有机奶牛乳头皮肤非金黄色葡萄球菌和哺乳动物球菌的系统发育多样性及抗菌活性研究

本研究首次系统解析了有机奶牛乳头皮肤定植的非金黄色葡萄球菌和哺乳动物球菌（NASM）的种群结构、抗菌活性与基因组特征，发现Staphylococcus succinus（SSUC）特定菌株表现出显著抑制乳腺炎病原体的能力，其抗菌表型与质粒携带的抗菌肽（AMPs）基因簇相关，为开发新型乳腺炎生物防治策略提供了重要理论依据。

　　

引言

乳腺炎是奶牛养殖业面临的主要挑战，尤其在有机牧场禁用抗生素的背景下更为严峻。非金黄色葡萄球菌和哺乳动物球菌（NASM）作为乳头皮肤共生菌群，其抑制乳腺炎病原体的潜力备受关注。本研究通过多组学方法，首次全面解析有机奶牛NASM的生态分布、系统发育特征及其与乳腺健康的关系。

材料与方法

研究选取美国两家有机牧场的114头奶牛，采集乳头皮肤拭子和乳汁样本。采用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）和Illumina MiSeq全基因组测序进行菌种鉴定，通过琼脂稀释法测定NASM对金黄色葡萄球菌（SAU）和停乳链球菌（SUB）的最小抑制浓度（MIC）。利用SPAdes进行基因组组装，GTDB-Tk进行物种注释，并通过ABRIcate分析抗菌肽（AMPs）、毒力因子和抗生素抗性基因（ARGs）。

结果

微生物生态特征

乳头皮肤共分离出9种NASM，优势菌种为Staphylococcus chromogenes（SCH）和Staphylococcus haemolyticus（SHAEM）。值得注意的是，19.4%无乳腺感染（IMI）奶牛携带高抑菌活性NASM菌株（MIC<2.66 log₁₀ CFU/mL），显著高于感染组（5.8%）。

系统发育与功能基因组

构建的5个系统发育树显示：

1. 1.

   SSUC特定分支（含7株菌）对SAU/SUB的MIC降低1.06 log₁₀（p=0.003），该分支均携带pSaa6159样质粒

2. 2.

   所有NASM基因组均含≥1种AMPs基因，但未发现与表型抑菌活性的直接关联

3. 3.

   毒力基因呈现物种特异性分布，SAU携带75%的毒素基因，而NASM仅保留exfoliative toxin type C等保守毒力因子

抗菌机制新发现

定量分析揭示：

• •

  SSUC对SAU的MIC低至2.41±0.26 log₁₀ CFU/mL，45.5%菌株进入抑菌活性前十

• •

  质粒介导的lcn972等 bacteriocin基因可能贡献抑菌表型

• •

  23S rRNA甲基转移酶（rlmH）等ARGs在97.7%分离株中被检出

讨论

研究突破性地发现SSUC菌株通过质粒编码机制发挥强效抑菌作用，这种菌株级特异性为精准微生物干预提供了靶点。与传统认知不同，AMPs基因的普遍存在与表型抑菌活性缺乏直接关联，提示后转录调控的关键作用。值得注意的是，乳头皮肤多菌株共存现象（如奶牛87835同时携带SCH5/SCH11）反映了生态位竞争的复杂性。

结论

该研究建立了NASM基因组资源库，阐明SSUC特定进化枝的抗菌优势，为开发基于益生菌的乳腺炎防控策略奠定基础。未来需通过转录组和代谢组学进一步解析AMPs的表达调控网络，推动从基因组预测到表型验证的转化研究。