《Journal of Thermal Biology》：Effects of heat environments on depressive disorders: Neurogenesis-mediated mechanisms
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热应激显著改变荷斯坦和Jersey奶牛瘤胃微生物群及代谢物，影响其氧化应激和炎症反应。研究发现Holstein牛热应激时氧化应激水平升高，而Jersey牛未出现此现象；微生物群多样性差异显著，且Rikenellaceae_RC9_gut_group与MDA、Pseudobutyrivibrio与TNF-α呈关联。代谢组学显示两种牛共检测到1636种差异代谢物，Leucine、Prostaglandin i2与炎症因子负相关，Erucamide与IL-1β、MDA正相关。微生物群与代谢物存在显著关联，表明热应激通过调控微生物群和代谢网络影响生理反应。
李源|余然|谭淑静|孙龙伟|严雪晓|黄俊鹏|穆罕默德·胡拉伊拉·瓦西姆|王振江|李成民
江苏省科学技术大学生物技术学院蚕桑与动物生物技术重点实验室，中国镇江市212100
摘要
高温会影响夏季奶牛的性能和健康，给乳制品行业带来相当大的经济负担。本研究探讨了荷斯坦奶牛和杰西奶牛在热应激和正常环境下的生理变化、瘤胃微生物多样性和代谢物的差异。结果表明，在热应激条件下，荷斯坦奶牛和杰西奶牛的氧化应激水平显著升高，而促炎细胞因子水平仅在热应激的荷斯坦奶牛中升高。16S rDNA基因测序显示，热应激显著改变了牛瘤胃微生物组的丰度、均匀性和组成。此外，Rikenellaceae_RC9_gut_group的显著丰度与荷斯坦奶牛中的丙二醛（MDA）呈正相关，Pseudobutyrivibrio与杰西奶牛中的肿瘤坏死因子-α（TNF-α）呈正相关。基于液相色谱-质谱（LC-MS）的代谢组学分析显示，荷斯坦奶牛中有1065种代谢物发生显著变化，杰西奶牛中有571种代谢物发生显著变化。差异代谢物亮氨酸和前列腺素i2与荷斯坦奶牛中的白细胞介素（IL）-6呈负相关，芥酸酰胺与IL-1β和MDA呈正相关；而在杰西奶牛中，9,10-二羟基-12Z-十八烯酸与IL-6和TNF-α呈负相关。此外，改变的瘤胃微生物组与代谢物之间存在显著关联。我们的结果表明，热应激导致荷斯坦奶牛和杰西奶牛的瘤胃微生物组和代谢发生显著变化，这些变化可能连续影响奶牛的生理反应。
引言
高温和高湿度导致的热应激显然会对牲畜的表现、发病率和死亡率产生不利影响，最终成为全球乳制品行业的巨大经济负担（Polsky和Von Keyserlingk，2017；Abeyta等，2023）。考虑到奶牛已经因生产性能提高而承受着较高的内部热量负荷，再加上全球变暖导致的环境温度升高，热应激的影响更加严重（Chebel等，2004；Mbuthia等，2021）。在主要的环境压力因素中，热应激不仅会导致牛奶产量下降，还会对体温指数产生显著的不良影响，从而破坏奶牛的热稳态（Wheelock等，2010）。因此，热应激也可以被视为一种引发强烈异常生理生物反应的信号。
先前的研究表明，作为代谢反应输入和输出的代谢物可以在多种生物反应过程中发挥作用，包括应激反应、营养代谢等（Johnson等，2016）。此外，代谢组学为研究奶牛对各种生理和环境刺激的反应机制提供了新的视角，例如负能量平衡、饲料效率和热应激（Wang和Kadarmideen，2019；Min等，2017；Xu等，2020）。此外，Kim等人的先前研究表明，瘤胃微生物组在揭示奶牛的生理和生产力变化方面具有重要意义。通过16S rDNA基因测序对热应激奶牛的瘤胃细菌群落进行了表征，这些变化与乳腺功能有关（Zhao等，2019；Tajima等，2007；Kim等，2020）。然而，关于结合代谢组学和微生物组学来研究不同奶牛品种在自然环境条件下热应激对瘤胃代谢谱和微生物组影响的系统信息相对较少。
荷斯坦奶牛和杰西奶牛是两种最具代表性的奶牛品种，它们各自具有应对热应激的能力。多项最新研究表明，在高温应激条件下，杰西奶牛比荷斯坦奶牛具有更强的耐热性，这主要归因于其更强的散热能力，从而进一步影响其牛奶产量和脂肪含量（Joo等，2021a；Smith等，2013；Habimana等，2023）。尽管已经进行了许多关于这两种代表性品种在热应激下生理反应的比较研究，但相关的多组学变化尚未得到详细研究。在本研究中，我们通过整合16S rDNA测序和LC-MS技术，探讨了热应激对荷斯坦奶牛和杰西奶牛的生理和生化参数、瘤胃微生物组及其代谢谱的影响，旨在研究细菌属与特定代谢物在热暴露下的潜在关联。
材料与方法
所有与荷斯坦奶牛和杰西奶牛的管理和护理相关的实验设计和方案均获得了江苏省科学技术大学动物伦理委员会的批准（批准编号：20200306），并严格遵循了动物研究的机构指南。
荷斯坦奶牛和杰西奶牛的体温指数（THI）、呼吸频率和产奶量
在实验期间，4月的平均THI值为51.53，8月为81.20（图1A）。正常组中的荷斯坦奶牛和杰西奶牛的呼吸频率明显高于热应激组（图1B），且在热应激条件下，荷斯坦奶牛的产奶量显著下降，而杰西奶牛的产奶量没有下降（图1C），这表明杰西奶牛在热应激条件下可能具有更好的维持产奶量的能力。
荷斯坦奶牛和杰西奶牛的炎症和氧化应激参数
为了分析高温的影响
讨论
热应激对乳制品行业有显著的负面影响，导致牛奶产量和质量下降。先前的研究表明，杰西奶牛在牛奶产量方面可能比荷斯坦奶牛具有更强的耐热性（Collier等，1981；Smith等，2013）。根据West（West，2003；West等，2003）的研究，在72至84的THI范围内，荷斯坦奶牛的产奶量下降更为明显。
CRediT作者贡献声明
李源：撰写初稿、数据整理、概念构建。余然：数据整理、概念构建。谭淑静：正式分析、数据整理。孙龙伟：正式分析、概念构建。严雪晓：正式分析、数据整理。黄俊鹏：可视化、正式分析。穆罕默德·胡拉伊拉·瓦西姆：可视化、概念构建。王振江：可视化、数据整理。李成民：撰写-审稿与编辑、监督、项目管理、资金筹集。
资金来源
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：32002161）、中国科学技术部（KY202201002）、CARS-18和CARS-40-K01专项基金、广西研发计划（AB23026066）以及国家重点研发计划（2021YFE0111100）、江苏省研究生研究与实践创新计划（SJCX24_2577）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
