2025-06-23
圍產期反芻動物的代謝紊亂會影響其健康和生產性能。腸道微生物群在代謝中發揮關鍵作用，但目前對瘤胃和糞便微生物組的演替模式及其對宿主代謝的影響仍認知不足，探索驅動這些微生物組動態變化的關鍵因素至關重要。近期，中國農業大學李(li)勝利教授團隊在GigaScience發表文章“Deterministic succession patterns in the rumen and fecal microbiome associate with host metabolic shifts in peripartum dairy cattle”。利用大規模腸道微生物組數據集和基于腸型及生態模型的微生物組分析，全面闡明圍產期奶牛腸道微生物群的演替和組裝規律。并進一步證實，腸道微生物群演替模式的變(bian)化(hua)與圍產期奶牛的代(dai)謝(xie)表型(xing)顯(xian)著相關。
本研(yan)究中的16S rDNA 測序(xu)、宏(hong)基(ji)因組測序(xu)和部分(fen)分(fen)析工作(zuo)由上海(hai)派森諾生物科技股份有限公司完成。
研究方法(fa)
1.實驗設計與樣(yang)本采集(ji)：從211頭健(jian)康經(jing)產妊娠奶牛(niu)中評估篩選出91頭。在預計產犢前 21 天及(ji)產犢后第 1、3、7、14 和 21 天，采集奶牛(niu)的瘤(liu)胃(wei)液、糞便和血液樣本。
2.血清參數測定：檢測葡萄糖（GLU）、甘(gan)油(you)三酯（TG）、天冬氨酸氨基轉(zhuan)移酶（AST）等多種代謝、抗氧化及炎癥相關指標(biao)，計算RBHB指數。
3.微生物組測序：所(suo)有(you)樣本進(jin)行(xing)(xing)16S rRNA 基(ji)(ji)因(yin)測序(xu)；從瘤胃和糞便樣本中各隨機(ji)選擇30個（分3階段，每階段10個）進(jin)行(xing)(xing)宏基(ji)(ji)因(yin)組測序(xu)。
4.生物信息學與統計分析：16S rRNA 基因數據，構(gou)建(jian)瘤(liu)胃和糞便的ASV數據集并進行分析；宏基因組數據同(tong)樣構(gou)建(jian)數據集并分析。
圖1 整體實驗流程
瘤胃(wei)和(he)糞(fen)便(bian)微生物群(qun)(qun)的(de)個(ge)體間差異顯著大(da)于個(ge)體內差異（圖(tu)(tu)2A和(he)F）。應用Dirichlet多項式混合模(mo)型（DMM）劃分得到(dao)7個(ge)瘤胃(wei)和(he)5個(ge)糞(fen)便(bian)DMM聚(ju)類(lei)(lei)（圖(tu)(tu)2B和(he)G）。每個(ge)RDMM（瘤胃(wei)微生物DMM聚(ju)類(lei)(lei)）均表(biao)現(xian)出獨特(te)的(de)出現(xian)時間和(he)優勢(shi)(shi)屬（圖(tu)(tu)2C和(he)D），群(qun)(qun)落特(te)征隨時間變化：優勢(shi)(shi)聚(ju)類(lei)(lei)從產(chan)(chan)前的(de)RDMM4和(he)RDMM5轉(zhuan)變為(wei)產(chan)(chan)后(hou)1天的(de)RDMM6，3天的(de)RDMM3，7天的(de)RDMM2，最后(hou)在14天和(he)21天變為(wei)RDMM1（圖(tu)(tu)2C）；除RDMM3，其他RDMM聚(ju)類(lei)(lei)的(de)多樣性在不同時間點保持相對穩(wen)(wen)定(ding)（圖(tu)(tu)2E）。FDMM（糞(fen)便(bian)微生物 DMM 聚(ju)類(lei)(lei)）趨(qu)勢(shi)(shi)類(lei)(lei)似（圖(tu)(tu)2H和(he)I）：FDMM1在產(chan)(chan)前21天和(he)產(chan)(chan)后(hou)1天占優勢(shi)(shi)，產(chan)(chan)后(hou)3天發生群(qun)(qun)落轉(zhuan)移且(qie)無優勢(shi)(shi)聚(ju)類(lei)(lei)，產(chan)(chan)后(hou)7-21天穩(wen)(wen)定(ding)，FDMM2和(he)FDMM3成為(wei)優勢(shi)(shi)聚(ju)類(lei)(lei)。FDMM1、FDMM2和(he)FDMM3的(de)Shannon指(zhi)數先下(xia)降后(hou)穩(wen)(wen)定(ding)，FDMM4持續下(xia)降，FDMM5呈(cheng)波動趨(qu)勢(shi)(shi)（圖(tu)(tu)2J）。
