整合多组学研究揭示了羔羊在断奶压力下瘤胃细菌群落、基因表达及代谢物谱的快速变化

《Small Ruminant Research》：Integrated multi-omics unveils rapid shifts in rumen bacterial community, gene expression, and metabolite profiles of lambs in response to weaning stress

该研究通过多组学方法分析早期断奶对胡羊瘤胃微生物群、代谢物和基因表达的影响，发现断奶后Firmicutes丰度增加，Lachnospiraceae NK3A20组显著下降，与免疫抑制相关；LPAR1基因表达上调，皮质醇水平升高，涉及PI3K-Akt信号通路，揭示早期断奶通过微生物群失衡、代谢紊乱和基因表达变化影响羊健康。

　　

崔晓彪|吴顺|吴玉琴|牛莉莉|曹佳学|詹思远|王琳杰|郭家忠|李莉|张洪平|钟涛

四川省家畜遗传资源探索与创新重点实验室，四川农业大学动物科学技术学院，成都611130，中国

摘要

在集约化养殖系统中，早期断奶直接影响羔羊的生长性能和企业的盈利能力。然而，从奶食到固体饲料的转变以及母羊的突然断奶压力容易导致断奶应激，尤其是导致免疫力显著下降。早期断奶对羔羊瘤胃微生物群、代谢物和基因表达的影响尚未得到充分研究。因此，本研究评估了羔羊对早期断奶的反应。与正常断奶的羔羊相比，断奶后羔羊的瘤胃微生物群组成发生了变化，Firmicutes类的丰度在60.00%到65.00%之间。Prevotella仍然是优势菌属，其丰度在断奶后增加了约2.56%。而Lachnospiraceae NK3A20组的相对丰度显著下降，这可能导致断奶羔羊的抗炎反应减弱和免疫功能受损。瘤胃差异表达基因（DEGs）主要富集在PI3K-Akt信号通路中。值得注意的是，介导应激适应的候选基因LPAR1在断奶后高表达。此外，断奶羔羊的瘤胃液中皮质醇水平显著升高（超过1.5倍），并在四个通路中富集：醛固酮调节的钠重吸收、库欣综合征、前列腺癌以及皮质醇的合成和分泌。此外，我们发现上述变化之间存在关联，特别是涉及Lachnospiraceae NK3A20组、O-磷脂酰丝氨酸和LPAR1基因。本研究表明，早期断奶会破坏瘤胃微生物平衡，尤其是减少Lachnospiraceae NK3A20组的丰度，改变代谢物谱，包括O-磷脂酰丝氨酸，并诱导与应激相关的基因（如LPAR1）的差异表达，这些基因都集中在PI3K-Akt信号通路中。这些发现为早期断奶如何影响羔羊的瘤胃健康和免疫功能提供了机制上的见解。

引言

早期断奶是一种广泛采用的羔羊生产策略，通过加速繁殖和缩短繁殖周期来提高母羊的繁殖效率（Guo等人，2024年）。然而，早期断奶使羔羊暴露于各种环境压力下，由于它们的免疫系统仍在发育中，可能会导致免疫抑制，从而对生长性能和瘤胃健康产生负面影响（Zhang等人，2022年）。这些挑战可能会阻碍羔羊瘤胃细菌的早期发育，最终导致经济损失（Wang等人，2022年）。因此，全面了解早期断奶对羔羊瘤胃的影响至关重要，因为它为这一领域的进一步研究提供了宝贵的参考。

