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化與圍產期奶牛的代謝表型顯著相關。
本研究中的16S rDNA 測序、宏基因組測序和部分分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
研究方法
1.實驗設計與樣本采集：從211頭健康經產妊娠奶牛中評估篩選出91頭。在預計產犢前 21 天及產犢后第 1、3、7、14 和 21 天，采集奶牛的瘤胃液、糞便和血液樣本。
2.血清參數測定：檢測葡萄糖（GLU）、甘油三酯（TG）、天冬氨酸氨基轉移酶（AST）等多種代謝、抗氧化及炎癥相關指標，計算RBHB指數。
3.微生物組測序：所有樣本進行16S rRNA 基因測序；從瘤胃和糞便樣本中各隨機選擇30個（分3階段，每階段10個）進行宏基因組測序。
4.生物信息學與統計分析：16S rRNA 基因數據，構建瘤胃和糞便的ASV數據集并進行分析；宏基因組數據同樣構建數據集并分析。
圖1 整體實驗流程
瘤胃和糞便微生物群的個體間差異顯著大于個體內差異（圖2A和F）。應用Dirichlet多項式混合模型（DMM）劃分得到7個瘤胃和5個糞便DMM聚類（圖2B和G）。每個RDMM（瘤胃微生物DMM聚類）均表現出獨特的出現時間和優勢屬（圖2C和D），群落特征隨時間變化：優勢聚類從產前的RDMM4和RDMM5轉變為產后1天的RDMM6，3天的RDMM3，7天的RDMM2，最后在14天和21天變為RDMM1（圖2C）；除RDMM3，其他RDMM聚類的多樣性在不同時間點保持相對穩定（圖2E）。FDMM（糞便微生物 DMM 聚類）趨勢類似（圖2H和I）：FDMM1在產前21天和產后1天占優勢，產后3天發生群落轉移且無優勢聚類，產后7-21天穩定，FDMM2和FDMM3成為優勢聚類。FDMM1、FDMM2和FDMM3的Shannon指數先下降后穩定，FDMM4持續下降，FDMM5呈波動趨勢（圖2J）。
圖2 圍產期奶牛腸道微生物組成的動態變化
個體水平分析發現群落聚類在不同采樣日間存在明顯轉移趨勢（圖 3A 和 4A；補充表S1 和 S2）。構建馬爾可夫鏈模型（圖 3B 和 4B），發現圍產期瘤胃微生物演替可分為三個階段：快速轉變期（RDMM4-6）、過渡期（RDMM3 和 RDMM2）和穩定期（RDMM1 和 RDMM7）。隨機森林算法顯示，前 100 個準確性最高的擴增子序列變體（ASVs）構建的模型預測率最高（AUC > 0.95）（補充圖 S3a 和圖 3C）。
與瘤胃微生物群相比，糞便微生物群在產后 7 天內即進入穩定階段，過渡期更短。演替可分為三個階段：穩定期（FDMM1）、過渡期（FDMM4 和 FDMM5）和穩定期（FDMM2 和 FDMM3）。隨機森林結果顯示前 120 個 ASVs 構建的分類模型具高預測準確性（AUC > 0.95）（補充圖 S3b 和圖 4C）。
圖3 圍產期奶牛個體腸道微生物群的動態變化1
圖4 圍產期奶牛糞便中 DMMs 的時間動態變化
不同瘤胃和糞便演替模式中的擴散限制（DL）和同質選擇（HOS）存在顯著差異（圖 5A 和 6A），兩個過程分別是隨機過程和確定性過程的主導因素（補充圖 S4a 和 b）；即生態過程驅動了圍產期奶牛瘤胃和糞便中微生物群落的演替。
將瘤胃和糞便的 ASV 分別劃分為 144 個和 137 個 bins（補充表 S3 和 S4）。相對豐度top20的 RBins（瘤胃微生物 bins）和FBins（糞便微生物 bins）中，分別有17 個 和18個bins由 DL 主導（圖 5B和6B）。瘤胃中，琥珀酸菌屬（Succiniclasticum）、普雷沃氏菌屬（Prevotella）等被確定為微生物演替的關鍵驅動因素，其在不同階段的相對豐度變化與其對 HOS 過程的貢獻一致（圖 5D 和 E）。糞便中，雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）、密螺旋體屬（Treponema）等是關鍵驅動因素，其跨階段的相對豐度變化與 DL 過程的貢獻一致（圖 6D 和 E）。
圖5 圍產期奶牛瘤胃微生物群落的生態組裝機制
圖6 產犢前后奶牛糞便微生物群落的生態組裝機制
將樣本按全階段和三個演替階段分層進行協變量分析（圖7）。結果發現，日糧、胎次、年齡、分娩天數（CD）和pH等因素與瘤胃微生物演替相關。
圖7 個體多因素對腸道微生物演替的貢獻
普氏分析顯示瘤胃與糞便微生物群在ASV水平的相異性M2值為0.79（圖8A）。溯源分析中，約80%的糞便微生物群源于前一采樣時間點的糞便微生物，4%源于同一時間點的瘤胃微生物（圖8B）。瘤胃與糞便微生物群間的關聯較弱，支持探究對圍產期奶牛代謝的影響時將兩者視為獨立單元。微生物群與血液指標殘差未觀察到顯著差異，進一步支持它們對宿主代謝的貢獻相近（圖8C）。分別統計腸道微生物的轉化類型，并在個體水平分析不同類型對宿主代謝表型的影響（圖8D和F）。結果顯示，不同轉化類型的血液代謝指標存在顯著差異（圖8E和G）。
圖8 圍產期奶牛腸道微生物演替類型對宿主代謝表型的影響
為驗證細菌結果并評估瘤胃和糞便微生物組的功能演替轉變，利用宏基因組數據分析不同演替階段的微生物組成和功能變化。瘤胃和糞便微生物群在物種水平呈現明顯聚類（圖 9A），網絡分析也揭示了微生物互作存在顯著階段特異性差異（圖 9B 和 C）。類似地，瘤胃和糞便微生物群在代謝通路水平分別聚類（圖 9D）；代謝通路網絡分析表現出階段特異性（圖 9E 和 F）。
中介分析發現瘤胃Prevotella sp900315525 和嘧啶脫氧核苷酸從頭合成 II 通路促進血清 NEFA 水平升高；相反，UBA3839 sp900314125 與糖酵解 I 通路的豐度升高等（圖 9G）。后腸中CAG-791 sp902780385 的豐度與淀粉降解 III 通路相關，可導致血清 INS 水平升高；相反，Treponema-D sp017381365 與糖酵解 III 通路的豐度增加等（圖 9H）。
圖9 圍產期奶牛腸道微生物組代謝能力及微生物-宿主互作的轉變
研究結論
本研究利用龐大的腸道微生物組數據集以及基于生態型和生態模型的微生物組分析，全面闡明了產奶期奶牛腸道微生物群的演替和組成情況。我們進一步證實，腸道微生物群演替模式的變化與產奶期奶牛的代謝表型有著顯著的關聯；圍產期奶牛瘤胃和糞便微生物演替可分為三個不同階段，這些演替階段的微生物組成及功能存在顯著差異。階段之間的轉變不僅由不同分類群驅動，還顯著影響圍產期奶牛的代謝表型變化。這些發現為制定產奶期反芻動物的健康管理策略提供了有價值的見解。
原文引用：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.
原文鏈接：//doi.org/10.1093/gigascience/giaf042
