苏格兰乡村学院，英国爱丁堡;2西班牙瓦伦西亚理工大学动物科学与技术研究所
实验设计
结果
1. 甲烷排放的系统性影响因素
63头肉牛平均甲烷排放量为17.56g/kg干物质采食量（DMI），变异系数为12.5%。HME牛与LME牛的甲烷排放量相差5.73g/kg DMI（P<0.001）。饲喂FOR的牛甲烷排放量比饲喂CONC的牛高8.48g/kg DMI（P<0.001）。而品种类型对甲烷排放量影响差异不显著。
2. 63头牛瘤胃微生物的数据分析
宏基因组测序得到1557个基因和1160个微生物属。共丰度网络分析方法鉴定得到43个集群，从中筛选出与甲烷排放相关且对应不同功能生态位的10个单独集群（这些集群中有1565个变量；补充表S1a）。并且SPARCC分析结果表明，相对丰度网络分析的差异性和相似性与大型集群类似（补充表S1和补充图S2）。因此，可以利用相对丰度网络分析对上述所得10个集群进行深入研究。
图1显示集群1丰度最高，包含与甲烷合成、氨基酸和碳水化合物降解相关的329个基因，以及98个属（69个细菌，15个古菌，13个真菌和1个原生生物）。从丰度来看，代表三种产甲烷途径的古菌相关属在集群1中最丰富（占微生物总丰度的5.81%），以甲烷短杆菌（5.69%）为主。第二丰富的细菌属（占微生物总丰度的3.56%）以八叠球菌属为主（2.70%）。而集群1中真菌和原生动物的丰度较低（分别为0.05%和0.007%）。
图1显示集群2-6与网络中的集群1高度相关。这些集群与特定的细菌和功能相关：集群4包含可以产生丁酸和富含糖代谢相关基因（葡萄糖，K05350；鼠李糖，K05989；半乳糖胺，K02474和多个糖运输系统，K10546）的两个厚壁菌（丁酸弧菌（2.51%）和假丁酸弧菌（0.49%））。集群5由芽孢杆菌（0.18%）以及其它细菌和糖降解相关基因（K00163和K00627）组成。集群2仅包括一个纤维杆菌属（相对丰度1.74%）和146个主要参与中心代谢酶合成（苹果酸脱氢酶K00029、醇脱氢酶K00001、谷氨酸-5-半醛脱氢酶K00147或醛脱氢酶K00128）的基因。
此外，集群3和集群6（分别由409个和143个节点组成）主要由微生物属组成（分别占瘤胃微生物总丰度的8.19%和6.27%），包含基因很少。集群3主要包含的属为α、β、δ、γ变形杆菌属，放线杆菌属和古生菌门，它们可以与31个不同的古菌属（其中一些属被鉴定为产甲烷菌，如甲烷螺菌、甲烷孢子菌、甲烷球菌、甲烷菌属）相互作用。相比之下集群6主要由真菌组成（93个），其次是原生生物（20个）、蓝藻细菌（8个）、变形杆菌（5个；γ和β）和产甲烷古生菌（3个；甲烷球菌、甲烷暖球菌和甲烷热球菌）。集群3和集群6中的产甲烷古菌能够通过氢营养型和/或乙酸发酵型途径产生甲烷。
结果表明，集群1-6紧密相连，而集群7-10含有不同的微生物属，与集群1没有直接联系（图1）。其中，集群9是较大类群，包含111个微生物属（占瘤胃微生物总丰度的4.82%），主要由g-变形杆菌（41/111，肠杆菌或甲基单胞菌），其它变形杆菌（20/111）和厚壁菌（25/111；乳酸菌或真杆菌）以及参与碳水化合物、氨基酸降解、脂质代谢的140个基因组成。集群9还含有甲基营养型Candidatus Methanomethylophilus和产乙酸菌（真细菌、布劳特氏菌和聚乙酸菌）。集群10包括新月形单胞菌（2.58%）和6个基因，其中部分基因与寡糖转运相关（K10108和K10110）。集群7包括可以产生乳酸和降解寡糖的双歧杆菌（相对丰度的1.64%），以及与碳水化合物的降解有关（如K00873或K01193）的143个基因。集群8包括普氏杆菌(38.6%)和7个基因，其中一些基因与氮代谢(K02600和K13043)和戊糖磷酸途径(K01786)有关。
3. 甲烷排放相关因素分析
表1，表2中的所有变量均与甲烷排放密切相关。集群1-6中选择的变量显示了甲烷排放量的正回归系数（表1）。集群1中的5个变量反映出甲烷排放变化的相关因素（57.3%），包括与固氮能力（Candidatus Azobacteroides和K02585）、木质素降解(银耳菌)相关的属和基因，以及与氨基酸(甘氨酸，K00639)或糖（K00091）代谢有关的基因。尽管集群1主要由产甲烷菌（例如，甲烷芽孢杆菌或甲烷磷菌）或参与甲烷合成途径的基因(例如，mcrA基因K00399)构成，但是这些变量并不是影响甲烷排放量的主要因素。
