2025-04-12
近日，中國農業大學李勝利教授團隊在國際權威期刊《Microbiome》發表題為“Rumen microbiome associates with postpartum ketosis development in dairy cows: a prospective nested case–control study”科研成果，此項突破性成果創下奶牛酮病研究領域SCI期刊影響因子新高。該研究通過前瞻性巢式病例對照設計，首次證明產后瘤胃菌群失衡是圍產期奶牛能量代謝紊亂的關鍵誘因，并建立瘤胃菌群-能量代謝-疾病發生的因果關系，不僅為酮病防控提供了新思路,也為開發微生態制劑、精準營養調控方案提供了靶點。
派森諾提供了微生物多樣性、宏基因組和代謝組測序和部分分析服務。
圖1 整體實驗設計圖
研究方法
1.目的：以酮病奶牛和健康奶牛的瘤胃內容物為研究對象，通過16 S rRNA、宏基因組和代謝組測序手段分析瘤胃中微生物組成及其功能，并與瘤胃發酵參數建立相關性，探究瘤胃微生物組在能量代謝中的作用和酮病發病機制。
2.分組設計：在預產期的第-21、1、3、7、14和21天測量血液中β-羥丁酸（BHBA）濃度來診斷酮病。共檢出61頭奶牛為酮病組（KET），84頭奶牛為健康組（CON）。
3.測序平臺： Illumina novaseq 6000、Illumina novaseq Xplus
4.測序區域：細菌16s V3-V4區、宏基因組
5.其他分析：發酵參數檢測、代謝物檢測、生產性能檢測、絕對定量分析等。
研究結果
1、瘤胃微生物發酵與能量代謝有關
測定血清中BHBA、葡萄糖（GLU）、非酯化脂肪酸（EFAN）和甘油三酯（TG）濃度，以表征圍產期能量代謝的動態變化。與CON組相比，KET組的產后平均BHBA濃度顯著升高，GLU濃度顯著降低，NEFA濃度較高（圖2a）。除丁酸鹽和“其他VFA”比例外，所有瘤胃發酵參數均受到處理的顯著影響（圖2b、c、d、e）。VFA比例和濃度與BHBA和GLU濃度相關（圖2f）。丙酸鹽濃度與BHBA濃度呈負相關且相關性最大（圖2g）。
圖2 CON和KET奶牛圍產期瘤胃微生物發酵和能量代謝的變化及相關性
2、酮病奶牛瘤胃細菌的特殊轉移途徑
通過16S rRNA測序探究瘤胃細菌譜的時間變化。與CON組相比，KET組在第7、14和21天有較高Shannon指數，第7和21天有較高Chao 1指數（圖3a）。β多樣性分析表明，KET組與CON組存在顯著差異，且隨時間推移差異增大（圖3b）。其中，KET組從第-21-1天和第1-3天的差異高于CON組（圖3c）。通過DMM分析識別圍產期細菌組成的變化，確定了11個DMM簇。在KET和CON組中，產犢前聚類5和6均占優勢（圖3f、g）。
圖3 KET與CON奶牛瘤胃細菌多樣性及組成的變化規律
3、瘤胃微生物組成的動態變化
AQ-PCR和宏基因組學表明，僅細菌的拷貝數受到處理和相互作用的顯著影響（圖4a）。宏基因組學計算的微生物比例顯示，單個微生物的比例沒有顯著差異（圖4b）。但在第7天KET組中細菌Chao1指數高于CON組，在第14天，古菌的Shannon指數高于CON組（圖4c）。
圖4 圍產期KET和CON奶牛瘤胃微生物譜的動態變化
4、酮病奶牛氨基酸和碳水化合物代謝的微生物學功能下降
宏基因組結果表明在第3、7和14天，兩組之間的微生物群顯著不同，而微生物群功能僅在第3天改變（圖5a）篩選不同組中富集的功能，從第3-14天，瘤胃微生物群顯著不同功能的數量減少（圖5b）。并在三個時間點之間沒有發現共同的顯著不同的途徑（圖5c）。差異分析表明CON組中主要富集為有碳水化合物代謝和氨基酸代謝途徑（圖5f）。
