动植物是由宿主和共生微生物构成的复杂生命系统,特别是动物胃肠道中栖息着丰富的微生物,它们与宿主间存在着复杂的共生、共代谢、共进化关系。近年来,随着新一代高通量测序技术飞速发展,极大地拓宽和提升了环境微生物学研究的目标、范围和能力,因此包括人类在内的动物肠道微生物研究成为热点。已有研究证明,肠道微生物受环境和遗传因素共同影响,并已经初步完成了对人类和部分模式动物和农业动物肠道微生物的基本认知,相应的生物数据库也得到了不断的充实和完善,并且在此基础上对宿主性状、遗传基础、肠道微生物间的复杂关系进行了研究和探讨。尽管如此,受到理论、技术和方法等诸多因素所限,我们对动物肠道微生物的了解还停留在对表型数据收集整理和简单的、单一方向上相关关系分析层面,对宿主-肠道微生物间复杂的互作关系,以及物种长期适应和演化中两者的共进化关系知之甚少。因此,本研究以美国弗吉尼亚理工大学Paul Seigel教授长期依据绵羊红细胞免疫抗体滴度和体重性状双向选择家系鸡为研究模型,采用新一代高通量测序技术,检测宿主肠道组织m RNA和mi RNA转录表达、基因组DNA甲基化修饰以及肠道菌群的组成和分布,从转录组学、表观组学、微生物组学层面分析比较当机体受到强烈的人工选择和干预情况下,宿主和肠道微生物发生怎样的适应性改变,并从共生总体和共生总基因组视角,对多组学信息进行系统的整合分析,旨在了解宿主遗传基础、生理性状、肠道微生物区系间可能存在的内在联系,为对包括人类在内的动物宿主-肠道微生物共生、共进化的分子机制研究提供基本借鉴和参考。本研究得到如下主要结果:1、在经过长期的人工双向选择后,抗体滴度双向选择家系肠道微生物区系的群落结构发生显著改变。与高抗严格选择家系（high antibody selection line,HAS line）相比,潜在致病菌变形菌门（Proteobacteria）的8个属都在低抗严格选择家系（low antibody selection line,LAS line）中丰度显著增加;微生物功能分析也发现感染性疾病（Infectious diseases）代谢通路在LAS家系显著富集。而当放松选择后,变化的肠道微生物功能和宿主免疫反应的强弱呈负相关关系,尤其是一些高丰度微生物,如产短链脂肪酸的菌疣微菌科（Ruminococcaceae）和颤螺旋菌属（Oscillospira）在高抗放松选择家系（high antibody relax line,HAR line）的丰度显著增加,可能参与了宿主过高抗体反应强度的下调。另外,免疫系统（Immune system）代谢通路也在HAR家系显著富集,而乳酸菌丰度在低抗放松选择家系（low antibody relax line,LAR line）显著增加,可能参与了宿主抗体反应强度的上调。上述结果一定程度上反映了肠道微生物广泛参与了宿主免疫系统的调节,以适应宿主遗传结构的改变。2、进一步证明长期体重双向选择改变了肠道微生物区系的群落结构。基础数据显示,不同肠段微生物区系组成不同,特别盲肠和小肠之间微生物区系显著不同,微生物多样性最高。比较分析高体重家系（high weight line,HW line）和低体重家系（low weight line,LW line）中盲肠微生物发现,有8个产短链脂肪酸的微生物属丰度均在HW家系盲肠显著增加,这可能为宿主提供了充足的能量底物,供宿主吸收有关。进一步的宏基因组测序分析结果显示,在HW家系中与宿主生长相关的通路,如TCA循环、糖异生作用、氧化磷酸化以及PPAR信号通路均在HW家系显著富集,暗示肠道微生物可能对宿主体重性状产生一定的影响。3、盲肠组织转录组结果分析显示,HW和LW家系共有327个差异表达基因,其中与宿主生长相关的IGF2BP1基因在HW家系中为最显著上调的基因。另外,与心肌心脏发育功能簇相关的基因Myl2、MYBPC3和CASQ2均在HW家系表达量显著上调,而与防御素功能簇相关的基因GAL2、GAL6和GAL7表达量均在LW家系显著增加。结果显示经过人工双向选择后,盲肠中与宿主生长、心肌心脏发育以及先天免疫相关基因的表达也发生了相应的改变。4、盲肠组织甲基化组结果分析显示,HW和LW家系共有4779个差异甲基化区域,包含641个差异甲基化基因。结合m RNA转录表达谱分析发现,共有16个基因的甲基化水平和表达水平均发生了显著变化,其中,与生长相关的IGF2BP1基因的差异甲基化发生在Cp G岛区域,且离转录起始位点距离只有388bp;该基因在LW家系甲基化水平显著增加而且表达水平显著降低,说明与宿主生长相关基因的甲基化水平改变可能对该基因表达有一定调控作用。5、对盲肠多组学的信息整合分析发现,宿主盲肠基因表达、mi RNA表达和一些微生物丰度之间存在较高的相关性。如ENSGALG00000026130的表达和黄杆菌科（Flavobacteriaceae）的丰度之间、gga-mi R-1682的表达和瘤胃球菌属（Ruminococcus）丰度之间呈正相关,且相关性均大于0.8。一定程度说明宿主和肠道微生物间互作关系。综上所述,在选择压力作用下,肠道微生物快速响应宿主基因组的变化并发生了适应性的改变,且这种改变可能对宿主的性状有着重要的影响,如改变的微生物可能参与调节宿主免疫反应,可能在宿主物质和能量合成代谢方面发挥着重要作用。另外,宿主盲肠组织基因的转录表达和表观遗传均发生显著改变,其中,IGF2BP1和SMAD1等生长相关基因在转录表达和甲基化修饰方面发生极为显著的变化。这些结果既反映了宿主对体重性状选择的应答,也暗示着鸡盲肠可能广泛参与了宿主生长、免疫及心脏等生理过程及其调控。因此我们推测,在选择压力下宿主遗传基础和肠道微生物共同发生适应性的变化,且这种变化产生的效应总和可能对宿主的性状有重要的影响。