學(xué)術(shù)動態(tài)

 11月3日，國家肉牛牦牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位專家、江西農(nóng)業(yè)大學(xué)江西省動物營養(yǎng)重點實驗室瞿明仁教授團(tuán)隊在國際重要學(xué)術(shù)刊物《Microbiome》（5年IF = 19.4）在線發(fā)表題為“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。該研究首次對應(yīng)激過渡期新進(jìn)牛瘤胃微生物及血液代謝組進(jìn)行深度多組學(xué)聯(lián)合測序分析（瘤胃微生物宏基因組學(xué)、瘤胃代謝組學(xué)、血清代謝組學(xué)），深入揭示了應(yīng)激過渡期新進(jìn)牛瘤胃微生物基因集、瘤胃代謝產(chǎn)物圖譜、血清代謝產(chǎn)物圖譜的動態(tài)變化規(guī)律，成功構(gòu)建了瘤胃微生物-宿主互作網(wǎng)絡(luò)，科學(xué)闡明了新進(jìn)牛生長受阻的機(jī)理，科學(xué)闡明了新進(jìn)牛健康干預(yù)調(diào)控的窗口期。這一成果為精準(zhǔn)制定新進(jìn)牛的營養(yǎng)飼喂策略，緩解過渡期應(yīng)激，促進(jìn)其健康生長提供新視角。江西農(nóng)業(yè)大學(xué)瞿明仁教授與李艷嬌副研究員為本論文共同通訊作者，李艷嬌副研究員和博士研究生毛康為共同第一作者。

圖1 試驗設(shè)計

研究背景：由于我國南北方氣候、草料資源差別巨大，形成了“北繁南育—北牛南調(diào)”的產(chǎn)業(yè)模式和格局，新進(jìn)牛應(yīng)激與健康問題十分突出。新進(jìn)牛過渡期內(nèi)遭受多重應(yīng)激造成生長阻滯、免疫力下降、疾病多發(fā)甚至死亡，是影響我國肉牛產(chǎn)業(yè)發(fā)展重大問題。據(jù)統(tǒng)計，每年造成約23億元的巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，新進(jìn)牛過渡期應(yīng)激預(yù)防和緩解技術(shù)研究成為國內(nèi)外重大課題。近年來，采用藥物防治，雖然顯著降低了新進(jìn)牛的死亡率，但因藥物防治引起的生長受阻問題十分嚴(yán)重。瘤胃微生物穩(wěn)態(tài)是肉牛健康生長的根基，血液代謝產(chǎn)物是新進(jìn)牛健康狀況直觀反映。因此，探索新進(jìn)牛在應(yīng)激過渡期內(nèi)的生理變化規(guī)律，特別是應(yīng)激期新進(jìn)牛瘤胃微生物及整個機(jī)體代謝變化規(guī)律十分重要，對揭示新進(jìn)牛生長遲緩機(jī)制，制定精準(zhǔn)營養(yǎng)干預(yù)策略，促進(jìn)新進(jìn)牛健康生長具有重大深遠(yuǎn)意義。

