日粮驱动的高效宿主介导微生物扩增：瘤胃微生物组结构与功能适应机制解析

《ISME Communications》：Metatranscriptomics uncovers diet-driven structural, ecological, and functional adaptations in the rumen microbiome linked to feed efficiency

本研究通过宏转录组学分析，揭示了日粮类型与宿主饲料效率共同塑造瘤胃微生物组生态组装与功能适应的新机制。研究人员发现高饲料效率（HFE）安格斯公牛通过确定性选择富集具有碳水化合物结合模块（CBM）增强降解能力的微生物类群（如Fibrobacter spp.、Butyrivibrio spp.和UBA1067 spp.），提出"高效宿主介导微生物扩增"新概念，为精准畜牧提供微生物靶点。

　　

在反刍动物生产中，饲料效率是决定经济效益和环境可持续性的关键指标。尽管瘤胃微生物组在养分转化中起核心作用，但关于宿主如何通过生态机制调控微生物适应日粮并影响饲料效率的认知仍存在空白。传统研究多基于宏基因组学，只能揭示微生物的遗传潜能，而无法捕捉其真实转录活性。随着25,115个瘤胃微生物参考基因组的释放，通过宏转录组学在基因组分辨率下解析微生物活性已成为可能。

为揭示这一机制，研究人员对30头纯种安格斯公牛（根据饲料转化率分为高饲料效率HFE和低饲料效率LFE组）进行为期180天的饲养实验，分别饲喂 forage-based（F组）或 grain-based（G组）日粮，并收集4个时间点的120个瘤胃液样本进行宏转录组测序。通过构建包含1,744,067个非冗余基因的活性基因目录，结合中性群落模型（NCM）和碳水化合物活性酶（CAZyme）分析，系统解析了微生物群落组装机制和功能适应策略。

关键技术方法包括：1）安格斯公牛队列设计（n=30）与长期采样策略；2）宏转录组测序与活性基因目录构建；3）25,115个瘤胃微生物基因组的物种水平基因组箱（SGB）分析；4）中性群落模型（NCM）评估生态组装过程；5）碳水化合物活性酶（CAZyme）和碳水化合物结合模块（CBM）功能注释。

日粮驱动瘤胃活性微生物群落的差异化

主坐标分析显示F组和G组微生物群落存在显著分离（PERMANOVA R²=0.12，P<0.001）。在F组中，Bacteroidota、Camylobacterota和Fibrobacterota转录活性更高；而G组中Bacillota、Spirochaetota和Methanobacteriota更活跃。在属水平，Prevotella、Fibrobacter在F组富集，而Treponema_D、UBA1067在G组富集。

跨日粮的饲料效率相关瘤胃微生物特征

尽管HFE和LFE公牛的整体群落结构无显著差异，但在SGB分辨率下发现关键类群的转录活性差异。forage-fed HFE公牛中Butyrivibrio和Fibrobacter的SGBs活性升高，grain-fed HFE公牛中UBA1067和UBA1179的SGBs更活跃，而Ruminococcus_E在LFE动物中持续高活性。

饲料效率公牛中日粮特异性微生物特化

HFE公牛表现出日粮响应性类群的进一步富集：forage-fed HFE中纤维降解类群（Butyrivibrio spp.、Fibrobacter spp.）活性增强，grain-fed HFE中淀粉适应类群（UBA1067 spp.）活性升高。相反，LFE公牛的微生物配置相对固定，Ruminococcus_E spp.在不同日粮下均保持高活性，表明其生态灵活性有限。

NCM分析揭示高饲料效率公牛中的日粮驱动选择

NCM分析显示随机过程主导群落组装（HFE R²=0.779；LFE R²=0.781），但HFE公牛中确定性选择更强。Fibrobacter spp.的61.3-76.0% SGBs被分类为阳性选择，Butyrivibrio spp.为13.3-46.0%，UBA1067 spp.为33.3-48.5%，而LFE富集的Ruminococcus_E spp.主要呈现中性选择。

HFE公牛中日粮依赖性类群的特定酶机制

CAZyme分析揭示HFE富集类群编码更多CBM相关催化结构。Fibrobacter spp.含有约30个CBM相关酶结构，包括CBM11-CBM11-CBM11-GH51串联排列；Butyrivibrio spp.具有靶向纤维素、半纤维素和淀粉的多种CBM；UBA1067 spp.含有丰富的CBM91模块与GH43、GH10组合。而Ruminococcus_E spp.的CBM数量显著较少，限制其底物降解能力。

研究结论表明，饲料效率差异主要由微生物转录活性微调而非整体群落结构改变所驱动。通过引入"高效宿主介导微生物扩增"新概念，揭示了宿主通过确定性选择强化日粮响应性微生物功能的新机制。该框架将宿主生理、日粮和微生物功能相联系，为通过微生物靶向干预提高反刍动物生产可持续性提供新途径。

这项发表于《ISME Communications》的研究首次在基因组分辨率下系统解析了公牛瘤胃微生物组的生态适应机制，为理解宿主-微生物互作提供了新视角，对发展精准畜牧技术具有重要意义。