基于16S rRNA全长测序揭示腹泻犊牛肠道菌群失调与碳水化合物代谢异常机制

《BMC Veterinary Research》：Gut microbiota in diarrheic and healthy calves: comparative analysis of 16S rRNA gene full-length sequences

本研究针对新生犊牛腹泻(NCD)这一导致高死亡率的生产难题，通过16S rRNA基因全长测序技术，系统比较了腹泻与健康犊牛肠道菌群的组成与功能差异。研究发现腹泻犊牛肠道菌群α多样性显著降低，机会性病原菌（如大肠杆菌、沙门氏菌）丰度上升而有益菌（如粪杆菌）减少，并伴随碳水化合物代谢通路（如Entner-Doudoroff途径）的异常激活。该研究为开发微生物组靶向疗法提供了重要理论依据。

　　

新生犊牛腹泻（Neonatal Calf Diarrhea, NCD）是养殖业中导致犊牛死亡和经济损失的主要疾病之一。尽管已知多种病原体（如大肠杆菌、沙门氏菌、轮状病毒等）可引发腹泻，但肠道微生物群落的整体变化与疾病发生的关系仍不明确。尤其值得注意的是，犊牛出生后至断奶期间是肠道菌群定植的关键窗口期，菌群结构的稳定对犊牛健康至关重要。然而，传统研究多局限于特定病原检测或低分辨率的短读长测序，难以全面揭示腹泻状态下微生物群落的精细变化和功能改变。

为解决这一难题，来自忠北大学兽医学院的研究团队在《BMC Veterinary Research》上发表了最新研究成果。该研究采用第三代测序技术——16S rRNA基因全长测序，对20例腹泻和20例健康犊牛的粪便样本进行了深入分析，不仅实现了物种水平的高精度鉴定，还通过功能预测揭示了潜在的代谢通路改变。

研究过程中，团队首先通过抗原检测排除了常见病原体感染的影响，确保观察到的微生物变化主要反映腹泻相关的菌群失调。随后利用Nanopore MinION平台进行全长16S测序，并通过PICRUSt2工具预测微生物群落的功能潜能。

Alpha多样性

分析显示，腹泻犊牛的Chao1、Shannon和Simpson指数均显著低于健康犊牛（p<0.01），表明腹泻状态下肠道菌群的丰富度和均匀度明显下降。这一结果提示菌群失调与NCD的发生密切相关。

Beta多样性

基于Bray-Curtis和Jensen-Shannon距离的主坐标分析（PCoA）显示，腹泻与健康犊牛样本形成显著分离的聚类（PERMANOVA p=0.001）。这表明两组犊牛的肠道菌群整体结构存在本质差异，腹泻导致微生物群落发生重构。

Taxonomy丰度

在门水平上，腹泻犊牛的拟杆菌门（Bacteroidota）丰度下降（40.9%→23.2%），而变形菌门（Pseudomonadota）显著上升（5.3%→28.6%）。属水平上，大肠杆菌（Escherichia）、沙门氏菌（Salmonella）和克雷伯菌（Klebsiella）等机会致病菌在腹泻组中明显富集，而粪杆菌（Faecalibacterium）等有益菌则显著减少。物种水平上，大肠杆菌（Escherichia coli）和沙门氏菌（Salmonella enterica）的丰度在腹泻犊牛中尤为突出。

差异丰度物种

LEfSe分析进一步确认了腹泻组中大肠杆菌、沙门氏菌和约氏乳杆菌（Limosilactobacillus reuteri）等物种的富集，而健康组中则以Lawsonibacter asaccharolyticus等物种为主。值得注意的是，腹泻组中某些乳酸菌属（如Limosilactobacillus）的增多可能与肠道炎症导致的乳糖吸收不良有关，而非有益作用。

功能通路分析

PICRUSt2预测发现，腹泻犊牛中多种碳水化合物代谢通路显著增强，包括N-乙酰神经氨酸降解途径、Entner-Doudoroff途径和己糖醇发酵途径等。这些通路的激活可能促进了肠道内渗透压改变和发酵产物积累，从而加剧腹泻症状。

该研究通过高分辨率测序技术揭示了NCD发生时肠道微生物群落的结构紊乱和功能异常。腹泻犊牛表现出菌群多样性降低、致病菌增殖和有益菌耗竭的特征性变化，同时伴随着碳水化合物代谢通路的异常激活。这些发现不仅深化了对NCD发病机制的理解，也为开发基于微生物组的诊断标志物和干预策略（如益生菌、预生物制剂）提供了重要线索。尽管研究存在样本来源局限性和功能预测需要实验验证等不足，但其整合宏基因组学与代谢通路分析的研究策略为动物肠道健康研究提供了新范式。未来研究可通过纵向采样和多组学联用进一步明确微生物变化与腹泻的因果关系，推动养殖业疾病防控能力的提升。