反刍动物的消化、吸收和代谢主要发生在瘤胃中，这对木质纤维素的消化至关重要（Matthews等人，2019年）。瘤胃内的微生物多样性对于粗饲料中木质纤维素的消化至关重要。在成年反刍动物中，瘤胃拥有稳定的微生物群，细菌是主要的微生物群体（Jenkins等人，2008年；Morgavi等人，2013年）。先前的一项研究表明，早期断奶会导致瘤胃微生物的变化，包括Pseudoscardovia, Dialister, Sharpea, Syntrophococcus 和 Prevotella 7，并与长期的断奶应激有关。值得注意的是，早期断奶组在整个断奶期间始终保持较高比例的Erysipelotrichaceae UCG-002（Wang等人，2022年）。此外，先前的报告表明丁酸盐代谢在羔羊断奶过程中起作用（Laarman等人，2012年），并且断奶会影响羔羊挥发性脂肪酸（VFA）的代谢和与细胞增殖调节相关的基因表达（Li等人，2022年）。尽管这些研究扩展了我们对早期断奶期间瘤胃变化的了解，但关于早期断奶影响的研究仍然有限，尤其是从多组学角度。

此外，瘤胃中的微生物群对反刍动物的生产效率和整体健康至关重要（Wang和Luo，2020年）。例如，瘤胃微生物群的变化可能导致代谢紊乱、瘤胃环境失衡和炎症（Huws等人，2018年）。此外，早期断奶还会引起羔羊肠道中碳水化合物代谢、能量代谢和氨基酸代谢的动态变化（Ye等人，2023年）。断奶后的免疫力下降与氨基酸和嘌呤代谢密切相关，代谢物组成影响免疫功能（Tang等人，2021年）。因此，我们推测在整个断奶过程中，瘤胃微生物群、代谢物和基因表达之间可能存在相互作用。此外，瘤胃微生物群可能会影响宿主对断奶引起的极端压力的适应。为了研究这些关系，我们采用了多组学方法（16S rRNA基因测序、RNA-Seq和代谢组学）来比较早期断奶羔羊的瘤胃微生物群，旨在表征断奶前后的微生物群落。此外，我们还确定了与早期断奶应激期间宿主适应相关的细菌的功能基因和代谢物。

伦理声明

本研究的实验方案已获得四川农业大学机构动物护理和使用委员会（中国成都，Dky-22023302100）的批准。

实验设计和样本收集

断奶实验在中国陕西榆林三农种业服务有限公司进行，涉及10只平均出生体重为2.68 ± 0.11公斤的雄性Hu羔羊。羔羊根据出生日期进行分组，出生日期相近。所有羔羊都在断奶前与母亲一起饲养。

早期断奶改变了瘤胃微生物群的组成

对断奶前后Hu羔羊瘤胃微生物多样性的比较评估显示，Shannon指数、Simpson指数、Chao1指数和ACE指数没有显著差异。然而，断奶后ACE指数和Chao1指数有所下降（图1A-D）。

断奶前后羔羊的优势门类为Firmicutes和Bacteroidetes。Firmicutes的相对丰度增加了约5.80%

讨论

微生物群落的多样性常被用作评估生态系统稳定性的指标（Kriss等人，2018年；Rinninella等人，2019年）。本研究的结果显示，断奶前后羔羊的ACE指数、Chao1指数、Shannon指数和Simpson指数没有显著差异。类似地，Hao等人的研究也报告称断奶前后羔羊瘤胃微生物的α多样性没有显著差异（Hao等人，2021年）。这些结果表明

结论

我们的多组学结果显示，早期断奶显著改变了Hu羔羊瘤胃中的基因表达、代谢物谱和微生物组成。某些与免疫应激相关的瘤胃微生物类群（如Lachnospiraceae NK3A20组）在断奶后的丰度降低，表明抗炎反应和免疫功能下降。此外，早期断奶引起了瘤胃微生物群落的组成变化。

作者贡献声明

詹思远：数据整理。曹佳学：资源提供。郭家忠：数据整理。王琳杰：实验研究。张洪平：资源提供。李莉：资源提供。崔晓彪：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、方法学设计、实验研究。钟涛：撰写——审稿与编辑、监督、方法学设计、资金获取、数据分析、概念构思。吴顺：实验研究、数据整理。牛莉莉：资源提供、项目管理。吴玉琴：实验研究、数据收集

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了四川省科技计划（2023YFH0016）和四川省家畜遗传资源探索与创新重点实验室开放基金（cndky-2021-02）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。