UPGG基因组目录：拓展猪肠道微生物组的分类与功能多样性及其对人类微生物研究的模型意义

本研究针对猪肠道微生物组基因组资源不足的问题，构建了统一的猪胃肠道基因组（UPGG）目录，包含38,786个微生物基因组和7,875万非冗余蛋白编码基因。通过分析5,784个宏基因组样本，研究人员系统揭示了微生物的分布模式、抗生素抗性基因（ARGs）和代谢基因簇（MGCs）特征，并构建了436个物种的泛基因组。研究发现猪肠道微生物组与人类具有高度相似性，表明猪可作为研究人类肠道微生物的理想模型。该资源为宿主-微生物共进化研究提供了重要平台。

　　

在动物生产与健康研究中，猪肠道微生物组扮演着关键角色。这些数以亿计的微生物与宿主形成共生关系，参与代谢调节、免疫应答等重要生理过程。近年来研究发现，猪肠道微生物与断奶应激、肉品质等生产性能密切相关。然而，现有研究多依赖16S rRNA测序技术，难以从基因组层面揭示微生物的功能特性。虽然已有研究构建了猪肠道微生物基因目录（PGC）和整合基因目录（PIGC），但这些资源主要包含中等质量（completeness≥50%）的宏基因组组装基因组（MAGs），且样本覆盖范围有限，制约了微生物多样性和功能潜力的深入探索。

为突破这一瓶颈，浙江大学动物科学学院的研究团队在《npj Biofilms and Microbiomes》发表了题为"UPGG: expanding the taxonomic and functional diversity of the pig gut microbiome with an enhanced genome catalog"的重要研究成果。该研究通过整合全球5,784个宏基因组样本，构建了迄今为止最全面的猪肠道微生物基因组资源——统一猪胃肠道基因组（UPGG）目录。

研究团队采用标准化的宏基因组分析流程。首先从11个国家收集样本，涵盖不同年龄、性别、品种和地理区域。使用fastp进行数据质控，bowtie2去除宿主序列，megahit进行组装。通过MetaWRAP流程整合MetaBAT2和MaxBin2的分箱结果，利用CheckM评估基因组质量。使用dRep去冗余后，获得38,786个高质量MAGs（其中58.1%为高质量基因组）。随后通过GTDB-tk进行物种注释，Prokka进行基因预测，并利用多种数据库进行功能注释。

微生物基因组重建与分类学景观

研究成功重建42,710个MAGs，经过严格质量控制后保留38,786个基因组，其中24,802个（58.1%）达到高质量标准（completeness≥90%，contamination<5%）。

分类学分析显示UPGG覆盖26个门（24个细菌门和2个古菌门）和1,004个属，显著扩展了已知微生物多样性。与PIGC相比，UPGG新增1,190个特有物种，且在基因组完整性方面有显著提升。

UPGG提升分类学分析准确性

通过构建定制化Kraken2数据库，研究发现UPGG在物种分类准确性方面显著优于现有数据库。在模拟数据和真实数据测试中，"Kraken2+UPGG"组合均表现出最高的F1值，为后续微生物组成分析提供了可靠工具。

微生物分布模式与环境影响因素

多元分析表明，宿主年龄是影响微生物组成的最大因素，其次为品种、国家和性别。地理分布分析揭示了中国地方品种（如金华猪、藏猪）微生物组成的独特性。气候因素虽然解释度有限（2.23%），但仍与微生物丰度分布存在显著关联。

功能基因目录与抗生素抗性基因

研究预测了78,755,674个蛋白编码基因，其中25.31%在公共数据库中无同源序列，49.67%未被赋予已知功能，表明猪肠道微生物蕴含大量未知功能基因。

抗生素抗性基因分析鉴定出10,769个ARGs，分属546种类型，其中四环素类抗性最为富集。研究还发现20个同时携带ARGs和移动遗传元件（MGEs）的contig，这些ARG-MGE可能成为抗性基因传播的移动储备库。

物种内基因组多样性模式

通过构建436个物种的泛基因组，研究发现厚壁菌门（Firmicutes）物种表现出最快的基因获取速率。核心基因仅占泛基因组的9.008%，但在COG和KEGG注释中覆盖度更高。功能分析显示附属基因更多参与防御机制和移动元件相关功能。

单核苷酸多态性（SNVs）分析鉴定出23,350,975个SNVs，其中0.4%为品种特异性SNVs。中国地方品种表现出更高的微生物基因组多样性。

猪作为人类肠道微生物研究模型的潜力

比较分析显示，UPGG与人类微生物组具有最高相似性，5,366个MAGs与中国人肠道MAGs高度一致（ANI>90%）。地理特异性分析表明，中国地区的人猪微生物组相似度显著高于法国样本。核心物种比较进一步证实猪与人类共享更多核心微生物物种。

研究结论强调，UPGG目录的构建不仅显著拓展了猪肠道微生物组的分类和功能多样性，还为宿主-微生物互作研究提供了宝贵资源。通过泛基因组和SNVs分析，研究揭示了微生物基因组的高度可塑性和环境适应性。特别重要的是，研究发现猪肠道微生物组与人类具有高度相似性，且中国地方品种在这一相似性中贡献突出，表明猪可作为研究人类肠道微生物的理想模型动物。

该研究的创新性在于建立了迄今为止最全面的猪肠道微生物基因组资源，克服了以往数据库样本代表性不足、基因组质量有限的缺陷。UPGG目录的发布将推动猪肠道微生物研究从描述性分析向机制性研究的转变，为理解宿主-微生物共进化提供新的视角。同时，研究建立的标准化分析流程和公开数据库（https://alphaindex.zju.edu.cn/upgg/#/）将为相关领域研究者提供重要技术支持。