在可降解纤维素的细菌中（集群2和集群6），纤维杆菌和一个编码木聚糖降解的基因(K01181)对甲烷排放变化的影响(49.8%)比真菌和原生生物(38.3%)大。在集群3-5中，最重要的细菌种群包括两个产生丁酸盐的细菌（丁酸弧菌属和假丁酸弧菌属(集群4)）、耐盐细菌(集群3)和芽孢杆菌(集群5)以及与甘氨酸代谢(K00281)或糖代谢(如葡萄糖和鼠李糖)相关的基因(K05350和K05989)，然而这些集群对甲烷排放的影响≤36.0%。
集群7-10中的变量与集群1没有直接联系，呈现负回归系数(表2)，表明它们的相对丰度较高将导致甲烷排放量减少。这些集群对甲烷排放的变化影响占比在14.9%-31.8%之间，其中集群9的影响最大。
集群9中的3种相对丰富的变形杆菌(平均丰度0.0036-0.0103%，包括链球菌、莫拉氏菌和甲苯单胞菌)，甲基营养型第七产甲烷古菌目CandidatusMethanomethylophylus（0.0491%）和与乳酸代谢相关的基因对甲烷排放影响最大。
集群7中，VIP值较高的变量主要是编码氨基酸代谢活性的基因(K00651、K01995、K01998和K14260)。集群10中，新月形单胞菌属和涉及多糖运输(K10108和K10110)与氨生产(K03735)的基因被确定为降低甲烷排放量的主要变量。集群8中，反刍动物瘤胃中的优势细菌（普氏菌属）和两个基因(K06950和K02600)却只对甲烷排放变化产生14.9%的影响。图2显示HME牛和LME牛的甲烷排放能力，预测准确率为100%。
4. HME牛与LME牛之间产甲烷菌群分析
对HME牛和LME牛的数据分别进行网络分析以比较共丰度结构和变量(图3A，B)。双向富集分析结果显示，HME牛和LME牛网络集群中，产甲烷菌最多的集群及参与甲烷合成的基因(如K00203、K00400或K14128)有很大差异（图1中的集群1，P<0.01）。
LME牛组中的产甲烷簇比HME牛组中包含更多的节点和边缘(图3，补充表S3)，这可以通过LME牛组中该簇内增加的节点来解释，该节点与HME牛组中的产甲烷集群和其他集群中细菌和古菌属有关。在HME牛组和LME牛组之间共享的基因与氨基酸(K00186、K00187、K00188)或碳水化合物的降解(如K01959、K01622)、固氮能力(K02585)以及辅酶因子和维生素的生物合成（K03750、K03752、K03753）有关。
数据分析结果可知，HME牛组中的14个细菌属(如念珠菌属、固氮拟杆菌属和八叠球菌属)和3个真菌属(如银耳属)主要产甲烷菌(图3A，补充表S3A、B)聚在一起。而在LME牛组中发现了数量较多的细菌(n=271)、真菌(n=19)和其他古生菌(n=37；包括其它产甲烷菌，如甲烷微生菌或甲烷杆菌；图3B和补充表S3A，C)。LME牛组集群中剩余的部分主要属于变形门菌(葡萄糖杆菌)、厚壁菌门(丁酸弧菌)和放线菌门(假丙酸杆菌)，它们也携带在基因组中发现的基因(n=29)，并且与LME牛组中的产甲烷菌高度相关。在丁酸弧菌或葡萄糖杆菌(K02474)的基因组中发现了编码淀粉和蔗糖等多种碳水化合物降解的基因(K05350和K05989)。
图3 (A)和(B)分别为HME牛和LME牛的共丰度网络中的“甲烷生成”集群(相关阈值为0.70)。这个集群包含主要的产甲烷菌和参与甲烷合成的基因。较大的节点代表微生物属，较小的节点代表微生物基因。边缘表示它们的丰度之间的相关性。(C)维恩图显示两组共享329个属和基因，而HME牛和LME牛分别有22和347个属和基因。
结论
不同的饲料对牛甲烷排放量有显著影响，而品种对甲烷排放量影响差异不大。 利用共丰度网络分析首次在瘤胃中找到对甲烷排放有重要影响的10个微生物集群。其中通过甲基营养型途径进行甲烷化的细菌与其它两种途径的细菌功能特点不同。真菌和原生生物的功能特点相似，而与其它可降解植物纤维的细菌不同。 与产生乳酸和丁酸（丁酸菌和假丁酸菌）及简单氨基酸的代谢有关的基因可以促进甲烷排放。而与甲烷排放呈负相关的基因通过参与乳酸、琥珀酸的合成以及γ-变形菌门中更复杂的氨基酸的合成来参与碳水化合物的降解。 影响甲烷排放变化的因素不仅仅是产甲烷菌，更重要的是瘤胃微生物群落的相互作用。
评论
反刍动物是甲烷的主要排放者，排放过多的温室气体对环境造成不可估量的影响。本研究阐明了瘤胃微生物不同集群之间相互作用的重要性（与微生物组成或丰度的变化相比），以及对甲烷排放的影响。其中一个亮点是利用共丰度网络分析首次确定了瘤胃微生物群中的功能特点，通过微生物集群之间的相互作用，揭示了其对甲烷排放的影响，研究结果证明了微生物的结构域和功能是主要影响牛甲烷排放变化的因素。
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