研究目的
揭示微生物对表型的影响：分析微生物群落的变化如何通过宿主遗传背景影响宿主的表型特征。
分析步骤
全基因组测序：对宿主样本进行重测序测序，进行变异检测分析,包括单核苷酸多态性（SNPs）、插入和缺失（InDels）等。
微生物组测序：对宿主样本中的微生物群落进行高通量测序，16s rRNA基因测序（物种层面关联）或宏基因组测序（可在物种和功能层面关联）。
全基因组关联研究（GWAS）：将宿主的遗传变异与其微生物群落组成或功能进行关联。
独立样本验证：在独立的宿主群体中验证发现的关联。
功能实验：通过实验（如基因敲除或过表达实验）来验证特定遗传变异对微生物群落的影响
研究技术路线
农学领域应用
植物相关微生物组的巨大功能潜力已经得到证实，宿主因素对微生物组的影响也进行了大量的研究。在特定的土壤类型及环境下，植物微生物组差异主要由宿主调控。植物在募集微生物组、筛选有益微生物并且抵御有害菌以及调控微生物之间的互作等方面发挥重要作用。不同植物品种及基因型在对微生物的募集上表现出明显的差异。植物基因型影响了根系代谢物、免疫系统功能及根系分泌物的组成，进而影响了微生物组的活动与结构。在面对生物或者非生物胁迫时，植物会通过遗传因子整合胁迫信号并参与主动重塑植物微生物群，利用“呼救”（cry for help）策略招募有益菌。[1]
图2-不同基因型植物在根际和叶际会召集不同的微生物，微生物之间通过互作形成复杂的网络结构[1]
医学领域应用
基于宏基因组测序MGWAS不仅能够识别到高分辨率的菌株水平的变化，还能识别患病个体中富集或降低的基于 KEGG、COG 和 EggNOG 等数据库注释的微生物的功能。MGWAS 应用于2型糖尿病、肥胖、结直肠癌以及类风湿性关节炎等人类疾病的研究，随着微生物领域的发展，MGWAS 在研究肠道微生物影响宿主复杂性状上将可以得到更广泛的应用。[2]
图3.调控肠道菌群的宿主源代谢分子[3]
mGWAS-经典案例1
中文标题：宿主遗传对雄性湖羊羔羊瘤胃微生物群驱动体重变异的遗传力和递归影响[4]
发表期刊：Microbiome
影响因子：13.8
发表时间：2023年8月29日
文章链接：https://doi.org/10.1186/s40168-023-01642-7
研究背景：遗传性瘤胃微生物群是反刍动物生长性能的重要调节因子，但关于宿主遗传-瘤胃微生物群相互作用及其与绵羊表型关联的信息尚不清楚。
研究方法： 研究人员收集并分析了1150只绵羊的全基因组重测序基因型、瘤胃微生物群16S rRNA数据以及纵向体重（BW）表型数据。
研究结果：
1. 方差分量模型表明瘤胃微生物群落多样性的遗传力显著。
2. 使用微生物特征作为性状的全基因组关联研究（GWAS）确定了411个位点-分类单元显著关联（P < 10^-8）。
3. 发现180天BW的遗传力为39%，而瘤胃微生物群可能发挥了重要作用，解释了20%的表型变异。
4. 微生物群关联研究和GWAS确定了4个标记属（Bonferroni校正P < 0.05）和5个新的遗传变异（P < 10^-8），它们与BW显著相关。
5. 综合分析确定了标记属在基因型影响表型中的介导作用，并阐明了相同的遗传标记对绵羊体重具有直接和间接的影响。
研究结论：该研究揭示了宿主遗传变异、瘤胃微生物群和绵羊体重性状之间的相互影响。所获得的信息为瘤胃微生物群的多样性特征提供了见解，并可能有助于设计精准的微生物群管理策略，以控制和操纵绵羊瘤胃微生物群，从而提高生产效率。
mGWAS-经典案例2
中文标题：对肠道微生物组、宿主遗传学和血浆代谢物的分析揭示了日本人群中肠道微生物组与宿主的相互作用[5]
发表期刊：Cell Reports
影响因子：7.5
发表时间：2023年11月6日
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.113324
研究背景：肠道微生物组与宿主之间的相互作用对人类健康至关重要。宿主遗传和血浆代谢物在肠道微生物组-宿主相互作用中发挥着作用。目前大多数关于肠道微生物组与宿主遗传关联的研究集中在欧洲人群，而东亚人群的研究较少。
研究方法：
对日本人群进行肠道宏基因组鸟枪法测序、血浆代谢组分析和单核苷酸多态性（SNP）阵列和全基因组测序，对肠道微生物物种、基因同源物和通路进行全基因组关联分析（GWAS），分析 ABO 血型与肠道微生物组特征之间的关系；分析肠道微生物组特征与血浆代谢物之间的关系。
研究结果：
1. 与 Bacteroides intestinalis 相关的基因位点 (chr7:32016991:C>G) 在东亚人群中的频率较高，而其他人群中的频率较低，这强调了在代表性不足的人群中进行肠道菌群泛基因组关联分析的重要性。
2. ABO 血型与多种微生物特征相关，例如 agaE、agaS 和与 N-乙酰半乳糖胺代谢相关的通路。这种关联可能依赖于肠道中的 N-乙酰半乳糖胺，并可能影响疾病风险。
3. 发现了胆汁酸与多种微生物特征相关，包括参与胆汁酸代谢的微生物基因同源物 bai 和 7β-羟基类固醇脱氢酶。
4. 肠道菌群多样性指数与胆汁酸之间存在关联，例如与脱氧胆酸的正相关和与鹅脱氧胆酸的反相关。这可能表明胆汁酸在选择肠道菌群多样性方面发挥作用。
研究结论：
该研究利用日本数据集进行的基于宏基因组测序的多组学研究确定了EAS特异性或功能可解释的肠道微生物组宿主因子关联，强调了用基于宏基因组鸟枪测序的方法分析目前代表性不足的人群的重要性。
图5-通过曼哈顿图和基因位点关联区域展示了肠道微生物物种与宿主遗传变异之间的关联，并提供了每个基因型下微生物物种丰度的可视化信息
参考文献：
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