牛奶是不可缺少的高营养动物蛋白产品，全球人均奶年消费量超过100千克/年。许多因素都会影响牛奶产量和质量，包括遗传、管理方式和饲料组成等。瘤胃是一种生物反应器，可使奶牛从不易消化的食物中获取营养，从而促进奶牛的生长和发育。

 

对于牛奶蛋白的生物合成，首先通过降解膳食粗蛋白，然后利用降解的蛋白合成瘤胃中的微生物蛋白，最后将其与未降解的膳食蛋白一起消化成氨*基酸，并在小肠中进行吸收。氨*基酸被转运到肝脏，然后通过血液循环转运到乳腺，合成牛奶蛋白。此外，牛奶生产和牛奶蛋白的生物合成是一个复杂的生物过程，不仅涉及瘤胃，而且还涉及代谢过程。例如血清代谢物分析显示，高和低MPY（蛋白产量）奶牛之间的代谢物存在差异，表明宿主代谢确实可以促进奶牛高产蛋白的生物学过程。研究表明，瘤胃微生物组与宿主共同作用会影响奶牛的排放量和饲料效率。但是这些代谢物的变化与瘤胃微生物之间是否存在相关性？二者是否共同作用影响奶牛的生产性能？微生物代谢物和宿主代谢物是否对MPY有贡献？以及具体有什么影响等等？这些问题尚不清楚。因此，本研究从多组学的角度对奶牛的瘤胃和宿主代谢情况进行分析，研究瘤胃微生物组、瘤胃代谢组和宿主代谢组对奶牛生产性能的影响及贡献。

部分结果展示：

1.    HH和LL奶牛的瘤胃微生物组成特征和差异

首先研究人员对HH（牛奶产量和牛奶蛋白含量高的母猪）和LL（牛奶产量和牛奶蛋白含量低的母猪）进行了表型分析，发现HH和LL组在牛奶产量和MPY等方面存在显着差异。然后通过口腔胃管采集瘤胃内容物进行微生物组分析，结果显示瘤胃元基因组主要由94.43％的细菌、3.80％的真核生物、1.41％的古细菌和0.16％的病毒组成。多元方差分析显示，HH和LL两组之间的细菌和古细菌都存在显着差异，而真核生物和病毒没有差异。因此，在两组动物瘤胃微生物群之间的差异主要集中在细菌和古细菌。

 

 

图1. HH和LL奶牛的瘤胃细菌和古细菌种类不同

进一步的对差异微生物进行分析。发现在门的水平上，LL奶牛的瘤胃中拟杆菌显著升高，而变形菌门在HH奶牛的瘤胃中更高。在属的水平上，LL奶牛的瘤胃中最丰富的古细菌是甲*烷短杆菌，其他差异微生物属则在HH奶牛的瘤胃中更为丰富。

 

图2. HH和LL奶牛的微生物组成特征

 

2.    微生物物种与微生物功能之间的关联分析

由于蛋白质含量是MPY的决定性指标之一，因此研究人员进一步对瘤胃微生物组中氨*基酸的代谢功能进行了分析。发现了两个重要的支链氨*基酸（BCAA）的途径，分别是“缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸的生物合成”（在HH牛的瘤胃中富含）和“缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸的降解”（在LL牛的瘤胃中富含），这些途径解释了HH和LL组之间微生物功能的差异。此外，还比较了这两个途径中涉及编码酶基因的丰度，结果显示HH母牛的瘤胃中与BCAA生物合成有关的编码酶基因都显着富集，而与BCAA降解有关的编码酶基因丰度在LL奶牛的瘤胃中却很高。然后研究人员将细菌物种和这两个BCAA途径进行了相关网络分析，以探索瘤胃细菌如何影响BCAA的功能。结果发现共有24个物种与这两个BCAA途径显着相关，其中13个物种与BCAA生物合成途径呈正相关性，有5种细菌显著正相关，分别是P. multisaccharivorax、P. histicola、P. maculosa、P. buccae和P. albensis。

 

