学术动态

 11月3日，国家肉牛牦牛产业技术体系岗位专家、江西农业大学江西省动物营养重点实验室瞿明仁教授团队在国际重要学术刊物《Microbiome》（5年IF = 19.4）在线发表题为“Revealing the developmental characterization of rumen microbiome and its host in newly received cattle during receiving period contributes to formulating precise nutritional strategies（doi:10.1186/s40168-023-01682-z）”研究成果。该研究首次对应激过渡期新进牛瘤胃微生物及血液代谢组进行深度多组学联合测序分析（瘤胃微生物宏基因组学、瘤胃代谢组学、血清代谢组学），深入揭示了应激过渡期新进牛瘤胃微生物基因集、瘤胃代谢产物图谱、血清代谢产物图谱的动态变化规律，成功构建了瘤胃微生物-宿主互作网络，科学阐明了新进牛生长受阻的机理，科学阐明了新进牛健康干预调控的窗口期。这一成果为精准制定新进牛的营养饲喂策略，缓解过渡期应激，促进其健康生长提供新视角。江西农业大学瞿明仁教授与李艳娇副研究员为本论文共同通讯作者，李艳娇副研究员和博士研究生毛康为共同第一作者。

图1 试验设计

研究背景：由于我国南北方气候、草料资源差别巨大，形成了“北繁南育—北牛南调”的产业模式和格局，新进牛应激与健康问题十分突出。新进牛过渡期内遭受多重应激造成生长阻滞、免疫力下降、疾病多发甚至死亡，是影响我国肉牛产业发展重大问题。据统计，每年造成约23亿元的巨大的经济损失。因此，新进牛过渡期应激预防和缓解技术研究成为国内外重大课题。近年来，采用药物防治，虽然显著降低了新进牛的死亡率，但因药物防治引起的生长受阻问题十分严重。瘤胃微生物稳态是肉牛健康生长的根基，血液代谢产物是新进牛健康状况直观反映。因此，探索新进牛在应激过渡期内的生理变化规律，特别是应激期新进牛瘤胃微生物及整个机体代谢变化规律十分重要，对揭示新进牛生长迟缓机制，制定精准营养干预策略，促进新进牛健康生长具有重大深远意义。

主要创新：

（1）科学解析了新进牛应激过渡期瘤胃微生物组成及功能的动态变化规律。作者采用瘤胃宏基因组测序技术分析应激过渡期不同时间点新进牛瘤胃微生物的组成和功能。结果发现，瘤胃细菌、古菌、真核生物的繁殖分别在运输前、运输后第16天、运输后第30天最为活跃；瘤胃菌群功能分析显示运输前显著富集通路主要是细胞基础代谢，运输后第4天以微生物生长繁殖为主，运输后第16天营养代谢旺盛且“甲烷代谢”显著富集；运输后第30天主要与真核代谢有关。对细菌和古菌在种水平上进行LEfSe差异分析（LDA > 2.5，P< 0.05）共筛选出43个显著差异的细菌和38个显著差异的古菌。细菌种水平上，运输前，参与多糖代谢的普雷沃氏菌显著富集；到场后第4天，11个差异细菌中有5个属于乳酸杆菌；到场后第16天，促进营养物质消化的优势菌显著富集，LDA值前五的细菌中有2个瘤胃球菌（Ruminococcaceae_bacterium_P7，Ruminococcus_flavefaciens），1个普雷沃氏菌（Prevotella_bryantii），但作者同时发现病原菌在这一时期也显著升高，包括直杆糖多孢菌（Saccharopolyspora_rectivirgula），以及3个柔膜菌（Erysipelotrichaceae_bacterium_NK3D112，Mollicutes_bacterium，Mycoplasma_sp_CAG_877）；到场后第30天，抗炎细菌丰度显著升高，包括1个卟啉菌（Prophyromonadaceae_bacterium）和2个另枝杆菌（Alistipes_sp_CAG_345，Alistipes_sp_CAG_514）。古菌种水平上，到场后第16天，4个显著富集的古菌中有2个属于甲烷短杆菌属（Methanobrevibacter_olleyae，Methanobrevibacter_ruminantium），甲烷短杆菌与此阶段瘤胃球菌（RuminococcaceaebacteriumP7，Ruminococcus flavefaciens）组合促进甲烷生成。尽管在运输后第16天能量代谢相关通路以及瘤胃MCP和VFAs的含量显著升高，但同时甲烷生成菌、病原菌以及甲烷代谢通路引起的能量损失也显著升高。