圖2 圍產(chan)期奶牛腸(chang)道微生(sheng)物(wu)組(zu)成的動態變化
個(ge)(ge)體水平(ping)分析(xi)發現群落聚類(lei)在(zai)(zai)不同(tong)采樣日間存在(zai)(zai)明(ming)顯(xian)(xian)轉(zhuan)移趨勢（圖 3A 和(he)(he)(he) 4A；補(bu)充表(biao)S1 和(he)(he)(he) S2）。構建(jian)馬爾可夫鏈模型(xing)（圖 3B 和(he)(he)(he) 4B），發現圍產期(qi)(qi)瘤胃微生(sheng)物演替(ti)可分為三個(ge)(ge)階段：快速轉(zhuan)變(bian)期(qi)(qi)（RDMM4-6）、過渡期(qi)(qi)（RDMM3 和(he)(he)(he) RDMM2）和(he)(he)(he)穩定期(qi)(qi)（RDMM1 和(he)(he)(he) RDMM7）。隨(sui)機森林算法(fa)顯(xian)(xian)示，前 100 個(ge)(ge)準確性最(zui)高(gao)(gao)的擴增子序列變(bian)體（ASVs）構建(jian)的模型(xing)預測率最(zui)高(gao)(gao)（AUC > 0.95）（補(bu)充圖 S3a 和(he)(he)(he)圖 3C）。
與瘤(liu)胃微生物(wu)群相比，糞便微生物(wu)群在產后 7 天內即進入穩(wen)定階段(duan)，過渡期(qi)更短。演替(ti)可分(fen)為三個階段(duan)：穩(wen)定期(qi)（FDMM1）、過渡期(qi)（FDMM4 和(he) FDMM5）和(he)穩(wen)定期(qi)（FDMM2 和(he) FDMM3）。隨機森林結果顯(xian)示前 120 個 ASVs 構(gou)建的分(fen)類(lei)模型具(ju)高預(yu)測準(zhun)確性（AUC > 0.95）（補充圖 S3b 和(he)圖 4C）。
圖3 圍(wei)產期奶牛個體腸道微生物群的動態(tai)變化1
圖4 圍產期奶(nai)牛糞便中 DMMs 的時間動(dong)態(tai)變化
不同瘤(liu)胃和(he)(he)糞便演替模式中的(de)(de)(de)擴散限(xian)制（DL）和(he)(he)同質選擇(ze)（HOS）存在(zai)顯著差(cha)異(yi)（圖 5A 和(he)(he) 6A），兩個過(guo)(guo)(guo)程分(fen)別是隨(sui)機過(guo)(guo)(guo)程和(he)(he)確(que)定(ding)性(xing)過(guo)(guo)(guo)程的(de)(de)(de)主導(dao)因素（補充圖 S4a 和(he)(he) b）；即(ji)生態過(guo)(guo)(guo)程驅(qu)動了圍產(chan)期奶牛瘤(liu)胃和(he)(he)糞便中微生物群(qun)落的(de)(de)(de)演替。
將瘤(liu)胃和(he)糞便的(de) ASV 分別劃(hua)分為 144 個(ge)和(he) 137 個(ge) bins（補充表 S3 和(he) S4）。相(xiang)對豐度(du)top20的(de) RBins（瘤(liu)胃微生(sheng)物(wu)(wu)(wu) bins）和(he)FBins（糞便微生(sheng)物(wu)(wu)(wu) bins）中，分別有17 個(ge) 和(he)18個(ge)bins由(you) DL 主(zhu)導(dao)（圖 5B和(he)6B）。瘤(liu)胃中，琥珀酸(suan)菌屬（Succiniclasticum）、普雷沃氏菌屬（Prevotella）等被確定(ding)為微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)演替的(de)關(guan)(guan)鍵(jian)驅(qu)動因(yin)素(su)，其在不同(tong)階段(duan)的(de)相(xiang)對豐度(du)變化與(yu)其對 HOS 過(guo)程的(de)貢獻一(yi)致(zhi)（圖 5D 和(he) E）。糞便中，雙歧(qi)桿(gan)菌屬（Bifidobacterium）、密螺旋體(ti)屬（Treponema）等是關(guan)(guan)鍵(jian)驅(qu)動因(yin)素(su)，其跨階段(duan)的(de)相(xiang)對豐度(du)變化與(yu) DL 過(guo)程的(de)貢獻一(yi)致(zhi)（圖 6D 和(he) E）。
