单细胞基因组测序揭示肉牛与役牛瘤胃微生物组的菌株水平差异及其代谢功能分化

本研究通过高通量单细胞基因组测序技术，首次在菌株水平解析了安格斯肉牛与武陵役牛瘤胃微生物组的组成差异。研究人员发现肉牛瘤胃中产酸菌（如Succiniclasticum和Limivicinus）丰度更高，携带更多纤维素酶（GHs）和挥发性脂肪酸（VFA）合成酶；而役牛则以产甲烷菌（Methanobrevibacter_A）为主。该研究为理解反刍动物生产性能差异提供了微生物组层面的新见解，发表于《Animal Microbiome》。

　　

在人类漫长的农耕文明中，牛既是重要的肉奶来源又是不可或缺的劳动力。有趣的是，经过长期人工选择，肉牛（如安格斯牛）往往拥有丰满的肌肉和均匀分布的脂肪，而役用牛（如中国武陵牛）则表现出更为精壮的体格。这种表型差异背后，是否隐藏着瘤胃微生物组的"秘密武器"？传统研究通过宏基因组测序虽然揭示了瘤胃微生物的群落组成，但就像用望远镜观察星空，只能看到模糊的光斑，无法分辨每颗星星的独特光芒。

中国农业科学院动物营养与饲料科学研究所的研究人员决定采用革命性的高通量单细胞基因组测序技术，就像给微生物装上"显微镜"，首次在菌株水平比较安格斯肉牛与武陵役牛的瘤胃微生物组。这项发表在《Animal Microbiome》的研究发现，两类牛不仅微生物组成存在显著差异，其代谢网络也展现出截然不同的能量分配策略。

研究人员从两种牛的瘤胃中采集样本，通过微滴封装单细胞、多重置换扩增（MDA）和Illumina平台测序，获得10,932个安格斯牛和8,190个武陵牛的单细胞扩增基因组（SAGs）。经过质量控制和共组装，最终获得114个中高质量基因组（97个细菌和17个古菌），并利用CheckM和BUSCO评估完整性。通过GTDB-Tk和RefSeq数据库注释后，采用Anvio构建系统发育树，分析水平基因转移（HGT）事件，并注释碳水化合物活性酶（CAZy）和关键代谢酶。

微生物分类组成差异
在菌株水平上，安格斯牛瘤胃中细菌占比更高（76.77% vs 43.14%），尤其是产丙酸的Succiniclasticum unknown_3（4.32%）和产丁酸的Limivicinus unknown_7（4.67%）。武陵牛则以古菌Methanobrevibacter_A为主（56.74% vs 22.09%），其优势菌种unknown_3占比高达30.47%。这种组成差异暗示两类牛可能采用不同的能量获取策略。

水平基因转移网络
研究发现130个HGT事件，其中64次发生在安格斯牛特有的Succiniclasticum菌株间，涉及846个功能未知蛋白和168个参与DNA修复等基础过程的基因。武陵古菌中则发现31次HGT事件，包含22个碳水化合物代谢相关基因的转移，这可能帮助它们适应草食环境。

碳水化合物降解能力
注释到1525个细菌CAZy酶，其中糖苷水解酶（GHs）占主导。值得注意的是，纤维素酶（EC 3.2.1.4/91/21）主要分布在安格斯牛的Ruminococcus unknown_0和UBA2868 unknown_0中，而半纤维素酶在两类牛中均有分布。安格斯牛特有的UBA2868 unknown_9含有全部三种纤维素酶，显示更强的植物纤维降解潜力。

糖酵解与VFA合成通路
分析发现212个关键激酶，包括己糖激酶（HK）、6-磷酸果糖激酶（PFK）和丙酮酸激酶（PK）。两类牛都偏好利用Prevotella的HK和Succiniclasticum的PK。在VFA合成方面，安格斯牛富集了更多丁酸（EC 2.8.3.8/9）和丙酸（EC 5.4.99.2）合成酶，而武陵古菌则含有独特的EC 4.2.1.54（参与甲烷生成）。

这项研究首次在单细胞尺度揭示了瘤胃微生物的菌株水平差异及其代谢功能分化。安格斯牛通过富集产酸菌和降解酶，构建了高效的VFA生产网络，为脂肪沉积提供原料；而武陵牛则依赖产甲烷菌维持持续能量流动，支持肌肉耐力活动。这些发现不仅解释了反刍动物表型差异的微生物基础，也为精准调控瘤胃功能、改善牲畜生产性能提供了新思路。就像发现了两套不同的"微生物工厂"，一套擅长快速生产能量原料，另一套专精持续供能，完美适配宿主的不同需求。