圖5 KET和CON奶牛產后瘤胃微生物功能的動態變化
5、酮病奶牛瘤胃內生糖氨基酸及其代謝途徑下調
代謝組分析表明，CON組中蛋白質消化和吸收以及氨基酸代謝途徑在第3天上調（圖6 b），甘油磷脂代謝、淀粉和蔗糖代謝等在第3天顯著，抗葉酸劑抗性在第7天顯著（圖6d）。KET組中瘤胃微生物代謝途徑中精氨酸生物合成、苯丙氨酸、酪氨酸等在第3天顯著下調。并且KET組的生糖氨基酸瘤胃濃度在第3天顯著降低（圖6d）。
圖6 KET奶牛瘤胃中的生糖氨基酸及其代謝途徑下調
6、酮病奶牛瘤胃丙酸發酵途徑下調
碳水化合物代謝途徑在KET組中下調，膳食攝入后，飼料中的纖維素、半纖維素、果膠和淀粉被瘤胃微生物降解（圖7a）。通過單個丙酸子途徑的基因的百分比，表明在所有瘤胃液樣品中，氨基酸分解代謝、發酵和生物合成途徑的平均豐度分別占總豐度的57.25%、33.78%和8.97%（圖7b）。通過基因和代謝物倍數變化以表征參與丙酸代謝途徑的代謝物和酶動態變化（圖7c）。
圖7 KET奶牛瘤胃碳水化合物代謝中丙酸代謝下調
7、瘤胃微生物區系通過減少生糖氨基酸和丙酸鹽的供應而導致酮病
普雷沃氏菌屬、瘤胃球菌屬、UBA 1066屬等7種菌的豐度在第3、7和14天中的某一天顯著降低，并對氨基酸和丙酸代謝均有貢獻（圖8a）。相關性分析也顯示這些屬之間呈正相關性（圖8b）。MEM顯示，普雷沃氏菌、UBA 1066、Chao 1和shannon指數等自變量與丙酸鹽、精氨酸和甘氨酸等介導變量相關，這些介導變量最終與BHBA和GLU濃度相關并有直接影響（圖8c）。根據MEM條件，建立的10個介導效應中6個為完全介導效應（圖8d）。
圖8中介效應模型揭示瘤胃微生物群的種類和多樣性通過減少生糖底物的供應來調節血清BHBA和GLU濃度
8、丙酸鈉飼喂酮病奶牛以驗證瘤胃微生物群及其代謝產物在酮病發生中的作用
產犢后第7天過濾酮病奶牛，并從第7天至第14天飼喂丙酸鈉（SP）（圖9a）。BHBA和GLU濃度受到時間和SP處理互作用的影響（圖9b和c）。時間與SP的丙酸鹽濃度和比例、總VFA濃度、A-P比間存在相互作用（圖9d）。
圖9 丙酸鈉對KET奶牛血液BHBA和GLU濃度及瘤胃發酵參數的影響
研究結論
該研究是第一個縱向評估圍產期碳水化合物和脂質代謝紊亂奶牛瘤胃微生物群的研究。研究證明奶牛產犢后表現出瘤胃微生物群破壞，與改變參與丙酸鹽和生糖氨基酸代謝的微生物群基因有關，研究結果對瘤胃微生物群動態與宿主能量代謝的關系具有重要意義，通過調節瘤胃微生物群或提供特殊的生糖前體為預防酮病的潛在策略。
原文引用：Fanlin Kong, Shuo Wang, Yijia Zhang, Chen Li, Dongwen Dai, Cheng Guo, Yajing Wang, Zhijun Cao,Hongjian Yang, Yanliang Bi, Wei Wang and Shengli Li1. Rumen microbiome associates with postpartum ketosis development in dairy cows: a prospective nested case–control study. Microbiome 13.1 (2025): 69.
原文鏈接：DOI: 10.1186/s40168-025-02072-3