主要創(chuàng)新：

（1）科學(xué)解析了新進(jìn)牛應(yīng)激過渡期瘤胃微生物組成及功能的動態(tài)變化規(guī)律。作者采用瘤胃宏基因組測序技術(shù)分析應(yīng)激過渡期不同時間點新進(jìn)牛瘤胃微生物的組成和功能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，瘤胃細(xì)菌、古菌、真核生物的繁殖分別在運輸前、運輸后第16天、運輸后第30天最為活躍；瘤胃菌群功能分析顯示運輸前顯著富集通路主要是細(xì)胞基礎(chǔ)代謝，運輸后第4天以微生物生長繁殖為主，運輸后第16天營養(yǎng)代謝旺盛且“甲烷代謝”顯著富集；運輸后第30天主要與真核代謝有關(guān)。對細(xì)菌和古菌在種水平上進(jìn)行LEfSe差異分析（LDA > 2.5，P< 0.05）共篩選出43個顯著差異的細(xì)菌和38個顯著差異的古菌。細(xì)菌種水平上，運輸前，參與多糖代謝的普雷沃氏菌顯著富集；到場后第4天，11個差異細(xì)菌中有5個屬于乳酸桿菌；到場后第16天，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)消化的優(yōu)勢菌顯著富集，LDA值前五的細(xì)菌中有2個瘤胃球菌（Ruminococcaceae_bacterium_P7，Ruminococcus_flavefaciens），1個普雷沃氏菌（Prevotella_bryantii），但作者同時發(fā)現(xiàn)病原菌在這一時期也顯著升高，包括直桿糖多孢菌（Saccharopolyspora_rectivirgula），以及3個柔膜菌（Erysipelotrichaceae_bacterium_NK3D112，Mollicutes_bacterium，Mycoplasma_sp_CAG_877）；到場后第30天，抗炎細(xì)菌豐度顯著升高，包括1個卟啉菌（Prophyromonadaceae_bacterium）和2個另枝桿菌（Alistipes_sp_CAG_345，Alistipes_sp_CAG_514）。古菌種水平上，到場后第16天，4個顯著富集的古菌中有2個屬于甲烷短桿菌屬（Methanobrevibacter_olleyae，Methanobrevibacter_ruminantium），甲烷短桿菌與此階段瘤胃球菌（RuminococcaceaebacteriumP7，Ruminococcus flavefaciens）組合促進(jìn)甲烷生成。盡管在運輸后第16天能量代謝相關(guān)通路以及瘤胃MCP和VFAs的含量顯著升高，但同時甲烷生成菌、病原菌以及甲烷代謝通路引起的能量損失也顯著升高。

（2）深入闡明了新進(jìn)牛應(yīng)激過渡期瘤胃代謝組和血清代謝組的動態(tài)變化規(guī)律。通過LC-MC對瘤胃和血清代謝產(chǎn)物進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運輸后第4天主要差異瘤胃代謝產(chǎn)物與核苷酸代謝有關(guān)，運輸后第16天和第30天差異代謝產(chǎn)物主要與鳥氨酸代謝有關(guān)；而血清主要差異代謝產(chǎn)物在運輸后第1天主要為肌肉能量物質(zhì)分解產(chǎn)物，在第16天和第30天主要差異代謝產(chǎn)物主要與甘油磷脂代謝有關(guān)。具體如下：與運輸前相比，運輸后第4天瘤胃中乳清核苷酸（Orotidylicacid）的含量顯著上調(diào)，與這一時期瘤胃微生物功能分析中Pyrimidinemetabolism的變化一致；運輸后第16天，一方面，瘤胃中主要上調(diào)的代謝產(chǎn)物是L-鳥氨酸（L-Ornithine），L-谷氨酸（L-Glutamate），N-乙酰-L-谷胺酰胺（N-Acetly-L-glutamicacid），精胺（Spermine）和亞精胺（Spermidine），這些代謝產(chǎn)物都是與鳥氨酸向多胺的轉(zhuǎn)化有關(guān)。Spermine和Spermidine進(jìn)入宿主血液循環(huán)時，它們可被胺氧化酶氧化為醛和過氧化氫，從而導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激。另一方面，吡哆胺（pyridoxamine）以及2',3'環(huán)磷酸腺苷（2',3'-cAMP）的含量在這一時期顯著下降。Pyridoxamine是VB6的重要組成部分，其含量的下調(diào)，表明瘤胃微生物合成VB6代謝能力降低，從而影響宿主的免疫反應(yīng)；而2',3'-cAMP下調(diào)可以促進(jìn)病原菌生物膜的形成；同時，血清代謝產(chǎn)物磷脂酰膽堿（PC）和溶血磷脂酰膽堿（LysoPC）的含量顯著下調(diào)，二者具有一定的抗氧化能力，其下調(diào)可能是機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激的一個誘因。運輸后第30天，瘤胃L-鳥氨酸代謝產(chǎn)物（Spermidine和1,3-Propanediamine）的含量顯著降低，以及血清PC和LysoPC的含量顯著升高，二者的含量變化與宿主的免疫和炎癥變化一致。

