宿主基因组-微生物关联（mGWAS）新思路！

动植物表型与基因型密切相关，全基因组关联研究(GWAS)被广泛用于分析表型变异的遗传基础，GWAS利用全基因组范围内群体中高密度的分子标记，鉴定与复杂性状表型变异相关联的分子标记，进而挖掘与表型相关基因。然而表型性状并不是仅由基因型决定的，也会受到宿主本身微生物环境的影响。微生物群落组成和丰度是能够被宿主遗传物质所调控的，微生物群落和宿主基因型共同调控宿主的表型性状。

将GWAS与微生物群落进行关联分析即mGWAS(microbiome Genome-Wide Association Study)。mGWAS是以微生物群落的数据作为表型，与基因组SNP数据进行关联分析，帮助人们更好地理解宿主和微生物以及表型性状之间的相互作用，以及遗传因素对微生物群落的影响。微生物组全基因组关联研究(mGWAS)已经用于阐明宿主遗传变异与人类肠道的关系以及拟南芥与其微生物组的相互作用。

图 宿主与肠道菌群相互作用概述[1]

接下来和小编一起来看几篇文献，了解一下mGWAS的应用吧！

案例一

中文题目：番茄根际微生物组的遗传基础解析[2]

期刊：Nature Communications

影响因子：17.694

发表时间：2022

DOI：10.1038/s41467-022-30849-9

研究通过由100个品系组成的F8 重组自交系（RIL）群体构建了番茄高密度基因组图谱，通过对RIL群体温室盆栽实验，收集番茄根际土壤，开展扩增子、宏基因组、宏基因组binning以及宏基因组SNV检测，将获得的微生物ASV、contigs、高质量MAGs以及SNV等分类特征和功能特征作为数量性状，映射到野生番茄和现代番茄品种杂交的重组自交系（RILs）种群高密度图谱，明确番茄进化过程中根际微生物的组装机制。为“植物-微生物组育种”提供了理论依据。

图1  实验设计图

图2  根际微生物群组合的遗传基础

图3  16S rRNA QTLs

案例二

中文题目：ABO基因型通过调节猪的N-乙酰半乳糖胺水平改变肠道微生物群[3]

期刊：Nature

影响因子：64.8

发表时间：2022

DOI：10.1038/s41586-022-04769-z

以不同世代的1500多个个体为研究对象进行多组学研究。16S rRNA测序发现微生物群组成和特定分类群的丰度是可遗传的。将全基因组重测序鉴定到3000多万个宿主基因组变异与微生物分类进行关联分析（mGWAS），鉴定到影响猪ABO血型的一个基因缺失导致其肠道中丹毒丝菌科细菌的丰度差异。全长基因组及转录组测序进一步研究发现，ABO血型基因通过影响肠道中N-乙酰半乳糖胺（GalNAc）浓度从而影响丹毒丝菌科细菌的丰度。在小鼠模型中，研究发现受ABO血型影响的丹毒丝菌科菌株具有更完整的GalNAc转运和代谢通路，GalNAc会显著影响肠道中丹毒丝菌科相关细菌的丰度。本研究有力证明宿主遗传会影响肠道菌群的组成和丰度。

图1  文章概要

图2  猪肠道微生物群遗传力分析

案例三

中文题目：基于谷子中基因型依赖的微生物效应，mGWAS提供精准农业见解[4]

期刊：Nature Communications

影响因子：16.6

发表时间：2022

DOI：10.1038/s41467-022-33238-4

本研究通过综合 GWAS、微生物组全基因组关联研究以及微生物组全基因组关联研究 (mGWAS) 方法揭示了不同谷子品种的基因型、表型和根际微生物群变量之间的关联。研究鉴定了 257 个与六个关键农艺性状相关的根际微生物生物标志物，使用从田间分离的标志物菌株验证了微生物介导的对谷子生长的影响。根际微生物群组成主要由与免疫、代谢物、激素信号和养分吸收相关的植物基因的变化驱动，揭示了有助于表型可塑性的植物基因型-微生物群相互作用网络。宿主基因型通过影响微生物进而对谷子生长造成影响，这表明精确的微生物组管理可用于在农业系统中设计高产品种。

图1 微生物标志物促进谷子在不同基质上的生长

图2 寄主遗传变异与常见细菌类群相关

图3 标记菌株通过基因型依赖的方式影响谷子表型

参考文献

[1] An overview of host‐derived molecules that interactwith gut microbiota.iMeta,2022.

[2] Disentangling the genetic basis of rhizosphere microbiome assembly in tomato.Nature Communications,2022.

[3] ABO genotype alters the gut microbiota by regulating GalNAc levels in pigs.Nature,2022.

[4] GWAS, MWAS and mGWAS provide insights into precision agriculture based on genotype-dependent microbial effects in foxtail millet.Nature Communications,2022.