圖5 圍產期奶牛瘤(liu)胃微生(sheng)物群落的生(sheng)態組裝機制
圖6 產犢前后奶牛糞便微生物群(qun)落的(de)生態組(zu)裝(zhuang)機制
將樣(yang)本按全階段(duan)和(he)三(san)個演(yan)替階段(duan)分層進行協(xie)變量分析（圖7）。結果發現，日糧、胎次、年齡、分娩(mian)天(tian)數（CD）和(he)pH等因素與瘤胃微生物演(yan)替相關。
圖(tu)7 個體多(duo)因素(su)對腸道(dao)微生(sheng)物演替的貢獻
普(pu)氏分(fen)析顯(xian)(xian)(xian)示瘤胃與(yu)(yu)糞(fen)(fen)便微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)群在ASV水平的(de)相(xiang)異(yi)性(xing)M2值(zhi)為(wei)0.79（圖(tu)8A）。溯(su)源(yuan)分(fen)析中，約(yue)80%的(de)糞(fen)(fen)便微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)群源(yuan)于前一(yi)采樣時間點的(de)糞(fen)(fen)便微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)，4%源(yuan)于同(tong)一(yi)時間點的(de)瘤胃微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)（圖(tu)8B）。瘤胃與(yu)(yu)糞(fen)(fen)便微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)群間的(de)關聯(lian)較弱，支持(chi)探(tan)究對圍產期奶牛代(dai)謝(xie)的(de)影響(xiang)時將兩(liang)者視為(wei)獨立單元。微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)群與(yu)(yu)血(xue)(xue)液指標殘(can)差(cha)(cha)未觀(guan)察(cha)到顯(xian)(xian)(xian)著差(cha)(cha)異(yi)，進一(yi)步支持(chi)它們對宿主代(dai)謝(xie)的(de)貢獻相(xiang)近（圖(tu)8C）。分(fen)別統計(ji)腸道微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)的(de)轉化類型，并在個體水平分(fen)析不同(tong)類型對宿主代(dai)謝(xie)表(biao)型的(de)影響(xiang)（圖(tu)8D和F）。結果顯(xian)(xian)(xian)示，不同(tong)轉化類型的(de)血(xue)(xue)液代(dai)謝(xie)指標存在顯(xian)(xian)(xian)著差(cha)(cha)異(yi)（圖(tu)8E和G）。
圖8 圍產期奶牛腸道微生物演替類型對(dui)宿主代謝表(biao)型的影(ying)響
為驗證(zheng)細菌結果(guo)并評估瘤(liu)胃(wei)和(he)糞(fen)便微(wei)(wei)生(sheng)物組的(de)(de)功(gong)能(neng)演替(ti)轉變，利用宏基(ji)因組數據分(fen)(fen)析不同演替(ti)階(jie)(jie)段(duan)的(de)(de)微(wei)(wei)生(sheng)物組成(cheng)和(he)功(gong)能(neng)變化(hua)。瘤(liu)胃(wei)和(he)糞(fen)便微(wei)(wei)生(sheng)物群(qun)在(zai)(zai)物種(zhong)水(shui)平呈現明(ming)顯(xian)聚(ju)類（圖(tu) 9A），網絡(luo)(luo)分(fen)(fen)析也(ye)揭示了微(wei)(wei)生(sheng)物互(hu)作存在(zai)(zai)顯(xian)著階(jie)(jie)段(duan)特異性(xing)差異（圖(tu) 9B 和(he) C）。類似地，瘤(liu)胃(wei)和(he)糞(fen)便微(wei)(wei)生(sheng)物群(qun)在(zai)(zai)代謝通路(lu)水(shui)平分(fen)(fen)別聚(ju)類（圖(tu) 9D）；代謝通路(lu)網絡(luo)(luo)分(fen)(fen)析表(biao)現出階(jie)(jie)段(duan)特異性(xing)（圖(tu) 9E 和(he) F）。