（3）成功構(gòu)建了瘤胃微生物-宿主互作網(wǎng)絡(luò)，首次揭示了新進(jìn)牛生長受阻機(jī)制。作者將差異瘤胃細(xì)菌與血清應(yīng)激指標(biāo)、瘤胃差異代謝物及血清差異代謝物進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，并結(jié)合瘤胃微生物組、瘤胃代謝組、血清代謝組變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)新進(jìn)牛到場后第16天，瘤胃中產(chǎn)甲烷菌和致病菌基因豐度顯著提升，多胺產(chǎn)生增多誘導(dǎo)機(jī)體氧化應(yīng)激，瘤胃VB6和血清PC/LysoPC含量下降，免疫功能破壞（圖2）。具體結(jié)果如下：Saccharopolyspora_rectivirgula以及三個柔膜菌（Erysipelotrichaceae_bacterium_NK3D112，Mollicutes_bacterium, Mycoplasma_sp_CAG_877）與血清應(yīng)激指標(biāo)（COR，ACTH以及TNF-α）以及瘤胃代謝產(chǎn)物（L-Ornithine，Spermine和Spermidine）呈顯著正相關(guān)，而與PC和LysoPC類化合物呈顯著負(fù)相關(guān)，表明新進(jìn)牛在運輸后第16天應(yīng)激反應(yīng)加劇與病原菌增多有密切關(guān)系。此外，在運輸后第16天盡管Ruminococcaceae_bacterium_P7，Ruminococcus_flavefaciens和Prevotella_bryantii豐度顯著升高促進(jìn)了VFAs和MCP的合成，但同時甲烷代謝增強(qiáng)，造成能量損失；并且瘤胃2',3'環(huán)磷酸腺苷（2',3'-cAMP；生物膜合成的第二信使）和相關(guān)核苷酸代謝產(chǎn)物（cAMP，cGMP和adenine）含量的降低為病原菌繁殖提供有利條件，二者共同導(dǎo)致宿主發(fā)生炎癥反應(yīng)。另外還有多胺產(chǎn)生增多誘導(dǎo)機(jī)體氧化應(yīng)激。相反，在運輸后第30天，瘤胃細(xì)菌Prophyromonadaceae_bacterium，Alistipes_sp_CAG_345，Alistipes_sp_CAG_514的豐度顯著升高，三者是抗炎細(xì)菌，其豐度升高是緩解機(jī)體炎癥的一種可能因素。此外，在這一時期瘤胃原蟲的增加，其降解精氨酸產(chǎn)生多胺的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于細(xì)菌，因此這一時期多胺水平的下降，機(jī)體氧化應(yīng)激得到緩解，與瘤胃原蟲豐度增加有關(guān)。

圖2 應(yīng)激過渡期新進(jìn)牛瘤胃微生物與機(jī)體互作動態(tài)變化規(guī)律

  （4）科學(xué)明確了新進(jìn)牛應(yīng)激調(diào)控關(guān)鍵窗口期。作者研究了新進(jìn)牛應(yīng)激過渡期血清應(yīng)激指標(biāo)的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)血清激素（COR和ACTH）和促炎因子（IL-1β、TNF-α和IL-6）水平在到場后第16天顯著升高，同時，機(jī)體的抗氧化能力（SOD、GSH-Px和T-AOC）在這一時期顯著降低，表明新進(jìn)牛在到場后16天應(yīng)激情況最為嚴(yán)重；而在第30天，血清激素和促炎因子水平顯著低于其余各時間點，應(yīng)激反應(yīng)在到場后第30天得到緩解，據(jù)此表明新進(jìn)牛關(guān)鍵調(diào)控窗口期為到場后16天左右，應(yīng)激過渡期時長為30天左右。按此關(guān)鍵調(diào)控窗口期和應(yīng)激過渡期進(jìn)行干預(yù)，能抑制新進(jìn)牛瘤胃甲烷和多胺產(chǎn)生及致病菌的繁殖，緩解新進(jìn)牛應(yīng)激，促進(jìn)其健康生長，在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用意義重大。

供稿：動物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 李艷嬌  審核：游金明