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上海阿趣生物科技有限公司
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公司新闻/正文
NPJ BIOFILMS MICROBI｜云南农业大学借多组学手段，深度剖析密集饲养系统对牦牛的影响
165 人阅读发布时间：2025-04-03 15:23
英文标题：Multiomics of yaks reveals significant contribution of microbiome into host Metabolism
中文标题：牦牛的多组学揭示了微生物组对宿主代谢的重要贡献
发表期刊：npj biofilms and microbiomes
作者单位：云南农业大学
影响因子：7.8
百趣提供服务：新一代代谢组学 NGM 2、短链脂肪酸靶标代谢组学、宏基因组
研究背景
本研究通过瘤胃宏基因组学、瘤胃代谢组学和血浆代谢组学方法，对比了集约化饲养系统与传统放牧系统对牦牛的影响，重点探究了集约化饲养对牦牛瘤胃微生物群（包括组成和功能）、微生物代谢物以及宿主代谢物的具体影响，旨在明确集约化饲养下牦牛瘤胃微生物群的变化及其对机体代谢的作用。
技术路线
结果与分析
1.集约化饲喂对牦牛的生长、代谢和生理有显著影响
研究者通过对牦牛饲养量成分、与动物健康状况以及体内饲粮营养代谢相关的血清生化指标的测定，结果显示集约化饲养牦牛的饲粮中粗蛋白质和淀粉含量较高，而中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量较低（表1）且集约化牦牛的体重显著改善（表2）。集约化组牦牛的碱性磷酸酶、总胆红素、直接胆红素、间接胆红素和葡萄糖水平以及肌酐和总胆固醇浓度均显著高于放牧组（表3），说明集约化饲养对牦牛的生长、代谢和生理产生了显著影响。
表1.集约化牦牛饲料的成分和营养成分
表2.集约化牦牛生长表现参数
表3.集约化牦牛血清生化指标分析
2.瘤胃宏基因组学揭示了集约化饲养系统下牦牛瘤胃微生物组的多样性和结构
研究者对测序得到的宏基因组学数据进行相关分析，发现集约化饲喂系统使牦牛瘤胃中细菌和病毒的结构域增加，而放牧组真核生物丰度更高，此外两组的瘤胃细菌、真核生物和病毒种类存在差异，且集约化组牦牛的瘤胃细菌、古菌和真核生物在物种水平上的丰富度降低（图1）。
图1.集约化饲喂对牦牛瘤胃微生物群结构的影响
3.集约化饲养系统改变牦牛瘤胃微生物组的组成特征
研究者对牦牛瘤胃微生物群落结构进行了分析，发现集约化饲养系统显著改变了微生物的丰度和组成。具体结果如下：在细菌门水平上，集约化饲养系统增加了厚壁菌门的丰度，减少了拟杆菌门的丰度(图2A)；在古菌属水平上，集约化组牦牛瘤胃中的仅甲烷短杆菌含量高于放牧组(图2B)；真核生物属水平中，新丽鞭毛菌属（Neocallimastix）、梨囊鞭菌属(Piromyces)和厌氧菌属(Anaeromyces)是主要的分类群，且在集约化组中的丰度更高(图2C)，集约化饲养系统增加了瘤胃病毒属的丰度(图2D)，并进一步使用网络分析确定了物种水平的微生物组相互作用，细菌物种是连接古细菌、真核生物和病毒的桥梁节点(图2E)。以上结果表明，集约化饲养系统不仅改变了牦牛瘤胃微生物的丰度和组成，还影响了微生物之间的相互作用。
图2.放牧组和集约化组瘤胃微生物组结构组成
4.集约化饲养系统对牦牛瘤胃微生物群功能特征的影响