（2）深入阐明了新进牛应激过渡期瘤胃代谢组和血清代谢组的动态变化规律。通过LC-MC对瘤胃和血清代谢产物进行检测，结果发现运输后第4天主要差异瘤胃代谢产物与核苷酸代谢有关，运输后第16天和第30天差异代谢产物主要与鸟氨酸代谢有关；而血清主要差异代谢产物在运输后第1天主要为肌肉能量物质分解产物，在第16天和第30天主要差异代谢产物主要与甘油磷脂代谢有关。具体如下：与运输前相比，运输后第4天瘤胃中乳清核苷酸（Orotidylicacid）的含量显著上调，与这一时期瘤胃微生物功能分析中Pyrimidinemetabolism的变化一致；运输后第16天，一方面，瘤胃中主要上调的代谢产物是L-鸟氨酸（L-Ornithine），L-谷氨酸（L-Glutamate），N-乙酰-L-谷胺酰胺（N-Acetly-L-glutamicacid），精胺（Spermine）和亚精胺（Spermidine），这些代谢产物都是与鸟氨酸向多胺的转化有关。Spermine和Spermidine进入宿主血液循环时，它们可被胺氧化酶氧化为醛和过氧化氢，从而导致机体发生氧化应激。另一方面，吡哆胺（pyridoxamine）以及2',3'环磷酸腺苷（2',3'-cAMP）的含量在这一时期显著下降。Pyridoxamine是VB6的重要组成部分，其含量的下调，表明瘤胃微生物合成VB6代谢能力降低，从而影响宿主的免疫反应；而2',3'-cAMP下调可以促进病原菌生物膜的形成；同时，血清代谢产物磷脂酰胆碱（PC）和溶血磷脂酰胆碱（LysoPC）的含量显著下调，二者具有一定的抗氧化能力，其下调可能是机体发生氧化应激的一个诱因。运输后第30天，瘤胃L-鸟氨酸代谢产物（Spermidine和1,3-Propanediamine）的含量显著降低，以及血清PC和LysoPC的含量显著升高，二者的含量变化与宿主的免疫和炎症变化一致。

（3）成功构建了瘤胃微生物-宿主互作网络，首次揭示了新进牛生长受阻机制。作者将差异瘤胃细菌与血清应激指标、瘤胃差异代谢物及血清差异代谢物进行Spearman相关性分析，并结合瘤胃微生物组、瘤胃代谢组、血清代谢组变化规律，研究发现新进牛到场后第16天，瘤胃中产甲烷菌和致病菌基因丰度显著提升，多胺产生增多诱导机体氧化应激，瘤胃VB6和血清PC/LysoPC含量下降，免疫功能破坏（图2）。具体结果如下：Saccharopolyspora_rectivirgula以及三个柔膜菌（Erysipelotrichaceae_bacterium_NK3D112，Mollicutes_bacterium, Mycoplasma_sp_CAG_877）与血清应激指标（COR，ACTH以及TNF-α）以及瘤胃代谢产物（L-Ornithine，Spermine和Spermidine）呈显著正相关，而与PC和LysoPC类化合物呈显著负相关，表明新进牛在运输后第16天应激反应加剧与病原菌增多有密切关系。此外，在运输后第16天尽管Ruminococcaceae_bacterium_P7，Ruminococcus_flavefaciens和Prevotella_bryantii丰度显著升高促进了VFAs和MCP的合成，但同时甲烷代谢增强，造成能量损失；并且瘤胃2',3'环磷酸腺苷（2',3'-cAMP；生物膜合成的第二信使）和相关核苷酸代谢产物（cAMP，cGMP和adenine）含量的降低为病原菌繁殖提供有利条件，二者共同导致宿主发生炎症反应。另外还有多胺产生增多诱导机体氧化应激。相反，在运输后第30天，瘤胃细菌Prophyromonadaceae_bacterium，Alistipes_sp_CAG_345，Alistipes_sp_CAG_514的丰度显著升高，三者是抗炎细菌，其丰度升高是缓解机体炎症的一种可能因素。此外，在这一时期瘤胃原虫的增加，其降解精氨酸产生多胺的速度远远低于细菌，因此这一时期多胺水平的下降，机体氧化应激得到缓解，与瘤胃原虫丰度增加有关。

图2 应激过渡期新进牛瘤胃微生物与机体互作动态变化规律

  （4）科学明确了新进牛应激调控关键窗口期。作者研究了新进牛应激过渡期血清应激指标的变化，结果发现血清激素（COR和ACTH）和促炎因子（IL-1β、TNF-α和IL-6）水平在到场后第16天显著升高，同时，机体的抗氧化能力（SOD、GSH-Px和T-AOC）在这一时期显著降低，表明新进牛在到场后16天应激情况最为严重；而在第30天，血清激素和促炎因子水平显著低于其余各时间点，应激反应在到场后第30天得到缓解，据此表明新进牛关键调控窗口期为到场后16天左右，应激过渡期时长为30天左右。按此关键调控窗口期和应激过渡期进行干预，能抑制新进牛瘤胃甲烷和多胺产生及致病菌的繁殖，缓解新进牛应激，促进其健康生长，在生产实践中应用意义重大。

供稿：动物科学技术学院 李艳娇  审核：游金明