高精料饲喂下瘤胃微生物介导的肝脏和尾部脂肪代谢适应的多组学探索

《Animal Nutriomics》：Multi-omics exploration of rumen microbiota-mediated liver and adipose metabolic adaptations in high-concentrate fed lambs

本研究针对高精料日粮易导致反刍动物脂肪过度沉积和代谢紊乱的问题，通过多组学整合分析，揭示了瘤胃关键微生物（如Ruminococcus_gauvreauii、Syntrophococcus等）通过“瘤胃-肝脏-尾部脂肪轴”调控宿主代谢的机制。研究发现肝脏中叶酸生物合成通路被抑制，而尾部脂肪组织中维生素B6代谢和脂肪酸延长通路被激活，共同促进了脂肪沉积。该研究为通过日粮干预和微生物策略改善反刍动物健康生产和肉品质提供了新见解。

　　

在追求高效畜牧生产的今天，给反刍动物饲喂高精料日粮已成为一种普遍做法，旨在快速提升动物的生长性能。然而，这种“催肥”策略背后隐藏着代谢健康的隐患。长期摄入高精料容易导致瘤胃微生物群落失调，引发亚急性瘤胃酸中毒，并常常伴随着肝脏代谢负担加重和体内脂肪，特别是尾脂的异常沉积。这些问题不仅影响动物的健康，也直接关系到最终的肉品质。尽管科研人员已经意识到瘤胃微生物在营养物质代谢中的核心地位，但高精料日粮究竟如何通过改变特定的关键瘤胃微生物，进而精准调控宿主肝脏和脂肪组织的代谢网络，这一过程的详细机制仍如雾里看花，不甚清晰。

为了解开这个谜团，中国农业大学动物科学技术学院动物营养学国家重点实验室的Bing Wang教授团队，在《Animal Nutriomics》上发表了一项研究。他们以滩羊羔羊为模型，运用整合多组学技术，深入探索了高精料日粮下，瘤胃关键微生物如何介导肝脏和尾部脂肪组织的代谢适应，首次提出了“瘤胃-肝脏-尾部脂肪轴”的调控框架，为理解日粮-微生物-宿主互作提供了新的视角。

研究人员主要运用了16S rRNA测序分析瘤胃微生物群落、肝脏和尾部脂肪组织的转录组测序（RNA-seq）、加权基因共表达网络分析（WGCNA）以及微生物共现网络分析等关键技术方法。研究样本来源于两个独立的动物试验：试验1涉及60只75日龄的滩羊羔羊，分别饲喂四种不同日粮；试验2涉及30只约6月龄的滩羊羔羊，随机分为低精料（LC）组和高精料（HC）组。在试验结束时采集瘤胃液、瘤胃内容物、肝脏和尾部脂肪组织等样本进行分析。

Ruminal microbial communities, keystone microbes, and microbial interactions(trial 1)

通过分析16S rRNA的V3-V4和V4-V5区域，研究发现高精料日粮（HE组）显著改变了瘤胃微生物的群落结构。共现网络分析揭示了微生物间复杂的相互作用，并识别出关键类群。在V4-V5区域，Howardella、Prevotellaceae_UCG-004和Bifidobacterium等被确定为关键连接者；而在V3-V4区域，Ruminococcaceae_UCG-002、Ruminococcaceae_UCG-010和Ruminococcaceae_UCG-005等是关键节点。不同日粮比较发现，Ruminococcus_gauvreauii和Anaerovibrio在HE组中丰度增加，而Rikenellaceae U29-B03等丰度降低。

Rumen microbial analysis(trial 2)

在试验2中，高精料（HC）日粮显著改变了瘤胃发酵模式，表现为丙酸和戊酸比例升高，乙酸比例和乙酸/丙酸比值降低。微生物分析进一步确认了高精料日粮对特定细菌属丰度的显著影响。通过Wilcoxon检验和ANCOM-BC分析，最终锁定Syntrophococcus、Bifidobacterium、Solobacterium、Ruminococcaceae_UCG-010和Ruminococcus_gauvreauii这五个关键瘤胃细菌属，它们在高精料日粮下丰度变化一致，被认为是介导日粮变化与代谢反应的核心微生物。

Blood characteristics analysis

血液参数分析显示，HC组羔羊的血清葡萄糖（GLU）、抗炎因子白细胞介素-10（IL-10）和抗氧化酶谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）水平显著升高，而甘油三酯（TG）水平显著降低，表明高精料日粮引发了全身性的代谢和免疫应激反应。

High-concentrate diets altered the transcriptome in liver

肝脏转录组分析发现，HC组与LC组相比，有56个差异表达基因（DEGs）。KEGG富集分析显示，这些基因显著富集于代谢通路、卵巢类固醇生成等通路。基因集富集分析（GSEA）进一步表明，HC组中叶酸生物合成和花生四烯酸代谢通路被显著下调，而丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢通路被上调。网络分析发现，醛酮还原酶家族1成员C3（AKR1C3）家族的三个基因AKR1C23、AKR1C1和PGFS处于核心位置，它们的下调与四氢生物蝶呤（BH4）合成减少相关，可能影响了葡萄糖和脂肪酸代谢。

Transcriptome analysis of tail adipose tissue

尾部脂肪组织转录组分析揭示了830个DEGs。KEGG富集分析发现这些基因富集于细胞粘附分子、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢等通路。WGCNA分析进一步识别出与尾脂沉积显著相关的基因模块（如darkmagenta、orange模块）。功能富集显示，不饱和脂肪酸生物合成和维生素B₆代谢通路在HC组中被激活。在不饱和脂肪酸生物合成通路中，ELOVL3、FADS2、HSD17B12等关键延长和去饱和酶基因表达上调；在维生素B₆代谢中，PNPO（负责合成活性形式磷酸吡哆醛PLP）表达呈上升趋势，而AOX1和AOX4（参与维生素B₆分解）表达下调，这可能增加了PLP的利用率，促进了脂质合成和沉积。

Integrated multi-omics analysis of the associations between rumen microbiota, host phenotypes, and key genes

相关性分析和Mantel检验揭示了关键瘤胃微生物、瘤胃发酵参数（如VFA比例）、宿主表型（如尾脂沉积、血糖）以及肝脏和尾部脂肪组织中关键基因之间的显著关联。例如，Syntrophococcus、Bifidobacterium等与丙酸、戊酸比例及尾脂沉积呈正相关，而Ruminococcaceae_UCG-010则与乙酸比例正相关，与尾脂沉积负相关。中介分析表明，这些关键微生物对尾脂沉积和肝脏代谢的影响，主要是通过改变瘤胃VFA比例（如丙酸、戊酸或乙酸比例）这一间接途径实现的，而非直接作用。

综上所述，本研究通过多组学整合分析，系统阐明了高精料日粮下，瘤胃关键微生物（如Ruminococcus_gauvreauii、Syntrophococcus、Ruminococcaceae_UCG-010等）通过改变瘤胃发酵模式（VFA谱），进而调控肝脏叶酸代谢（AKR1C3家族基因介导的BH4合成）和尾部脂肪组织维生素B₆代谢及脂肪酸延长（ELOVL3、FADS2等基因介导）通路，最终影响尾脂沉积的分子机制，即“瘤胃-肝脏-尾部脂肪轴”。这一机制的揭示，不仅深化了我们对日粮-微生物-宿主复杂互作的理解，也为通过精准营养调控（如靶向微生物）或日粮配方优化，以改善反刍动物代谢健康、提高生产效率和肉品质提供了重要的理论依据和潜在的干预靶点。