中(zhong)介分析發現瘤胃Prevotella sp900315525 和嘧啶脫(tuo)氧(yang)核苷酸從頭合成 II 通(tong)(tong)路(lu)促進血清(qing) NEFA 水(shui)平升(sheng)高；相(xiang)反，UBA3839 sp900314125 與糖(tang)酵解 I 通(tong)(tong)路(lu)的(de)豐(feng)(feng)度(du)(du)升(sheng)高等（圖(tu) 9G）。后腸(chang)中(zhong)CAG-791 sp902780385 的(de)豐(feng)(feng)度(du)(du)與淀粉降解 III 通(tong)(tong)路(lu)相(xiang)關，可導致血清(qing) INS 水(shui)平升(sheng)高；相(xiang)反，Treponema-D sp017381365 與糖(tang)酵解 III 通(tong)(tong)路(lu)的(de)豐(feng)(feng)度(du)(du)增(zeng)加等（圖(tu) 9H）。
圖9 圍產(chan)期奶(nai)牛腸(chang)道微生物(wu)組(zu)代謝能力及微生物(wu)-宿主互作的(de)轉(zhuan)變(bian)
研究(jiu)結(jie)論(lun)
本研究利用龐大的(de)(de)(de)腸(chang)道微生(sheng)物(wu)組數據集以及基于生(sheng)態(tai)型和生(sheng)態(tai)模(mo)型的(de)(de)(de)微生(sheng)物(wu)組分(fen)析(xi)，全(quan)面闡(chan)明了產奶(nai)期(qi)奶(nai)牛腸(chang)道微生(sheng)物(wu)群(qun)的(de)(de)(de)演替(ti)(ti)和組成(cheng)情況。我們進一步證(zheng)實，腸(chang)道微生(sheng)物(wu)群(qun)演替(ti)(ti)模(mo)式(shi)的(de)(de)(de)變化與產奶(nai)期(qi)奶(nai)牛的(de)(de)(de)代謝表型有著(zhu)(zhu)顯著(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)關(guan)聯；圍產期(qi)奶(nai)牛瘤胃(wei)和糞(fen)便微生(sheng)物(wu)演替(ti)(ti)可分(fen)為三個不(bu)同階段，這些演替(ti)(ti)階段的(de)(de)(de)微生(sheng)物(wu)組成(cheng)及功能存在(zai)顯著(zhu)(zhu)差異(yi)。階段之(zhi)間的(de)(de)(de)轉(zhuan)變不(bu)僅由不(bu)同分(fen)類群(qun)驅(qu)動，還(huan)顯著(zhu)(zhu)影響圍產期(qi)奶(nai)牛的(de)(de)(de)代謝表型變化。這些發現為制(zhi)定產奶(nai)期(qi)反(fan)芻動物(wu)的(de)(de)(de)健康管理策略提供了有價值的(de)(de)(de)見解。
原文引用(yong)：Wang S, Kong F, Dai D, Li C, Hao Y, Wang E, Cao Z, Wang Y, Wang W, Li S. Deterministic succession patterns in the rumen and fecal microbiome associate with host metabolic shifts in peripartum dairy cattle. Gigascience. 2025 Jan 6;14:giaf042. doi: 10.1093/gigascience/giaf042. PMID: 40388308; PMCID: PMC12087452.
原(yuan)文鏈(lian)接(jie)：//doi.org/10.1093/gigascience/giaf042
