10月26日，国际期刊《基因组研究》(Genome Research)在线发表了中国农业大学李孟华教授和四川农业大学李利教授团队合作研究论文《单细胞转录组和宏基因组分析揭示了反刍动物瘤胃功能和趋同发育模式的遗传基础》（Single-cell transcriptome and metagenome profiling reveal the genetic basis of rumen functions and convergent developmental patterns in ruminants）的原创性研究论文，这项研究揭示了反刍动物瘤胃反刍功能的遗传和细胞学基础，解析了不同发育阶段绵羊和山羊瘤胃细胞功能及基因表达谱的转变。

反刍动物是超过200种特殊的陆生植食性动物的统称，包括常见的家畜，如牛、羊等；他们是世界上最成功的哺乳动物类群之一，不仅分布极广，其数量也极为庞大，对维持地球生态环境（例如：甲烷等温室气体排放）也有着重要意义。其重要特征包括具有典型的多室胃，包括瘤胃、网胃、瓣胃和皱胃。瘤胃是反刍动物的第一胃，是重要的消化器官，在酮体代谢、微生物群落调节和上皮吸收等方面具有丰富的功能特点，这也是瘤胃生物学功能最重要的创新。瘤胃微生物和宿主之间形成了一种相互依存，相互制约的动态平衡，保持这种平衡对维持反刍动物的机体健康，生产性能以及食品安全具有重要的意义。

绵羊和山羊，是最常见的陆生植食性反刍动物类型，在长期进化中产生了许多趋同表型，其中瘤胃是两物种适应性进化的重要结构，随着动物的生长发育，瘤胃的结构和功能经历了巨大变化，然而对瘤胃的发育、细胞组成及遗传分化、反刍功能的遗传基础等仍不清楚，迄今未构建完整的瘤胃单细胞发育图谱。

该研究以绵羊和山羊为主要研究对象，利用单细胞转录组测序技术构建了6个发育关键阶段（胚胎期早期、中期和晚期，出生后非反刍、过渡和反刍期）的瘤胃单细胞图谱，以及细胞-微生物体外共培养实验验证了微生物在调节瘤胃细胞功能的重要作用。

绵羊和山羊瘤胃单细胞转录组图谱

研究人员分别在绵羊瘤胃中鉴定了30种、山羊31种细胞类型或亚型，发现来自相同发育阶段的细胞距离更近，处于胚胎期、非反刍期的细胞与过渡期、反刍期的细胞明显分离，具有明显的阶段特征。绵羊和山羊瘤胃在胚胎早期、胚胎中期、反刍期各采样点具有相似表达模式；相邻发育阶段差异表达基因几乎不共享，表明各阶段瘤胃功能的独特性；此外，找到了绵羊和山羊间上皮、成纤维和神经等细胞类型在6个阶段的保守基因。鉴定到特定阶段共享转录因子，部分转录因子在相同阶段不同细胞类型中起作用，然而部分转录因子在相同细胞类型的不同发育阶段活跃；细胞通讯分析结果表明，绵羊和山羊细胞通讯变化在过渡期前相似，但进入反刍期后出现明显差异。找到了绵羊、山羊和牛瘤胃，以及人、鼠、猴胃的共享转录因子和细胞通讯模式，4种表皮生长因子受体相关的配体-受体相互作用蛋白仅在反刍动物中表达，免疫、炎症相关配体-受体相互作用蛋白在牛和山羊的表达远高于人、猴、小鼠三种非反刍动物。该研究还发现绵羊和山羊各发育阶段瘤胃微生物的组成以及与宿主之间的互作具有相似性。胚胎期早期的瘤胃微生物群落主要由好氧菌组成，主要与发育、免疫相关的DEGs呈强正相关；进入过渡期和反刍期后，以厌氧菌为主，主要与富集到能量代谢、细胞迁移、免疫和脂肪酸代谢等生物学过程的DEGs呈负相关。研究发现稳定存在瘤胃各发育阶段（T细胞、B细胞、内皮细胞）或相对出现更晚的细胞类型与异普雷沃氏菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、梭状芽胞杆菌、曼海姆氏菌属、普雷沃氏菌属和琥珀酸弧菌属这7个细菌属呈强正相关，并且与瘤胃微生物中生物合成和代谢相关的KEGG通路呈强正相关。细胞-微生物体外共培养实验验证了瘤胃微生物普雷沃氏菌属和宿主上皮和成纤维细胞之间的潜在串扰及其在调节关键瘤胃细胞类型中关键基因表达的重要作用。

瘤胃不同发育阶段的功能遗传基础模式图

总的来说，这项研究揭示了反刍动物瘤胃反刍功能的遗传和细胞学基础，解析了不同发育阶段绵羊和山羊瘤胃细胞功能及基因表达谱的转变，为研究反刍动物瘤胃细胞异质性和各阶段基因趋同表达机制，关键细胞类型及其与微生物的互作机制提供了重要科学理论依据。

中国农业大学/四川农业大学联合培养博士研究生邓娟（现四川农业大学博士后）、中国农业大学硕士研究生刘雅婧（现博士研究生）为共同第一作者，中国农业大学李孟华教授、四川农业大学李利教授为通讯作者。中国科学院动物研究所、华中农业大学、山东省滨州市畜牧兽医研究院等研究机构的科研人员参与了本项目研究。本研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及第二次青藏高原综合科学考察研究计划等项目的资助。

原文链接：https://www.genome.org/cgi/doi/10.1101/gr.278239.123