研究通过京都基因与基因组百科全书(KEGG)和CAZymes数据库分析了瘤胃微生物组的功能。结果显示，“代谢”和“遗传信息处理”在KEGG一级分类中占主导。集约化饲养牦牛瘤胃中，氨基酸代谢、碳水化合物代谢和能量代谢相关通路显著富集，而放牧组则显著富集信号转导通路。总体上，集约化饲养提升了氨基酸和碳水化合物代谢功能(图3A）。对于CAZymes数据库分析显示，糖苷水解酶(GHs) 、糖基转移酶(GTs) 、碳水化合物结合模块(CBMs)以及碳水化合物酯酶(CEs) 在所有样品中占据主导地位(图3B）。
图3.集约化饲养系统对牦牛瘤胃微生物群功能特征的影响
5.瘤胃微生物组与其功能的关联
研究者关注了集约化饲养和放牧系统中日粮中的蛋白质和碳水化合物含量对瘤胃微生物群中氨基酸和碳水化合物代谢的影响。结果显示，“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”、“丙酮酸代谢”和“甲烷代谢”途径在集约化组牦牛瘤胃中富集，且相关酶的基因丰度也更高((图3A）。研究者进一步构建了物种与这三种途径之间的Spearman等级相关网络(图4），发现细菌物种在正相关和负相关中都起着关键作用，其中梭菌属物种表现出最强的正相关，而拟杆菌属物种是负相关的主要成员。
图4.不同的微生物组物种与三种最重要的途径之间的关联
6.与集约化饲养系统相关的瘤胃发酵参数和代谢组
研究发现集约化饲养系统改变了牦牛瘤胃发酵方式，集约化组的戊酸和异戊酸浓度较高（表4），区分两组的特征代谢物来自宿主和瘤胃微生物组(图5A,5B），且与氨基酸代谢有关，进一步的代谢途径分析鉴定出11条显著不同的代谢通路(图5C）。
表4.放牧和集约化饲养牦牛微生物发酵产物的变化
图5.放牧和集约化饲养牦牛的瘤胃代谢组研究
7.集约化饲养系统对血浆代谢组的影响
研究发现集约化饲养系统显著改变了牦牛血浆代谢组结构。集约化组中26种代谢物（如D-脯氨酸、L-苯丙氨酸等）的相对浓度显著性更高且两组间代谢途径包括“牛磺酸和次牛磺酸代谢”、“苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成”等通路具有显著性差异(图6）。
图6.放牧和集约化饲养牦牛的瘤胃血浆代谢组研究
8.瘤胃微生物组、瘤胃代谢组和血浆代谢组之间的关系揭示了集约化饲养系统影响牦牛的机理
通过综合分析瘤胃微生物组、代谢组和血浆代谢组，研究揭示了集约化饲养系统对牦牛的影响及其作用机制。网络分析显示，瘤胃细菌与瘤胃代谢物密切相关。每组的临界微生物群与其特定的代谢物相关，形成了两个负相关的模块。类似地，瘤胃微生物组与血浆代谢物之间也存在显著相关性，此外，瘤胃和血浆代谢物之间的特征代谢物分别形成两个亚基（图7）。值得注意的是，放牧牦牛的瘤胃和血浆代谢组学中丰度较高的共有代谢物（如L-肉碱和脯氨酸甜菜碱）呈正相关（图8A）。显著富集的KEGG途径包括“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”等（图8B），表明瘤胃微生物和代谢产物相互作用，影响宿主血浆代谢。
图7.显著性微生物物种和三个重要途径之间的联系
图8.瘤胃和血浆代谢物及代谢途径的比较
总结
本文采用多组学方法，对牦牛集约化饲养系统的调控机制进行分类与研究，显示与传统放牧方式相比，集约化饲养方式显著提高了牦牛的生长性能、瘤胃发酵和血清参数；确定了瘤胃微生物组、微生物功能、代谢物的特征，以及它们与有益于牦牛生长的血浆代谢组的关系。总之，集约化饲养系统可能通过瘤胃微生物和宿主代谢物改善牦牛生长。