图3. HH和LL牛瘤胃中BCAA代谢所涉及的微生物功能和种类

 

3.    瘤胃代谢物和血清代谢物的特征

研究人员通过GC-MS平台对瘤胃和血清样本进行了代谢组学分析。在瘤胃中总共鉴定出263种化合物，有25种代谢物显著差异。与LL相比，在HH母牛的瘤胃中这25种代谢物均显着更高。紧接着研究人员基于这25种差异的瘤胃代谢产物进行了代谢途径分析，共有10种代谢途径显著富集，其中“维生素B6代谢”，“甘油脂代谢”和“β-丙氨酸代谢”最为显著。在瘤胃代谢组与表型的关联分析过程中，发现共有126种瘤胃代谢物与MPY显着相关。其中在HH奶牛中，瘤胃中的总挥发性脂肪酸（VFA）、丙酸、戊酸和异戊酸等含量较高。

 

 

图4. HH和LL奶牛的瘤胃代谢组

在奶牛的血清中，共鉴定出的176种化合物，共有31种代谢物显著差异。其中HH奶牛血清中有19种代谢物的浓度显着升高，而LL奶牛血清中12种代谢物的相对浓度显着更高。然后将这31种差异代谢物导入代谢通路进行分析，发现共有12种代谢途径被富集，其中“甘氨酸，丝氨酸和苏氨酸代谢”，“烟酸酯和烟酰胺代谢”和“鞘脂代谢”，“氨酰基-tRNA生物合成”和“缬氨酸，亮氨酸和异亮氨酸降解”是显着富集的代谢通路。在血清代谢组与表型的关联分析中，发现有21种血清代谢物与MPY显著相关。

 

图5. HH和LL奶牛的血清代谢组

为了确定瘤胃中与表型MPY相关的代谢产物是否与血清中的代谢产物有关，研究人员比较了瘤胃和血清代谢产物。差异代谢物富集途径显示，HH奶牛的瘤胃和血清里共有的三种途径，包括“嘧啶代谢”，“甘油脂代谢”和“淀粉和蔗糖代谢”。与MPY相关的瘤胃和血清代谢物共有的途径有“精氨酸和脯氨酸代谢”，“氨酰tRNA生物合成”和“嘌呤代谢”。

4.    瘤胃微生物组、瘤胃代谢组和血清代谢组之间的关系及其对MPY的贡献

为了确定潜在的瘤胃微生物组-宿主代谢相互作用，研究人员对瘤胃微生物群和血清代谢物进行了相关性分析。结果发现，7个普氏菌属与甘氨酸，丝氨酸，苏氨酸，丙氨酸，天冬氨酸，谷氨酸，半胱氨酸和甲硫氨酸呈正相关，说明普氏菌可能影响氨*基酸的代谢。此外，研究人员使用线性混合效应模型估算由于瘤胃微生物组成，微生物功能，瘤胃代谢产物和血清代谢产物而引起的MPY变化的比例。结果显示由瘤胃微生物组成、微生物功能、瘤胃代谢组和宿主血清代谢组解释的MPY变异的比例分别为17.81％、21.56％、29.76％和26.78％。

图6. 瘤胃代谢组，代谢组和血清代谢组之间的相互作用

延伸与讨论：

在同样的营养和管理条件下，奶牛的蛋白含量有较大的差异。本研究通过整合瘤胃微生物组、瘤胃代谢组和血清代谢组，研究了瘤胃微生物组和宿主代谢组相互作用机制，并估计了瘤胃微生物组成、功能和代谢产物对表型的贡献，揭示存在这种差异的原因。除此之外，发现微生物功能、瘤胃代谢组和宿主血清代谢组对MPY的贡献较大，分别是21.56、29.76和26.78％，其次是菌群组成（占比17.81%）。本研究将有助于对促进高质量牛奶生产的肠道菌群依赖性和宿主代谢产物依赖性机制的理解，提示饲养人员可通过饮食管理或遗传选择来改变奶牛瘤胃菌群，从而提高牛奶质量和品质。